محلل الشبكة (الكهربائي)

محلل الشبكة هو جهاز يقيس معلمات الشبكات الكهربائية . يقيس محلل الشبكة اليوم عادةً معلمات s ، لأن قياس انعكاس وانتقال الموجات في الشبكات الكهربائية سهل عند الترددات العالية، ولكن توجد مجموعات أخرى من معلمات الشبكة مثل معلمات y و z و h . يُستخدم محلل الشبكة غالبًا لتوصيف الشبكات ثنائية المنافذ ، مثل المضخمات والمرشحات، ولكنه قابل للاستخدام أيضًا مع الشبكات ذات عدد المنافذ غير محدود .

تُستخدم محللات الشبكة في الغالب عند الترددات العالية ؛ إذ تتراوح ترددات التشغيل من 1  هرتز إلى 1.5  تيراهيرتز. ^{[ 1 ]} كما يمكن لأنواع خاصة من محللات الشبكة تغطية نطاقات تردد منخفضة تصل إلى 1  هرتز. ^{[ 2 ]} ويمكن استخدام هذه المحللات، على سبيل المثال، لتحليل استقرار الدوائر المفتوحة أو لقياس مكونات الصوت والموجات فوق الصوتية . ^{[ 3 ]}

النوعان الأساسيان من محللات الشبكة هما

• محلل الشبكة العددية (SNA) - يقيس خصائص السعة فقط
• محلل الشبكة الاتجاهية (VNA) - يقيس خصائص السعة والطور

محلل الشبكة الاتجاهي (VNA) هو نوع من محللات شبكات الترددات الراديوية، ويُستخدم على نطاق واسع في تطبيقات تصميم الترددات الراديوية. يُعرف أيضًا باسم مقياس الكسب والطور أو محلل الشبكة التلقائي . أما محلل الشبكة الطيفي (SNA) فهو مطابق وظيفيًا لمحلل الطيف مع مولد التتبع . اعتبارًا من عام 2007^{تُعد أجهزة تحليل الشبكات الاتجاهية} (VNAs) أكثر أنواع أجهزة تحليل الشبكات شيوعًا، ولذلك فإن الإشارة إلى "جهاز تحليل الشبكات" بشكل عام تعني غالبًا جهاز تحليل الشبكات الاتجاهية. ومن أبرز الشركات المصنعة لأجهزة تحليل الشبكات الاتجاهية: ^Keysight ، و ^Anritsu ، و Advantest ، و Rohde & Schwarz ، و SIGLENT Technologies ، و Copper Mountain Technologies ، و OMICRON Lab .

منذ بضع سنوات، أصبحت الأجهزة منخفضة التكلفة ومشاريع التجميع الذاتي متاحة، بعضها بأقل من 100 دولار، وخاصةً من قطاع هواة اللاسلكي. ورغم أن هذه الأجهزة تتميز بميزات أقل بكثير مقارنةً بالأجهزة الاحترافية، وتوفر نطاقًا محدودًا من الوظائف، إلا أنها غالبًا ما تكون كافية للمستخدمين العاديين، لا سيما أثناء الدراسة ولتطبيقات الهوايات حتى نطاق الترددات المنخفضة (جيجاهرتز). ^{[ 5 ]}

يُعد محلل انتقال الموجات الميكروية (MTA) أو محلل الشبكة للإشارات الكبيرة (LSNA) فئة أخرى من محللات الشبكة ، حيث يقيس كلاً من سعة وطور الموجة الأساسية والتوافقيات. وقد طُرح محلل انتقال الموجات الميكروية (MTA) في الأسواق قبل محلل الشبكة للإشارات الكبيرة (LSNA)، ولكنه كان يفتقر إلى بعض ميزات المعايرة سهلة الاستخدام المتوفرة حاليًا في محلل الشبكة للإشارات الكبيرة (LSNA).

يتكون الهيكل الأساسي لمحلل الشبكة من مولد إشارة، ومجموعة اختبار، وجهاز استقبال واحد أو أكثر، وشاشة عرض. في بعض التكوينات، تكون هذه الوحدات أجهزة منفصلة. تحتوي معظم أجهزة تحليل الشبكة الاتجاهية على منفذي اختبار، مما يسمح بقياس أربعة معاملات S.${\displaystyle (S_{11},S_{21},S_{12},S_{22})}$لكن الأجهزة التي تحتوي على أكثر من منفذين متوفرة تجارياً.

جهاز تحليل الشبكة الاتجاهية (VNA) هو نظام اختبار يمكّن من تحديد خصائص أداء الترددات الراديوية وأجهزة الميكروويف من حيث معلمات تشتت الشبكة ، أو معلمات S.

يوضح الرسم التخطيطي الأجزاء الأساسية لجهاز تحليل الشبكة الاتجاهية ثنائي المنافذ (VNA). يُشار إلى منفذي الجهاز قيد الاختبار (DUT) بالمنفذ 1 (P1) والمنفذ 2 (P2). موصلات منافذ الاختبار الموجودة على جهاز VNA نفسه من النوع الدقيق، والتي عادةً ما تتطلب تمديدها وتوصيلها بالمنفذين P1 وP2 باستخدام كابلات دقيقة 1 و2، PC1 وPC2 على التوالي، ومحولات توصيل مناسبة A1 وA2 على التوالي.

يتم توليد تردد الاختبار بواسطة مصدر موجة مستمرة بتردد متغير ، ويتم ضبط مستوى طاقته باستخدام مُخفِّف متغير . يحدد موضع المفتاح SW1 اتجاه مرور إشارة الاختبار عبر الجهاز قيد الاختبار. لنفترض مبدئيًا أن SW1 في الموضع 1، بحيث تسقط إشارة الاختبار على الجهاز قيد الاختبار عند النقطة P1، وهو الموضع المناسب للقياس.${\displaystyle S_{11}\,}$و${\displaystyle S_{21}\,}$تُغذّى إشارة الاختبار من SW1 إلى المنفذ المشترك للمُقسّم 1، حيث يُغذّي أحد طرفي القناة (قناة المرجع) جهاز استقبال مرجعي للإشارة P1 (RX REF1)، بينما يتصل الطرف الآخر (قناة الاختبار) بالإشارة P1 عبر الموصل الاتجاهي DC1 وPC1 وA1. يقوم المنفذ الثالث لـ DC1 بفصل الطاقة المنعكسة من P1 عبر A1 وPC1، ثم يُغذّيها إلى جهاز استقبال الاختبار 1 (RX TEST1). وبالمثل، تمر الإشارات الخارجة من P2 عبر A2 وPC2 وDC2 إلى RX TEST2. تُعرف أجهزة الاستقبال RX REF1 وRX TEST1 وRX REF2 وRX TEST2 باسم أجهزة الاستقبال المتماسكة لأنها تشترك في نفس المذبذب المرجعي، وهي قادرة على قياس سعة وطور إشارة الاختبار عند تردد الاختبار. تُغذّى جميع إشارات خرج جهاز الاستقبال المعقدة إلى معالج يقوم بالمعالجة الرياضية ويعرض المعلمات والتنسيق المُختارين على شاشة عرض الطور والسعة. تتضمن القيمة اللحظية للطور كلاً من الجزأين الزمني والمكاني ، ولكن يتم استبعاد الجزء الزمني باستخدام قناتي اختبار، إحداهما مرجعية والأخرى للقياس. عند ضبط المفتاح SW1 على الوضع 2، تُطبَّق إشارات الاختبار على P2، ويُقاس المرجع بواسطة جهاز الاستقبال RX REF2، وتُفصل الانعكاسات من P2 بواسطة DC2 وتُقاس بواسطة جهاز الاستقبال RX TEST2، وتُفصل الإشارات الخارجة من P1 بواسطة DC1 وتُقاس بواسطة جهاز الاستقبال RX TEST1. هذا الوضع مناسب للقياس.${\displaystyle S_{22}\,}$و${\displaystyle S_{12}\,}$.

يحتاج محلل الشبكة، كمعظم الأجهزة الإلكترونية ، إلى معايرة دورية ؛ تُجرى هذه المعايرة عادةً مرة واحدة سنويًا، إما من قِبل الشركة المصنعة أو من قِبل جهة خارجية في مختبر معايرة. عند معايرة الجهاز، يُلصق عليه عادةً ملصق يوضح تاريخ المعايرة وموعد المعايرة التالية. كما تُصدر شهادة معايرة.

يُحقق محلل الشبكة الاتجاهية قياسات عالية الدقة من خلال تصحيح الأخطاء المنهجية في الجهاز، وخصائص الكابلات، والمحولات، وتجهيزات الاختبار. عملية تصحيح الأخطاء، والتي تُسمى عادةً بالمعايرة، هي عملية مختلفة تمامًا، وقد يُجريها مهندس عدة مرات في الساعة. يُطلق عليها أحيانًا معايرة المستخدم، للدلالة على الفرق بينها وبين المعايرة الدورية التي تُجريها الشركة المصنعة.

يحتوي محلل الشبكة على موصلات في لوحته الأمامية، ولكن نادرًا ما تُجرى القياسات من هذه اللوحة. عادةً ما تُوصل بعض كابلات الاختبار من اللوحة الأمامية إلى الجهاز قيد الاختبار. يُؤدي طول هذه الكابلات إلى تأخير زمني وانزياح طوري مُصاحب (يؤثر على قياسات محلل الشبكة الاتجاهي)؛ كما تُسبب الكابلات أيضًا بعض التوهين (يؤثر على قياسات محلل الشبكة الاتجاهي ومحلل الشبكة الجيبية). وينطبق الأمر نفسه على الكابلات والموصلات داخل محلل الشبكة. تتغير جميع هذه العوامل بتغير درجة الحرارة. تتضمن المعايرة عادةً قياس معايير معروفة واستخدام تلك القياسات للتعويض عن الأخطاء المنهجية، ولكن توجد طرق لا تتطلب معايير معروفة. لا يُمكن تصحيح سوى الأخطاء المنهجية. أما الأخطاء العشوائية ، مثل تكرارية الموصلات، فلا يُمكن تصحيحها بواسطة معايرة المستخدم. مع ذلك، تُحاول بعض محللات الشبكة الاتجاهية المحمولة، المصممة لقياسات أقل دقة في الخارج باستخدام البطاريات، إجراء بعض التصحيحات لتأثير درجة الحرارة عن طريق قياس درجة الحرارة الداخلية لمحلل الشبكة.

الخطوات الأولى، قبل البدء في معايرة المستخدم، هي:

• افحص الموصلات بصريًا بحثًا عن أي مشاكل مثل الدبابيس المنحنية أو الأجزاء غير المتمركزة بشكل واضح. لا تستخدم هذه الموصلات، لأن توصيل موصلات تالفة بموصلات سليمة غالبًا ما يؤدي إلى تلف الموصل السليم.
• قم بتنظيف الموصلات باستخدام الهواء المضغوط بضغط أقل من 60 رطل لكل بوصة مربعة.
• إذا لزم الأمر، قم بتنظيف الموصلات بالكحول الأيزوبروبيلي واتركها تجف.
• افحص الموصلات للتأكد من عدم وجود أي مشاكل ميكانيكية جسيمة. عادةً ما تتضمن مجموعات المعايرة عالية الجودة مقاييس موصلات بدقة تتراوح من 0.001 بوصة إلى 0.0001 بوصة.
• أحكم ربط الموصلات بعزم الدوران المحدد. سيتم توفير مفتاح عزم الدوران مع جميع مجموعات المعايرة باستثناء أرخصها.

توجد عدة طرق مختلفة للمعايرة.

• SOLT  ، وهو اختصار لـ short, open, load, through ، هي أبسط طريقة. وكما يوحي الاسم، تتطلب هذه الطريقة الوصول إلى معايير معروفة تتضمن دائرة قصر ، ودائرة مفتوحة ، وحمل دقيق (عادةً 50 أوم)، ووصلة تمرير. من الأفضل أن تكون منافذ الاختبار من نفس نوع الموصل ( N ، 3.5  مم، إلخ)، ولكن من نوع مختلف، بحيث تتطلب وصلة التمرير توصيل منافذ الاختبار معًا فقط. تُعد SOLT مناسبة للقياسات المحورية، حيث يمكن الحصول على دوائر القصر، والدائرة المفتوحة، والحمل، والتمرير. أما طريقة معايرة SOLT فهي أقل ملاءمة لقياسات الموجات الدليلية ، حيث يصعب الحصول على دائرة مفتوحة أو حمل، أو للقياسات على تجهيزات اختبار غير محورية، حيث توجد نفس مشاكل إيجاد معايير مناسبة.
• معايرة خط النقل والانعكاس (TRL): تُعد هذه التقنية مفيدة في بيئات الموجات الميكروية غير المحورية، مثل أجهزة التثبيت، وفحص الرقاقات، والموجهات الموجية. تستخدم معايرة TRL خط نقل، أطول بكثير من خط النقل، ذي طول ومعاوقة معروفين، كمعيار. كما تتطلب معايرة TRL معيارًا عالي الانعكاس (عادةً ما يكون دائرة قصر أو دائرة مفتوحة) لا يشترط فيه تحديد المعاوقة بدقة، ولكن يجب أن تكون متطابقة كهربائيًا لكلا منفذي الاختبار. ^{[ 7 ]} في بعض الأحيان، تُطلق الشركات المصنعة، مثل أنريتسو، على معايرة TRL اسم معايرة LRL، حيث يرمز الحرف L الأول إلى "الخط". ^{[ 8 ]}

أبسط معايرة يمكن إجراؤها على محلل الشبكة هي قياس الإرسال. لا توفر هذه المعايرة أي معلومات عن الطور، وبالتالي تعطي بيانات مشابهة لتلك التي يعطيها محلل الشبكة القياسي. أما أبسط معايرة يمكن إجراؤها على محلل الشبكة مع توفير معلومات عن الطور فهي معايرة أحادية المنفذ (S11 أو S22، وليس كليهما). وهذا يفسر الأخطاء المنهجية الثلاثة التي تظهر في قياسات الانعكاسية أحادية المنفذ.

• التوجيهية - خطأ ناتج عن جزء من إشارة المصدر التي لا تصل أبدًا إلى الجهاز قيد الاختبار.
• تطابق المصدر - أخطاء ناتجة عن انعكاسات داخلية متعددة بين المصدر والجهاز قيد الاختبار.
• تتبع الانعكاس - خطأ ناتج عن اعتماد التردد على أسلاك الاختبار والوصلات وما إلى ذلك.

في معايرة الانعكاس أحادية المنفذ النموذجية، يقيس المستخدم ثلاثة معايير معروفة، عادةً ما تكون دائرة مفتوحة، ودائرة قصيرة، وحملًا معروفًا. ومن خلال هذه القياسات الثلاثة، يستطيع محلل الشبكة حساب الأخطاء الثلاثة المذكورة أعلاه. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

يُعدّ معايرة الانعكاسية والنفاذية الكاملة ثنائية المنافذ عملية معايرة أكثر تعقيدًا. يوجد في حالة المنفذين 12 خطأً منهجيًا محتملاً، مماثلة للأخطاء الثلاثة المذكورة أعلاه. وتتمثل الطريقة الأكثر شيوعًا لتصحيح هذه الأخطاء في قياس حالة قصر الدائرة، وحالة الحمل، وحالة الدائرة المفتوحة على كل منفذ من المنفذين، بالإضافة إلى قياس النفاذية بينهما.

يستحيل إنشاء دائرة قصر مثالية، لوجود قدر من الحث الذاتي فيها. كما يستحيل إنشاء دائرة مفتوحة مثالية، لوجود سعة هامشية فيها. تحتوي أجهزة تحليل الشبكات الحديثة على بيانات مخزنة حول الأجهزة ضمن مجموعة معايرة. ( Keysight Technologies 2006 ) خطأ harv: لا يوجد هدف: CITEREFKeysight_Technologies2006 ( مساعدة ). في حالة الدائرة المفتوحة، يكون هناك تأخير كهربائي (عادةً عشرات البيكوثانية)، وسعة هامشية تعتمد على التردد. تُحدد السعة عادةً بدلالة متعددة حدود، بمعاملات خاصة بكل معيار. أما دائرة القصر، فتكون مصحوبة بتأخير وحث ذاتي يعتمد على التردد، مع العلم أن هذا الحث يُعتبر ضئيلاً عادةً عند ترددات أقل من 6  جيجاهرتز. يمكن الاطلاع على تعريفات عدد من المعايير المستخدمة في مجموعات معايرة Keysight على الرابط التالي: http://na.support.keysight.com/pna/caldefs/stddefs.html. وتختلف تعريفات هذه المعايير عادةً باختلاف نطاق تردد محلل الشبكة. فإذا كانت مجموعة المعايرة تعمل حتى 9  جيجاهرتز، بينما يبلغ الحد الأقصى لتردد تشغيل محلل الشبكة 3  جيجاهرتز، فإنه يمكن تقريب سعة المعيار المفتوح بدقة أكبر حتى 3  جيجاهرتز، باستخدام مجموعة مختلفة من المعاملات عن تلك اللازمة للعمل حتى 9  جيجاهرتز.

في بعض مجموعات المعايرة، تختلف بيانات الموصلات الذكرية عن الأنثوية، لذا يحتاج المستخدم إلى تحديد جنس الموصل. أما في مجموعات معايرة أخرى (مثل Keysight 85033E 9  GHz 3.5  mm)، فإن خصائص الموصلات الذكرية والأنثوية متطابقة، فلا حاجة لتحديد الجنس. بالنسبة للموصلات غير المصنفة حسب الجنس، مثل APC-7 ، لا تظهر هذه المشكلة.

تتمتع معظم أجهزة تحليل الشبكات بإمكانية استخدام مجموعة معايرة مُخصصة. فإذا كان لدى المستخدم مجموعة معايرة معينة غير مُدرجة تفاصيلها في برنامج جهاز تحليل الشبكات، يُمكن تحميل بيانات المجموعة إلى الجهاز واستخدامها. عادةً ما تُدخل بيانات المعايرة على اللوحة الأمامية للجهاز، أو تُحمّل من وسيط تخزين مثل قرص مرن أو ذاكرة فلاش USB ، أو عبر ناقل بيانات مثل USB أو GPIB.

عادةً ما تتضمن مجموعات المعايرة الأكثر تكلفة مفتاح عزم الدوران لربط الموصلات بشكل صحيح ومقياس الموصل للتأكد من عدم وجود أخطاء جسيمة في الموصلات.

تتوفر العديد من مجموعات التحقق للتأكد من أداء محلل الشبكة وفقًا للمواصفات. تتكون هذه المجموعات عادةً من خطوط نقل ذات عازل هوائي ومخففات. تتضمن مجموعة التحقق Keysight 85055A  خط نقل هوائي بطول 10 سم، وخط نقل هوائي ذي مقاومة متدرجة، ومخففات 20  ديسيبل و50  ديسيبل، مع بيانات عن الأجهزة تم قياسها من قبل الشركة المصنعة وتخزينها على قرص مرن وذاكرة فلاش USB. في الإصدارات الأقدم من 85055A، تُخزن البيانات على شريط وأقراص مرنة بدلاً من ذاكرة USB. تُصنع مجموعات التحقق أيضًا لخطوط نقل أخرى، مثل الموجهات الموجية، والتي تحتوي على عدم تطابق معروف وتخفيفات. تتضمن مجموعة التحقق Flann خمسة حالات عدم تطابق باستخدام انخفاض في ارتفاع الموجه الموجية لتوفير نسبة موجة واقفة معروفة، ومخففين بمستويات تخفيف مختلفة.

تُنتج الشركات الثلاث الكبرى المصنعة لأجهزة تحليل الشبكة الاتجاهية (VNA)، وهي Keysight و Anritsu و Rohde & Schwarz ، نماذج تُوسّع وظائف منتجاتها لتشمل قياس معامل الضوضاء . ويُتيح تصحيح الخطأ الاتجاهي دقةً أعلى من تلك التي تُمكنها الأنواع الأخرى من أجهزة قياس معامل الضوضاء التجارية.

• مخطط بودي
• القياسات الكهربائية
• محلل الشبكة (طاقة التيار المتردد)
• محلل الإشارات المتجهة
• مخطط سميث

• شركة Keysight Technologies (9 يونيو 2003)، مجموعات المعايرة الإلكترونية مقابل الميكانيكية: طرق المعايرة والدقة (ملف PDF) ، ورقة بيضاء، Keysight Technologies
• شركة Keysight Technologies (3 ديسمبر 2019)، تحديد معايير المعايرة لجهاز تحليل الشبكة Keysight 8510 (ملف PDF) ، مذكرة التطبيق 8510-5B، شركة Keysight Technologies
• دانسمور، جويل ب. (سبتمبر 2012)، دليل قياسات مكونات الميكروويف: مع تقنيات تحليل الشبكة الاتجاهية المتقدمة ، وايلي، رقم ISBN 978-1-1199-7955-5

• أساسيات محلل الشبكة، مؤرشفة بتاريخ 4 فبراير 2020 على موقع Wayback Machine (ملف PDF، 5.69 ميجابايت)، من Keysight
• مقدمة في تحليل الشبكات المتجهة (ملف PDF، 123 كيلوبايت)، من شركة أنريتسو
• تحليل شبكة الإشارة الكبيرة (PDF، 3.73 ميجابايت)، بقلم جان فيرسبت
• برنامج VNA منزلي الصنع من تصميم بول كيسياك، N2PK
• قياس استجابة التردد (ملف PDF، 961 كيلوبايت)، بقلم راي ريدلي
• أساسيات محلل شبكة المتجهات بترددات الراديو
• أساسيات الترددات الراديوية لمحللات الشبكات الاتجاهية