网络分析仪测试基础知识

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羲史
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1 网络分析仪测试基本概念测试对象 : 各种元器件及器件组成的系统正确理解关于器件 ( 系统 ) 相关性能指标要求和定义掌握网络分析仪的正确操作和应用的方法

2 网络分析的基本概念网络对实际物理电路和元件进行的数学抽象, 主要研究外部特性网络分析在感兴趣的频率范围内, 通过线性激励 - 响应测试确定元件的幅频特性和相频特性的过程网络分析仪通过正弦扫频测量获得线性网络的传递函数以及阻抗函数的仪器网络分析概述微波网络 S 参数

3 网络分析概述线性网络与非线性网络线性网络 ( 系统 ): 仅改变输入信号的幅度和 ( 或 ) 相位, 不会产生新的频率信号 ; 非线性网络 ( 系统 ): 改变输入信号的频率, 或产生其他频率成分网络分析总是假定被分析网络是线性的, 因而可以基于正弦扫频法进行频率特性的定量分析非线性网络通常使用频谱仪进行测量

4 网络分析系统网络分析仪是通过测定网络的反射参数和传输参数, 从而对网络中元器件特性的全部参数进行全面描述的测量仪器, 用于实现对线性网络的频率特性测量网络分析仪能够完成反射传输两种基本测量, 从而确定几乎所有的网络特性,S 参数是其中最基本的特性标量网络分析仪 : 只测量线性系统的幅度信息 ; 矢量网络分析仪 : 可同时进行幅度传输特性和相位特性测量

5 微波网络 S 参数微波网络常用散射参数 (S 参数 ) 表示任何网络都可用多个 S 参数表征其端口特性, 对 n 端口网络需要 n 2 个 S 参数 a 1 S 21 S 11 b 1 1 DUT 2 S 22 S 12 a 2 b 2 S 11 S 21 S 12 S 22 : 表示双端口网络的四个 S 参数, 即散射参量, 全面反映一个器件 ( 系统 ) 的特性, 包括反射和传输特性. 两个方面的指标中都包含了幅度和相位的信息.

6 S 参数的物理意义 a 1 S 21 S 11 b 1 1 DUT 2 S 22 S 12 a 2 b 2 b 1 b 2 : 端口 1 2 上的所有出射波 a 1 a 2 : 端口 1 2 上的入射波 S 11 = b a 1 1 a = 0 2, S 21 = b a 2 1 a = 0 2 S 11 : 端口 2 匹配时端口 1 的反射系数 S 21 : 端口 2 匹配时的正向传输系数 S 22 = b a 2 2 a = 0 1, S 12 = b a 1 2 a = 0 1 S 22 : 端口 1 匹配时端口 2 的反射系数 S 12 : 端口 1 匹配时的反向传输系数

7 信号在器件中的传播入射信号 DUT 传输信号反射信号当射频信号输入到某个器件上时, 会产生相应的反射和传输, 每个器件在工作状态下, 其传输和反射信号的大小和相位都是不同的, 而反射和传输的特性决定器件对信号的处理作用.

8 满足波形不失真线性系统的条件幅度输入 DUT 相位输出频率频率系统频率带宽内幅频特性为常量幅度频率特性在工作频率范围内要保持恒定系统频率带宽内相频特性为线性相位频率特性在工作频率范围内要保持线性

9 完整器件的指标描述输入 R 反射 A 反射特性 Reflected Incident = A R DUT 输出 B 传输特性 Transmitted = B Incident R VSWR S 参数 S11,S22 反射系数阻抗反射损耗增益 S 参数 S12,S21 传输系数功率相位群时延

10 显示及处理反射 (A) 量化系统组成基本原理采传输 (B) 信号源 DUT 定向耦合器参考 (R) 集及信号源 : 向被测网络提供入射信号或激励 ; 定向耦合器 : 专门负责提取输入端反射信号采集及量化 : 将搜集的传输 (B) 或反射信号 (A) 与参考信号 (R) 进行比较显示及处理 : 对比较的结果进行处理, 显示被测网络的频率特性曲线

11 阻抗匹配的概念输入阻抗 100Ω 100Ω DUT 100Ω 负载阻抗 100Ω 80Ω 全匹配 : 当负载阻抗与器件的特性阻抗相同时, 传输线上只有正向传输信号, 输出到负载上的信号功率达到最大. 全反射 : 当器件的输出端开路或者短路时, 所有输入信号功率被反射到入射端造成全反射. 发生全反射时, 输入端同时存在正向输入信号和同功率的反射信号, 两个信号在输入端上矢量相加, 形成驻波. 部分反射 : 当负载阻抗与器件输出端阻抗不同时, 输入信号的一部分被反射, 反射信号和输入信号在输入端上矢量相加, 引起波形包络起伏变化

12 网络分析仪的测量误差系统误差是由于仪表内部测试装置不理想而引起的, 它是可预示和可重复出现的, 可在测试过程中通过校准来消除随机误差它是不可预示的, 因为它以随机形式出现, 会随时间变化, 因此不能通过校准来消除. 随机误差的主要来源为 : 仪表内部噪声 ( 如激励源相位噪声, 采样噪声, 中频接收本底噪声 ), 开关动作噪声等. 漂移误差是仪表在校准后测试装置的性能漂移. 漂移误差主要是由于温度变化造成, 可通过进一步校准来消除.

13 反射参数测试误差分析 A 接收机信号 = 被测件反射信号 + 误差信号 R 方向性误差 A 反射信号串扰 B DUT 源失配负载失配频率响应误差 : 反射跟踪误差传输跟踪误差

14 反射参数测试误差分析 2 A 接收机信号 = 被测件反射信号 + 误差信号 R 方向性误差 A 反射信号串扰 B DUT 源失配负载失配频率响应误差 : 网络分析仪在扫频状态下工作, 无论是仪表内部设备还是外接的测试线缆, 在工作频带范围内其特性都会存在变化, 这些与频率变化相关的测试误差称为频响误差, 也叫跟踪误差. 方向性误差 : 由于定向耦合器有限方向性造成的误差为方向性误差. 方向性误差信号会叠加在真实的反射信号上, 造成测试误差.

15 反射参数测试误差分析 3 A 接收机信号 = 被测件反射信号 + 误差信号 R 方向性误差 A 反射信号串扰 B DUT 源失配负载失配源失配误差 : 在反射指标测试中, 反射信号通过传输路径返回仪器端口, 仪表端口阻抗与传输线间会存在失配, 该失配会造成信号二次入射, 最后在传输路径中的信号多次入射, 相应又形成多次反射, 这项误差称为源失配误差负载失配误差 : 被测件输出的传输信号也会由于接收端阻抗失配造成反射, 该信号会通过被测件的反向传输而叠加在真实反射信号上, 从而形成负载失配误差

16 反射参数测试误差分析 4 A 接收机信号 = 被测件反射信号 + 误差信号 R 方向性误差 A 反射信号串扰 B DUT 源失配负载失配串扰误差 : 在网络分析仪内部 R:A:B 接收机分别代表测试的输入, 反射, 传输信号, 但这些接收机之间会存在信号串扰, 对被测件会造成一定的测量误差上例中, 正向测试会存在共 6 项误差, 反向测试也存在对称的 6 项误差, 所以二端口器件测试中共存在 12 项误差, 仪表的二端口校准也称为 12 项误差校准

17 校准的基本分类校准过程就是通过测试标准件, 测试系统误差的过程. 根据校准消除误差项目的不同, 网络分析仪校准分为频响校准和矢量校准. 频响校准 : 只测试一个标准件 (SHORT), 校准过程较简单. 但只确定频响误差一项误差. 频响校准的过程相当于测试归一化过程, 既先将测试结果存入存储器中得到参考线, 然后用被测件测试结果与其比较, 这样可消除参考线中系统误差的影响. 矢量校准 : 要求网络分析仪具有幅度和相位测试能力. 是通过已知标准件的测试来得到仪表误差项的过程. 它要求测试多个标准件 (OPEN,SHORT,LOAD), 从而消除更多误差项.

18 校准的概念 OPEN SHORT 是消除网络分析仪误差的过程. LOAD 校准的思路是通过对标准件的测试得到网络分析仪系统误差项的具体数值, 然后通过计算对被测件测试结果进行修正处理, 消除其中误差成份, 得到被测件真实值. 反射测试 : 存在 3 项系统误差 ( 方向性, 源失配, 负载失配 ). 反射频响误差传输测试 : 传输频响误差, 串扰误差, 源失配, 负载失配. 可自定义校准件 ( 校准件定义必须和实际校准件相符.

19 开路校准的问题金属传输延伸线中心介质竿金属传输延伸线金属传输延伸线中心介质竿金属传输延伸线校准过程中会使用开路校准 (OPEN), 它包含金属传输延伸线和中心介质竿. 使用专门开路件是因为在测试线端面, 虽然满足直流开路, 但对于射频和微波信号, 存在中心导体到周围屏蔽层的辐射, 这种现象等效为电容特性. 所以测试线端面不接任何负载, 只能满足直流开路. 而对高频信号, 只相当于电容特性,

20 不同校准方法总结 1. 频响校准 2. 1-PORT 单端校准 3. 2-PORT 双端校准 THRU OPEN OPEN OPEN 方便 SHORT SHORT SHORT 消除频率响应误差不要求高精度传输测试 = 直通反射测试 = 短路 LOAD DUT 反射测试消除测试端口所有误差 LOAD DUT LOAD 多次校准, 复杂, 高精度消除测试端口所有误差

21 电子校准件 Agilent 提供各个频段的电子校准件, 电子校准件依靠 PIN 开关设置不同的阻抗状态, 其校准精度与机械校准相同或更好. 不需要进行多次校准件连接, 提高过程的效率和连接重复性.

22 非标准被测器件的校准 1. 标准被测件的校准 N(50Ω) DUT N(50Ω) 电子校准件 2. 非标准被测件的校准 DUT(Filter) Port 1 50Ω XXΩ XXΩ Port 2 50Ω Balun 测试架 Balun

23 校准对测试结果的影响 CH1 B/R Log MAG 1dB/ REF 0 db CH2 B/R Log MAG 1dB/ REF 0 db 电压 ( 幅度 ) 校准后校准前 START MHz STOP MHz 频率被测件在校准前后结果对比, 对于没有校准的测试结果, 存在典型的波动, 它是系统误差影响的结果, 通过误差校准后, 测试轨迹更正确的反映被测件性能.

24 双端口测试网络 R A B PORT1:S11(A/R),S21(B/R) PORT2:S22(A/R),S12(B/R) Port1 DUT Port2 信号双向传输正向反向指标同时测试 S 参数一次测试完成 2-Port 校准, 消除 2 端口误差

25 开始测量从两个方面可以表征对于一个完整器件的所有测试指标描述传输特性参数测试反射特性参数测试

26 传输系数定义传输系数 : T= V 输出 V 输入传输特性为器件输出信号和输入信号的比值. 传输系数为信号电压的比值, 包含幅度和相位的信息, 为矢量

27 插入损耗 (IL) 传输特性 V 输入 DUT V 输出插入损耗 (IL)(dB)= 20Log V 输出 V 输入是衡量输入端的信号通过被测器件后能量损失的大小, 它是测量输出信号电压与输入信号电压的比值, 用对数形式表示

28 相位 / 频率特性的描述 Phase Time 理想线性器件的相频特性为固定斜线, 斜率对应器件信号的传输延时 Phase 应用 : Frequency 测量器件的相位特性难于定量分析相位特性其线性

29 群时延 (Group Delay) 传输特性 Frequency tg 群时延抖动 Phase to Frequency 平均延时群时延的测量是反映器件相位失真的指标是信号通过器件的传输时间与工作频率关系的测量器件的相位特性为理想线性时, 群时延为固定直线网络分析仪通过测量相位频率特性得到器件的延时性能

30 群时延的测量过程 Min Aperture 10% Aperture 20% Aperture 群时延的测量是通过对相位和频率进行数学微分得到在进行数学微分时必须定义一个计算区间, 称为孔径 : _%Aperture 孔径的大小会对群时延测试产生影响孔径设置较窄时, 测试分辨率高, 但容易受到系统燥声的影响. 孔径设置较宽时, 微分运算对孔径范围内相位非线性变化具有平均作用测试分辨率变差, 可消除系统燥声的影响. 孔径的设置要在测试精度和分辨率间折中.

31 群时延指标反映器件相位线性呈线性变化群时延抖动较大 Group Delay Group Delay Frequency Frequency 网络分析仪通过测量相位频率特性得到器件的延时性能群时延值反映器件相位线性群时延抖动较大, 信号失真愈大

32 反射系数定义 A R A R S11 S22 输入端反射输出端反射 V 反射反射系数 : Γ = = ρ Φ V 入射反射特性为器件反射信号和入射信号的比值. 反射系数为信号电压的比值, 包含幅度和相位的信息, 为矢量, 分别反映反射信号和入射信号的幅度比值和相位差

33 回波损耗 (RL) 反射特性信号输入 (S11,S22) DUT 负载匹配电阻回波损耗 RL(dB): = -20Log(ρ)=- 20Log Γ 是测量传输信号被反射到发送端的比例回波损耗为反射信号功率和入射信号功率的比值

34 电压驻波比 (VSWR) 反射特性 EMax EMin VSWR=1 EMax 电压驻波比 VSWR(dB):= = EMin 是测量反射特性的一个指标 1+ Γ 1- Γ Emax 愈小,VSWR 愈接近 1 在发生反射时, 反射波和入射波在同一传输线上, 在反射波和入射波相位相同的地方, 它们的电压幅度矢量相加, 形成波幅的最高振幅电压 Emax, 在反射波和入射波相位相反的地方, 它们的电压幅度矢量相减, 形成波节的最低振幅电压 Emin

35 阻抗 (Z) 反射特性 CH1 A/R Lin Mag 5dB/ Ref 235U Impedance 1 CH1: 反射特性 (A/R) STAR: 起始频率 STOP: 终止频率 FORMAT: 数据显示表达形式 SCALE: Auto scale Marker: 显示测试结果的读数值 Star 1MHz Stop 10MHz Frequency Marker 1: 2MHz 235Ω 又叫回路阻抗, 反映了信号通过器件的阻碍性能而是随着频率变化而变化. 对于一个具体电路, 它的阻抗特性是不变的, 为一个常数, Z=R+jX= 1+Γ 1- Γ

36 E5061/2A 前面板预览 (300KHZ-1.5/3GHz) 现有通道 / 轨迹选择测量响应设置 3.5 软盘驱动器选择数字输入区 LCD 显示 USB 端口仪器状态设置区标示分析区激励区

37 区域功能介绍通道轨迹区 (Active CH/Trace): Channel Next 选择下一个测量通道 ( 增加通道数量 ) Channel Prev 选择上一个测量通道 ( 减少通道数量 ) Trace Next Trace Prev 选择下一条轨迹线选择上一条轨迹线

38 区域功能介绍 ( 续 ) 响应设置区 (Response): Channel Max Trace Max Meas Format Scale Display Avg Cal 用最大窗口显示当前测量通道只显示当前测量通道主轨迹线显示测量菜单, 选择测量参数. 显示格式菜单, 设置数据或图形的显示格式显示刻度菜单, 选择显示图形的刻度. 定义显示通道, 轨迹线数量或窗口定义群时延测量的平均孔径, 中频带宽. 显示校准菜单, 选择执行测量校准.

39 区域功能介绍 ( 续 ) 激励设置区 (Stimulus): Start 设置测量的起始频率 Stop Center Span Sweep Setup Trigger 设置测量的终止频率通过设置中心频率选择要测量的带宽.. 通过设置频率跨距选择要测量的带宽. 显示扫描设置菜单, 定义扫描时间, 扫描点, 类型等. 显示触发菜单, 定义每个通道的触发模式和触发源

40 区域功能介绍 ( 续 ) 状态设置区 (Instr State): Macro Setup Macro Run Macro Break Save Recall Capture System Preset 显示宏指令设置 ( 利用 VBA 程序编辑器实现自动控制 ) 执行一个 VBA 程序调用运行停止执行 VBA 程序保存和调用测量设置, 轨迹数据. 显示系统菜单信息,( 极限测试, 访问控制, 仪器管理等 ) 复位键 ( 恢复仪器初始默认设置 )

41 区域功能介绍 ( 续 ) 标示分析区 (Mark /Analysis): Marker 显示标识菜单, 定义标示点, 显示测量结果. Marker Search Marker Fctn 显示标识搜索功能 ( 最大值, 最小值等 ) 选择标识功能菜单 ( 标识扫描范围, 耦合, 显示统计 ) Analysis 选择分析功能 ( 极限测试, 阻抗导纳转换等 )

幻灯片 1

幻灯片 1 Agilent 系列网络分析仪 page 1 网络分析仪网络分析仪测试基本概念网络分析仪工作原理误差和校准 ENA PNA page 2 系统组成及器件功能 LNA SAW 滤波器平衡 / 非平衡转换混频器 LO LC 滤波器双功器天线功分器射频前端模块 TX IF LC 滤波器隔离器耦合器放大器 SAW 滤波器平衡 / 非平衡转换 page 3 射频信号在器件中的传播