网络分析仪原理及测量阻抗.docx

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网络分析仪原理及测量阻抗

网络分析仪组成框图

    图1所示为网络分析仪内部组成框图。

为完成被测件传输/反射特性测试，网络分析仪包含；

       1．激励信号源；提供被测件激励输入信号

       2．信号分离装置，含功分器和定向耦合器件，分别提取被测试件输入和反射信号。

       3．接收机；对被测件的反射，传输，输入信号进行测试。

       4．处理显示单元;对测试结果进行处理和显示。

图1 网络分析仪组成框图

    传输特性是被测件输出与输入激励的相对比值，网络分析仪要完成该项测试，需分别得到被测件输入激励信号和输出信号信息。

    网络分析仪内部信号源负责产生满足测试频率和功率要求的激励信号，信号源输出通过功分器均分为两路信号，一路直接进入R接收机，另一路通过开关输入到被测件相应测试口，所以，R接收机测试得到被测输入信号信息。

    被测件输出信号进入网络分析仪B接收机，所以，B接收机测试得到被测件输出信号信息。

B/R为被测试件正向传输特性。

当完成反向测试测试时，需要网络分析仪内部开关控制信号流程。

图2  网络分析仪传输测试信号流程

    反射特性是被测件反射与输入激励的相对比值，网络分析仪要完成该项测试，需分别得到被测件输入激励信号和测试端口反射信号。

    网络分析仪内部信号源负责产生满足测试频率和功率要求的激励信号，信号源输出通过功分器均分为两路信号，一路直接进入R接收机，另一路通过开关输入到被测件相应测试口，所以，R接收机测试得到被测输入信号信息。

    激励信号输入到被测件后会发射反射，被测件端口反射信号与输入激励信号在相同物理路径上传播，定向耦合器负责把同个物理路径上相反方向传播的信号进行分离，提取反射信号信息，进入A接收机。

    A/R为被测试件端口反射特性。

当需要测试另外端口反射特性时，需网络分析仪内部开关将激励信号转换到相应测试端口。

图3  网络分析仪反射测试信号流程

信号源

    信号源提供被测件激励信号，由于网络分析仪要测试被测件传输/反射特性与工作频率和功率的关系。

所以，网络分析仪内信号源需具备频率扫描和功率扫描功能。

    为保证测试的频率精度，现在网络分析仪内信号源采用频率合成方法实现。

当扫宽设置为零时，输出信号为点频CW信号。

网络分析控制其输出功率依靠ALC和衰减器两个部分完成。

ALC保证输入信号功率的稳定和功率扫描控制，由于ALC控制范围有限，需衰减器完成大范围功率调.

图4  网络分析仪中的信号源

信号分离装置

    网络分析仪内部功分器和定向耦合器分别完成对被测件输入信号和反射信号的提取。

其中当要测试被测件某个端口反射特性时，必须将定向耦合器直接连接在该测试端口上。

    这两部分统称为信号分离装置，这部分硬件也通常被测试为“测试座”，在一些特殊测试场合（大功率测试等）可不使用网络分析仪表一体化的内置测试座，而使用外置测试座设备。

图5  网络分析仪中的信号分离装置

    电桥用于反射性能测试，电桥可覆盖很宽频率范围，电桥的主要缺点是对传输信号有较大损耗。

因此对于给定的信号源功率。

结果导致输入到被测件的功率损失。

    定向耦合器负责分离反射测试中的激励信号和反射信号，这个功能也可由电桥完成，与定向耦合器相比，电桥可覆盖更宽的频率范围，但其对测试的传输信号有较大损耗。

    定向耦合器是三端口器件；其三个端口为；输入端，输出端和耦合端。

    在反射测试中之所以需要定向耦合器，是利用定向耦合的定向传输特性。

当把信号由定向耦合器输入端接入时，耦合端有耦合输出，此时称为正向传输，定向耦合器相当于不均分功率分配器。

    在正向传输中，耦合器耦合输出与输入功率比值比定义为耦合度。

图6  定向耦合器正向传输特性

    对于理想定向耦合器，当信号由耦合器输出端接入反向工作时，耦合端没有输出。

这是因为输入功率被耦合器内部的负载和主臂终端外接负载所吸收，这就是定向耦合器的单向传输性。

    实际定向耦合器反向工作时，耦合端会有泄露输出，反向工作时耦合端输出与输入信号功率比定义为定向耦合器隔离度。

图7  定向耦合器反向传输特性

    对定向耦合器测试的重要指标为其方向性（Directivity），方向性为定向耦合器反向工作隔离度与正向工作耦合度差值。

方向性指标反映耦合器分分离正反两个方向信号的能力。

可以被视为反射测试的动态范围。

    测量定向耦合器有一种简易方法，不需要正向和反向连接测试。

当定向耦合器内部负载损耗功率相当小时，该方法得到的结果与真实值相近。

    首先，在主臂输出端接一个短路负载，由于全反射，耦合端输出反映耦合度，对该值进行规一化处理后端接匹配负载。

此时耦合端只是有限隔离度引起的泄露信号。

因为已经进行了规一化处理，最后读值就是耦合器方向性。

    反射测试中，定向耦合器对于被测件反射信号而言是正向连接，定向耦合器耦合端输出反映反射信号信息。

    网络分析仪测试反射特性时，由于定向耦合器有限的方向性影响，耦合器耦合端会包含泄露的输入激励信号，该信号会与反射信号进行矢量叠加，造成反射指标测试误差。

    被测件匹配性能越好，定向耦合器方向性对测试影响越大。

网络分析仪中的接收机

    由功分器，定向耦合器及输出端得到的信号输入到相应接收机进行处理，为对这些信号进行分析，网络分析仪内置多台接收机。

    网络分析仪是一个包含激励源和接收设备的闭环测试系统。

图8  网络分析仪接收机

    网络分析仪中检测信号主要有两种基本方法。

    方法1：

二极管检波，二极管检波提取射频信号输入包络电平，输出电压反映输入信号功率。

如果输入信号为连续CW信号，为DC检波，如果输入为幅度调制信号，为AC检波。

二极管检波只反映信号幅度信息，丢失了射频载波信号的相位信息。

    方法2：

调谐接收机。

调谐接收机将输入信号进行下变频后通过ADC变为数字量后处理。

这样可以得到信号的相位和幅度信号。

    如果您使用过功率计，就会了解检波器测量信号的特点。

首先检波器是宽带功率测试，既如果检波器工作频率范围是10M至18G，其功率显示结果应为该频率范围内存在的所有信号功率和，而没有选频测试功能。

由于这个原因，使用检波器的标量网络分析仪会对被测件输出端的失真及杂波信号没有区分能力，而会造成错误测试结果。

    但标量网络分析仪对变频和非变频的被测件使用相同的方法进行测试。

    检波器能检测的功率范围是有限的，例如为；-50dBm~10dBm，这会限制标量网络分析仪测试的动态范围。

    调谐接收机由于中频信号要通过带通滤波处理，由于检波器带宽测试模式，这种无选频测试会造成大测试噪声带宽（20G），而调谐接收机的中频带宽可小至1KHz，这样可保证接收机有很好的测试灵敏度，而且对被测件输出信号中杂波失真成分有很好抑制作用。

    调谐接收机灵敏度度与其设置中频滤波器带宽有直接关系，中频带宽越窄，进入接收机噪声能量越少，灵敏度相应提高，但输出信号响应时间会变长，网络分析仪测试速度会下降。

    窄带接收机网络分析仪中频滤波器带宽为测试基本设置参数之一，其设值是在测试精度和速度间折衷。

图9调谐接收机及其特点

    这是同一个被测件分别利用检波器和调谐接收机测试结果的对比。

例子中，被测件为一滤波器，当对滤波器带外抑制性能进行测试时，此时，网络分析仪输出的激励信号受到滤波器的抑制作用变为小信号，

                滤波器输出=输入信号功率0dBm-波波器带外抑制度100dB=-100dBm。

    如果检波器灵敏度为-60dBm，  不能检测到-100dBm实际信号，测试结果不能真实反映测件指标。

    与检波器相比，调谐接收机有很小检测带宽，从而检测灵敏度高，可真实得到被测试件指标。

    采用调谐接机的矢量网络分析仪，可通过增加输出功率，减小中频带宽或利用平均功能（Avg） 来扩展测量动态范围。

图10网络分析表动态范围对测试结果的影响

    安捷伦PNA系列网络分析仪都是采用调谐接收机的高性能矢量网络分析仪。

其接收机测试灵敏度度较高，可满足各种被测件测试动态范围要求。

    调谐接收机可使用混频器和采样器两种方式实现器前端变频功能。

    采样器（Sampler）是利用二级管对输入射频信号按脉冲进行抽取处理，采样器可以认为是内部有脉冲发生器的混频器，脉冲发生器产生由本振谐波组成的宽带频谱（梳状谱），输入射频信号与梳状谱线之一信号进行混频产生中频输出。

    采样器变频电路要求的本振信号只需覆盖较窄的频率范围，其缺点为为锁定不同的梳状谱线需进行复杂的锁相处理，而且与混频电路相比，其所有梳装谱线的噪声都会变换到中频信号中，灵敏度要差一些。

    网络分析仪是综合激励和接收的闭环测试系统，采用窄带调谐接收机的矢量网络分析仪工作时，信号源产生激励信号，接收机应在相同频率对被测件响应信号进行处理，激励源和接收机工作频率的变化应该是同步变化的。

网络分析仪是依靠锁相方法来完成该功能。

R通道接收机中频信号会与固定参考信号进行鉴相，鉴相误差输出用于压控改变激励源输出频率，这样当接收机本振频率扫描变化时，锁相环会控制激励源保持频率同步变化。

当R通道接收机工作不正常时，网络分析仪会出现失锁现象。

3.1反射参数测试误差分析

    网络分析仪校准可消除测试中的系统误差。

    分析一下反射测试过程中网络分析仪存在的系统误差。

    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电缆等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”，也被称为“跟踪误差”。

    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。

当被测件端口匹配性能好时，方向性误差对测试影响较大。

    反射指标测试过程中，反射信号通过传输路径返回仪端口，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，最终在传输路径中的信号的多次入射，相应又形成多次反射，这项误差称为源失配误差。

被测件匹配性能越差，该项误差对测试的影响越明显。

    同样，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。

如果被测件反向传输隔离性能较差，负载失配误差的影响较大。

在网络分析仪内部R;A;B接收机因分别反映测试的输入，反射及传输信号，但这些接收机之间会存在信号串扰，对于高隔离被测件（开关;隔离器;大范围衰减器），该项误差影响明显。

    上例中，正向测试存在共6项误差，反向测试存在对称的6项测试误差，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被称为12项误差校准

图25  反射参数测量误差分析

3.2隔离误差

    串扰误差（隔离误差）是由于仪表内部各测试接收通道间信号互相干扰引起。

    隔离校准是在小测试功率环境下完成，常在接近系统的本底噪声情况下进行，由于这个原因，一般情况下可跳过隔离校准过程，而不会对测试精度造成影响。

    确定进行隔离校准，如果串扰与被测件匹配无关，隔离校准过程中可使用两个匹配负载，并启动扫迹线平均功能。

如果串扰与被测件匹配有关，校准中应接入被测件完成。

图26  隔离误差

3.3单端口器件的测试误差模型

    网络分析仪校准的目的是消除测试的系统误差。

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。

    下图为网络分析仪反射测试时系统误差的数学模型，S11M网络分析仪的实际测试值，其中包含各项测试误差，具体测试误差有；ED;ERT;ES等，仪表校准目的是通过计算消除这些误差项的影响，得到S11A。

为得到ED;ERT;ES，通过测试标准件完成，由于要确定三项误差，所以单端口校准要测试三个标准件。

联立方程组得解。

图27 单端口误差模型

3.4校准的基本分类和概念

    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的不同，网络分析仪校准主要分为频响校准和矢量校准。

，消除误差项目的个数与测试的标准件数目相同。

    频响校准只测试一个标准件，校准过程较简单。

但只可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影响。

    矢量校准要求网络分析仪具有幅度和相位测试能力。

它要求测试多个标准件，从而可消除更多误差项。

    校准网络分析仪误差的过程：

              测量参数已知的标准件，得到误差项；将测试结果中误差项成份消除。

    反射测试：

      存在三项误差：

方向性，源失配，反射通道频率响。

                频响校准（推荐标准件；short）消除频响误差；

                1-port单端校准消除3项误差。

    反射传输测试：

       存在12项误差。

    频响校准（校准件：

through）消除频响误差；

    full2port双端口校准消除12项误差；

    EnhanceCal=S11oneport+throughCAL；

    calkit：

定义校准件数据definitionfile；

    用户可定义校准件；校准件定义必须和实际校准件相符。

    矢量误差校准是通过已知标准件的测试来得到仪表误差项的过程。

    仪表有两个连接端口，每个端口都存在误差。

单端口校准（OnePortCAL）可消除校准端口的所有系统误差（方向性误差；源失配误差；反射跟踪误差）。

    当网络分析仪用于被测试件全部传输/反射性能测试时，仪表需对所有端口和传输连接线进行校准，双端口校准（TwoPortCAL）能消除12项系统误差。

双端口校准过程中需要使用四种校准件，进行7次连接测试。

3.5开路校准的问题

    校准过程中会使用开路校准件（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。

电容值与物理尺寸和工作频率有关。

图28开路校准的问题

    匹配负载校准主要是得到仪表方向性误差。

    对于PNA系列网络分析仪，当测试频率很高时，微波频段匹配负载阻抗值会发生变化，这会造成校准的误差。

当测试精度要求高时，需要使用滑动负载进行校准，滑动负载校准件相当于相位变化的固定负载，通过多个测试位置（至少3个）的测试可消除非理想负载对校准的影响。

4校准的过程

    标准件真实值数据被定义在calkit数据文件中，该文件储存在仪表内部，为进行正确校准过程，校准件选择必须与实际使用校准件相符。

    校准过程中仪表会提示连接相应校准件，当将校准件连接接到相应端口后，按下仪表菜单中对应按键，注意测试极性（Male/Female）的选择应依据测试端面来定义，而不是依据校准来定义。

仪表然后进行测量和计算。

校准结束后，需将计算得到的误差数据进行存储，以便下次测试调用。

仪表在变化的工作条件下（改变工作温度，外围连接电缆等），测试误差会发生改变，需要重新进行校准。

    仪表进行校准的接口端面在校准完成后称为校准面，在该端面上传输特性应为：

                       端口阻抗特性阻抗；增益=0dB；Phase=0degree。

    当被测件可以和校准面直接连接时，测试精度为最高。

    网络分析仪在校准时设置测试状态应该和被测件实际测试状态相同。

这些测试状态包含：

频率范围；功率；测试点数；接收机带宽；扫描时间等。

    在校准后改变测试参数设置，将会使测试精度降低或校准关闭。

4.1双端口校准的数学模型

    双端口校准是网络分析仪最精确的误差校准方法，因为双端口校准可消除仪表全部的系系统误差。

下图所示为二端口器件测试中误差的模型。

可以看到由于二端口器件存在正反传输特性，所以器件某端口的匹配情况会对另外端口的测试造成影响。

    所以当双端口校准后，仪表只测试某项指标（S11）时也要进行正反两个方向扫描，得到所有S参数。

图29  双端口校准的数学模型

    双端口校准是网络分析仪最精确的误差校准方法，校准过程中需要至少7次连接校准件，通常测试中，隔离校准可以忽略。

    基于二端口校准的误差模型，二端口校准后，某一项S参数结果的测试都需要网络分仪表进行正，反双向测试，利用另外三个S参数对测试结果进行误差消除运算。

    这是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，测试扫迹能更正确反映被测件性能。

    双端口校准消除误差项最多，校准后仪表测试精度最高。

4.2不同校准方法比较和电子校准件

    测试过程中根据测试参数和测试精度要求选择相应校准方式。

图30  不同校准方法比较

    安捷伦提供各个频率段电子校准件，电子校准件依靠PIN开关设置不同阻抗状态，其校准精度与机械校准相同或更好。

    电子校准不需要多次的校准件连接，可提高校准过程的效率和连接重复性。

    安捷伦网络分析仪都可支持电子校准件功能。

将双端口校准的时间由机械校准的3分钟缩小为1分钟。

    通过PIN二极管将阻抗控制在不同状态：

                13个反射状态，不同高低反射性能；

                2个直通状态；

                1个隔离状态；

                校准速度快，重复性好；

                通过TRL-校准后网络仪进行测试。

                校准精度介于2-PORT校准和TRL校准之间

4.3对非插入器件测试的校准

    测试中，往往需要利用适配器将仪表和被测件进行连接，该适配器可能会对测试结果有很大影响。

如上图所示，适配器引起的反射信号会与被测件的真实反射信号进行矢量叠加。

    例子中，如果适配器的驻波比较差（SWR=1。

5），则耦合器的有效方向性将下降到14dB，此时，网络分析仪表反射测试的动态范围就只有14dB。

    如上所述，在测试过程中，使用高性能的适配器是非常必要的，虽然校准可以降低适配器对测试的影响，但在高性能被测件测试中该影响仍然较明显。

    下面介绍在接入适配器后网络分析仪的校准方法。

    仪表通过校准后，其标准校准面为相同接头形式并且极性相反的接口，被测件如果可以直接和这样接口进行连接，被测件的端口也一定是相同接头形式并极性相反接口，此时被测件称为可插入器件。

    工程中，被测往往不能满足该要求，例如被测件端口1为SMA形式，端口2为N形接头。

这样的被测件称为非插入器件。

非插入器件要想和仪表校准面连接必须通过适配器（转接头），而这些适配器并没有通过校准过程，会导致测试误差，既最终测试结果是被测件和转接头性能的叠加结果。

     对非插入器件，要想通过精确校准测到其真实值，可使用几种方校准法，每种方法的复杂程度和校准精度不同。

4.4等效适配器互换法校准

    等效适配器互换法校准特别适合于具有两个相同形式而极性相同端口的被测件（如；1，2端口都为SMA阴性接头）。

此方法需要使用性能相同，而阴阳极性不同的两个适配器。

    等效适配器互换法校准第一步是在校准过程中利用能进行直通（Through）校准的适配器A来完成传输校准。

但该适配器并不能与测试直接连接。

在反射校准过程中，将适配器A换为适配器B，这一交换改变了一个测试端口的接口极性。

    校准完成后的测试过程中，使用能和被测件直接连接的适配器B，适配器B可以直接和被测件连接。

    如果适配器A和适配器B的电气性能完全相同，可以认为适配器A和适配器B只是外形不同的同一个适配器。

    这种校准方法的剩余误差为两个适配器之间的性能差异。

校准过程较简单，但不能适用于复杂非插入器件校准

图32  等效适配器互换法校准

4.5转接头移去校准

    适配器移去校准是针对非插入器件测试的精度较高的校准方法。

这种方法适用于Agilent8753/8720/8510 系列网络分析仪。

    适配器移去校准需要使用一个具有和被测件相同接口方式的适配器，这个适配器叫做校准适配器。

适配器的电长度必须小于测试频率的四分之一范围内。

Agilent提供的N，3。

5mm和2。

4mm校准件可用于该目的，对于其它适配器，用户可以直接输入其电长度。

    适配器移去校准需要进行两次双端口校准。

第一次校准中，将直通适配器放在测试端口2，校准结果存入校准数据组中。

    第二次校准，将适配器连接到测试端口1上，校准数据用不同文件名也存在校准数据组中。

在这个过程中，可以使用两种不同的校准件。

以适应具有不同端口类型被测件的要求（端口1为N，端口2为SMA）。

    两次双端口校准完成后，在仪表适配器移去校准功能键下，根据提示将两次校准文件名输入仪表，仪表通过计算可消除测量适配器对测试影响。

4.6TRL校准

    对于非同轴被测件进行测试，如；波导和晶片等，TRL校准是经常采用的校准方法，TRL代表“Through；直通;Reflect；反射;Line；传输线。

采用TRL校准的原因是因为在非同轴和高频率条件下，要实现理想的匹配负载非常困难。

    真正完整的TRL校准为确定10项未知误差，需使用4接收机网络分析仪，其中2台接收机用于反射信号测试，另两台接收机完成对传输信号的测试。

TRL校准需进行14次测试。

    其它术语如；LRL，LRM，TRM等只是采用其他校准件的同一种基本校准方法。

    目前，许多无源和有源RF器件都采用表面安装形式（SMT），首先对这些器件的测试，需要使用相应测试夹具。

又由于技术，功率承载和工作环境或设计标准的不同，这些元件的物理尺寸变化很大，相应各种夹具的尺寸和性能变化也很大。

    对夹具测试需要考虑两个因素：

    1.夹具设计

    夹具应具有良好稳定的机械性能。

这些夹具往往会使用在生产线测试中，夹具需能让被测件快速的插入;对齐和夹紧。

对于RF工作频段夹具，需考虑阻抗匹配因素，这要求精确设计夹具中传输线尺寸和空间屏蔽。

    2．夹具校准

    对夹具的校准最好采用夹具上校准，安捷伦网络分析仪支持用户定义校准件功能。

定义的校准件要求用户能对校准的物理特性进行表征，并将参数输入到仪表内部，并作为常用的由用户定义的校准工具。

    虽然用来描述校准标准件的参数很多，对于大多数应用来说，只要少数几个参数需要修改。

对于正确设计的PCB夹具而言，只有开路标准的边缘电容和短路的延迟参数需要表征。

参考文献

[1][美]库姆斯，主编.张伦，等，译.电子仪器手册[M].北京：

科学出版社，2006.

[2][美]罗伯特.A.威特