射频矢量网络分析仪清华.pdf

1、射频电路测试原理第九讲射频矢量网络分析仪(VNA)射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期2参考文献?射频电路设计-理论与应用，王子宇译，电子工业出版社，2002年?现代网络频谱测量技术，吕洪国编，清华大学出版社，2000?Agilent仪器说明书 8753ES_RF矢量网络分析仪 Users Guide_08753-90472?.Understanding the Fundamental Principles_5965-7707E?.Characterize High-Power Components_5966-3319E?.Filter and Amplifier E

2、xamples_5965-7710E?.Measurements of Frequency-translating Devices_5966-3318E?.RF Component Measurements_Amplifier_5956-4361?.RF VNA_10 Hints_5965-8166E?.Data Sheet_5968-5160E射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期3内容9.1 射频矢量网络分析仪的基本结构9.2 射频矢量网络分析仪的工作原理9.3 误差模型与校准9.4 典型器件特性测量简介第三次实验 射频矢量网络分析仪的使用第九讲 射频矢量网络分析仪

3、小结射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期49.1 射频矢量网络分析仪的基本结构?8753ET集成化传输/反射测量传输/反射测量(正向测量)。?8753ES集成化S参数测量S参数测量(正向和反向测量)。射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期5基本结构1.电源开关2.显示屏幕3.软盘驱动器4.软盘退出键5.软功能键6.激励信号源功能键组7.响应功能键组8.显示通道选择键9.数字量等输入硬键10.仪器功能键组11.复位键12.探头电源连接器13.R通道连接器14.测试端口1和端口2射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期6基本结

4、构(续1)?滤波器测试连接（二端口测试二端口测试）。射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期7基本结构(续2)?对于功率分配器和定向耦合器，它们是三端口器件，所以有九个S参数，需要进行三端口测试三端口测试。?本机没有Opetion H39，不能进行三端口器件测试。射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期8现有选件：?1D5（High Stability Frequency Reference）?006（6 GHz Operation）?Opetion 010（时域功能-本机没有）?Opetion 014（前面板按用户的需要来设置信号的路径-本机没有）

5、射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期9网络分析仪与频谱分析仪的区别射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期109.2 射频矢量网络分析仪的工作原理?网络分析是在所关心的频率范围内，通过激励激励响应测试响应测试来建立线性网络线性网络的传输与阻抗特性传输与阻抗特性的数据模型的过程。?在频率较低时，网络的特性常用阻抗参数矩阵Z或导纳参数矩阵Y来描述其端口特性（还有H参数矩阵和ABCD参数矩阵）。?这些参数的定义是基于电压电流的概念，因而测量时需要在一定的端口条件下，如开路或短路，测出特定的电压或电流来确定各个参数。?但在微波频率下，这种测量方法不再适合

6、。因为在高频下，电压和电流很难测量。?在微波频段，因为采用了波的概念，所以微波网络常用S参数表示。双口网络都可以用4个S参数来表示其端口特性双口网络都可以用4个S参数来表示其端口特性。射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期11S参数?S参量表达的是功率波功率波，可以用入射功率波和反射功率波的方式来定义网络的输入、输出关系。?当在端口1加有入射波a1时，其中一部分由于该端口的失配而被反射，成为该端口出射波b1的一部分；a1的其余部分经网络传输到端口2，成为端口2的出射波b2的一部分。同样，若当在端口2也有入射波a2时，分析相同。?把端口1的两股出射波合在一起构成b1，把端

7、口2的两股出射波合在一起构成b2。射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期12网络的S参数?二端口网络的信号流图。?DUT：device under test。S参数的定义?按上图上图中入射波和反射波的方向，就可以定义S参量：+=+=22212122121111212221121121aSaSbaSaSbaaSSSSbb其中符号的意义为：111120abSa=是在端口是在端口2匹配情况下端口匹配情况下端口1的反射系数的反射系数122120abSa=是在端口2匹配情况下的正向传输系数是在端口2匹配情况下的正向传输系数222210abSa=是在端口是在端口1匹配情况下端口匹配

8、情况下端口2的反射系数的反射系数211210abSa=是在端口1匹配情况下的反向传输系数是在端口1匹配情况下的反向传输系数上述条件（）在两端传输线分别匹配时两端传输线分别匹配时才成立。0021=aa或射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期14反射与传输测量原理信号源功率分配器定向耦合器幅相接收机显示器伸长线信号源功率分配器定向耦合器幅相接收机显示器伸长线DUTSE1a1bRT?设信号源的出射波为ES，电阻式功率分配器的分配系数分别为c1和c2，投向DUT的入射波为a1，参考道通的信号为R。定向耦合器将负载反射波b1耦合到测试道通，信号为T，耦合系数为c3。于是可以写出：

9、LSLSScccEcbcRTbcTabEcaEcR=1231131311211,?反射参数测量系统反射参数测量系统：射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期15反射与传输测量原理(续1)?由上图上图可见，只要测出T/R的复数比值，便能得出DUT的反射系数，而系数c2c3/c1为常数，可通过校准而消除之。?幅相接收机对输入的两路射频信号R和T先进行混频，然后在中频下进行幅度比较和相位比较，结果在显示屏上示出。?该系统中使用的功率分配器和定向耦合器是两个重要的微波部件，前者的作用是把信号源的输出信号分成两路，分别作为参考信号和测试信号；后者的作用是把测试信号加于DUT的测试端

10、口，并取出反射信号。?在参考通道内接一段长度可变的传输线，其作用是补偿两个通道的传输路径差。在系统校准时，起相位补偿的作用。LSLSScccEcbcRTbcTabEcaEcR=1231131311211,反射与传输测量原理(续2)?传输参数测量系统传输参数测量系统：传输参数测量系统传输参数测量系统信号源功率分配器幅相接收机显示器信号源功率分配器幅相接收机显示器DUTSE1a2bRT?设信号源的出射波为ES，电阻式功率分配器的分配系数分别为c1和c2，投向DUT的入射波为a1，DUT的传输系数为S21。于是可以写出：21122121212211,SccRTTSEcaSbEcaEcRSSS=?只要

11、测出T/R的复数比值，便能得出DUT的传输系数，而系数c2/c1为常数，可通过校准而消除之。反射与传输测量原理(续3)?反射参数和传输参数测量系统反射参数和传输参数测量系统：信号源功率分配器端口信号源功率分配器端口1幅相接收机显示器伸长线幅相接收机显示器伸长线DUTSERT端口端口21K2K1122?在反射参数和传输参数测量系统中增加两个微波开关，即可测试四个S参数测试四个S参数。反射与传输测量原理(续4)K1和和K2的位置选测的的位置选测的S参数参数1 1 S111 2 S212 1 S122 2 S22?显然，采用上图所示的双向反射和传输参数测试系统时，在DUT连接好了以后，只要改变K1和

12、K2的位置，可以测出双口网络的全部4个S参数。?在实际的双向S参数测试系统中（例如8753ES），K1和K2一般是可以程控的，这样更便于在自动测试系统中使用。?上图上图中两个微波开关的位置与四个S参数之间对应关系如下：射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期19测试方框原理图返回一返回一返回二返回二返回三返回三返回四返回四返回五返回五返回六返回六射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期20反射参数和传输参数测量系统信号源功率分配器端口信号源功率分配器端口1幅相接收机显示器幅相接收机显示器DUTSERT端口端口21K2K1122伸长线伸长线?需要四部分

13、：信号源，信号分离装置，幅相接收机，显示器（含数据处理）。信号分离装置信号分离装置射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期21信号源?信号源提供对系统的激励。?信号源是频率扫描源或功率扫描源（幅度扫描）。?网络分析仪的信号源采用集成化频率综合器。射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期22信号分离装置?信号分离装置必须有两种功能：?第一个功能是测量入射信号的一部分作为求比值的参考，这可由功率分配器或定向耦合器完成；?第二个功能是在被测件（DUT）的输入端分离出入射波（正向）和反射波（反向），采用定向耦合器或电桥。?功率分配器通常是电阻性的，是无定向性

14、的器件，有很宽的频带。缺点是通常有6dB或更大一点的损耗。?定向耦合器要求：?具有很低的损耗（例如，一个20 dB的定向耦合器，耦合端的信号电平低于输入端信号电平20 dB，通过主臂的损耗只有0.046dB）；?好的隔离度（大约50 dB）；?好的定向性（大约30 dB），但很难工作到低频（很难做到宽带）。射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期23幅相接收机?幅相接收机是一台窄带-调谐接收机。它用一个本振源（LO）与射频（RF）混频得到较低的中频（IF）。?矢量网络分析仪（采用调谐接收机）采用窄带中频滤波器（3KHz中频带宽）产生相当低的噪声，结果是显著改善了灵敏度。?

15、中频滤波器后采用ADC和DSP，从中频信号中提取幅度和相位信息。射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期24数据处理和显示?矢量网络分析仪中所用硬件的最后一个主要方块是处理器/显示器部分。用于解释测量结果的方式，对反射和传输数据进行格式化。?大多数网络分析仪都具有相类似的特点，诸如：线性扫描和对数扫描、线性格式和对数格式、极座标图、Smith圆图等。?另一些共同的特点是：迹线标记、极限线和合格/不合格测试。射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期259.3 误差模型与校准?三种基本的误差来源：系统误差系统误差，随机误差和漂移误差。?系统误差系统误差是

16、由于分析仪和测量装置不理想引起的，它是重复出现的（因而是可预示的），并假设不随时间变化。系统误差在校准过程中可以消除它。?系统误差系统误差有三类共六种：?与信号泄漏有关的方向性误差D和隔离误差C；?与反射有关的源失配误差MS和负载失配误差ML；?由接收机内部的反射和传输跟踪引起的反射路径的频率响应误差TR和传输路径的频率响应误差TT。?随机误差是不可预示的，因此不能通过校准的方法消除它。主要有：仪器噪声（源的相位噪声、采样噪声、中频本底噪声等等），开关的重复性，连接器的重复性等。?漂移误差是在校准之后由于仪器或测量装置的特性变化引起的，主要起因是温度变化。射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期269.3.1 系统误差?系统误差系统误差有三类共六种：?方向性误差D和隔离误差C；?源失配误差MS和负载失配误差ML；?反射路径的频率响应误差TR和传输路径的频率响应误差TT。A信号源信号源频率响应误差频率响应误差?反射跟踪反射跟踪?传输跟踪源失配误差传输跟踪源失配误差DUTR方向性误差方向性误差隔离误差隔离误差负载失配误差负载失配误差B射频电路测试原理清华大学电子工程系