矢量网络分析仪基础.ppt

1、矢量网络分析仪基础,2,S参数网络 传输线理论 线形和非线性 网络分析仪的内部结构 校准 时域,内容,3,S 参数网络,引言 2端口S参数网络简介 反射和传输,4,S 参数网络：引言,网络分析 网络不是计算机网络，指的是电子器件拓扑网络 矢量不是数字调制中的矢量(I/Q)，是指信号具有幅度和相位 矢量网络分析仪多半是用来进行器件测量,5,传输能量,入射能量,传输,增益 / 损耗,S-参数,S21, S12,群延迟,传输,系数,插入,相位,反射,SWR,S-参数,S11, S22,反射,系数t,阻抗 感抗,R+jX, G+jB,回波,损耗,G, r,T,t,入射能量,反射能量,传输能量,R,B,

2、A,B,R,=,S 参数网络：二端口网络,DUT,6,S 参数网络：二端口网络S参数,b1 =S11 x a1 + S12 x a2,b2 =S22 x a2 + S21 x a1,7,S 参数网络：二端口网络S参数传输,增益 (dB 或 V) 插入损耗 (dB 或 V) 插入相位 (度) 实部和虚部(R+jI) 电长度 (m) 电延迟 (s) 线性相位的偏移 (度) 群延迟 (s),8,S 参数网络：二端口网络S参数 反射,回波损耗 (dB) SWR 阻抗 (R + j X) 反射系数 距离(时域）(傅里叶变换),9,S参数网络 传输线理论 线形和非线性 网络分析仪的内部结构 校准 时域,内

3、容,10,传输线理论：传输线类型,电缆 同轴电缆 双绞线 微带线 微带 共面 波导,11,传输线理论：传输线,理想的传输线(终端连接 Zo),传输线终端连接负载，无反射信号，相当于无限长的传输线。,Vinc,Vref = 0! (所有入射功率都被负载吸收),Zo = 传输线的特性阻抗,ZL = Zo,Zs = Zo,12,传输线理论：驻波比,VSWR,来自激励源的电压 = Vi,低频,反射信号电压 = Vr,中频,高频,阻抗 不匹配, 不是 50 Ohms,最大电压值和最小电压值之比 VSWR = Emax/Emin = (1 + r)/(1 - r) 反射系数： G= Vr / Vi; r

4、= 1G1,反射系数和阻抗的计算 G = (ZL-Zo) / (ZL + Zo),13,传输线理论：回波损耗,回波损耗,来自信号源的功率 = Pi,反射正比于阻抗匹配,阻抗 不匹配, 不是 50 Ohms,回波损耗 RL = - 20Lg（ r ）反射系数按电压表示： G = Vr / Vi r = 1G1,Pi,Pr,14,传输线理论：反射参数,15, ,史密斯圆图 为阻抗平面图画在 极坐标圆图上,.,.2,.4,.6,.8,1.0,极坐标圆图,Z = Zo,L,=,0,G,常熟 X,常熟 R,史密斯圆图,传输线理论：史密斯圆图,16,S参数网络 传输线理论 线形和非线性 网络分析仪的内部结

5、构 校准 时域,内容,17,线性表现： 输入和输出信号相同 输出频率只在幅度和相位变化,频率,DUT,输入,输出,非线性表现： 输出信号发生畸变 输出信号有附加信号,线性和非线性,18,幅度不变 在指定的带宽内,幅度,相位,频率,频率,相位不变 在指定的带宽内,线性和非线性：线性网络 无失真传输,19,线性和非线性：电子延迟,使用电子延迟 (参考面延长)去除线性相位延迟 示例：信号经过滤波器后的相位变化,加入电子延迟长度,=,+,频率,频率,相位响应,相位偏移,频率,20,线性和非线性：群延迟,群延迟波动表示相位失真 平均延迟是电子延迟 跨度对测量的影响非常重要 跨度越窄，分辨率越小，但曲线噪

6、声越大 跨度越宽，分辨率越差，但曲线噪声很小,频率,群延迟波动,t,o,相位,P,DP,频率,DF 跨度,F,21,线性和非线性：为什么测量群延迟？,相位波动相同但群延迟不同,22,线性和非线性：有无失真 网络是否线性的标准,饱和、临界、交调、以及其他非线性效应引起的信号失真 对系统的影响取绝于系统结构和失真类型和总量,23,线性和非线性：非线性描述,常见的VNA非线性测量： 增益压缩点 AM/PM 谐波 交调产物和截点,24,线性和非线性：非线性描述什么是增益压缩?,放大器的增益为有限的 在某些点，放大器成为非线性 通常P1 dB作为放大器的增益压缩点,25,线性和非线性： 1dB 压缩点测

7、试方法,频率扫描增益压缩测量 功率扫描增益压缩测量 单频率点 多频率点 增益压缩测量精度讨论： 功率测量是绝对测量，不是相对测量 没有进行矢量校准 源和负载匹配误差没有校准 结论：必须用功率计校准VNA,26,线性和非线性： AM/PM 测量,AM/PM 测量 功率扫描测量下的一种测量 反映的是幅度调制产生的相位调制或频率变化的相位偏移,27,线性和非线性：多频率点功率扫描压缩测量,功率扫描测量 自动测试 多达10个 CW 频率点功率扫描增益压缩测量 可和功率计测量同样精确,28,线性和非线性：什么是交调失真 IMD?,两个频率相差不大的信号进入系统产生的一种非线性失真 多见于有源器件 无源器

8、件也有，但电平很低 交调产物 三阶、五阶、七阶、九阶 交调失真讨论 失真产物信号有可能干扰其它有用信号 失真产物信号造成系统的能源损耗,29,线性和非线性：什么是三阶截点 TOI,截点是推算假定放大器无压缩和交调失真产物的交叉点 三阶截点计算 PTONE1 = PTONE2 PTONE1 + / 2 (2/2)PTONE1+(PTONE1 - PUPPER)/2 (3 * PTONE1 - PUPPER IMD) / 2 Upper Tone (3 * PTONE1 - PUPPER IMD) / 2 (3 * 0 dBm - - 42.120dB) / 2 +21.06 dBm Lower

9、Tone (3 * PTONE2 - PLOWER IMD) / 2 (3 * 0 dBm - - 41.927 dB) / 2 + 20.96 dBm,30,S参数网络 传输线理论 线形和非线性 网络分析仪的内部结构 校准 时域,内容,31,网络分析仪的内部结构：VNA的基本组成,三个主要部分: 系统信号源 测试座 信号测量器件 下变频处理将RF到 IF 网络分析仪 前面板，显示和存储器 分析IF的数字和模拟硬件 操作软件,32,网络分析仪的内部结构： VNA的工作原理,每个接收通道都通过线性频率变换保留了幅度和相位信息,33,网络分析仪的内部结构：VNA接收机技术,频率转换 幅度和相位测量

10、 灵敏度高 大动态范围（IF带宽、平均) 谐波抑制 低噪声,34,S参数网络 传输线理论 线形和非线性 网络分析仪的内部结构 校准 时域,内容,35,误差分析及其修正 校准方法 不定量计算,校准：内容,36,校准：随机误差,随时间变化不可预见因此不可校准 仪器内的噪声、开关重复性 测试电缆和接头的重复性 环境温度漂移变化 频率和相位的漂移变化,37,校准：系统误差,6个正向和 6个反向构成 12 项误差,38,校准：误差修正类型,归一化修正 频率响应 方法：曲线存储加运算（/） 优点：方便简单；缺点：误差大 矢量误差修正 可将全部或部分系统误差去除 方法：测量多个标准，解误差方程 优点：精确；

11、缺点：复杂 全部12项（ Full 12-Term）S11, S21, S12, S22 单向（1 Path, 2 Port）S21 或S11&S22,39,校准：单端口矢量误差校准,只有3个误差修正项：源失配、方向性、反射频响 分别测量3个标准，得到3个方程，解出3个误差修正项,40,校准：全双端口12项矢量误差校准,有全部12个误差修正项,41,校准：全双端口12项矢量误差校准,42,校准：误差和校准方法比较,无校准 频响校准 单端口校准 全双端口校准,无误差修正 误差太大 无实用价值,方便容易 对精度要求不高 去除的误差项 传输频响,仅用于反射测量 对双端口器件，需要有高精度的终端负载

12、去除的误差项： 方向性 源匹配 反射频响,最高精度 去除的误差项： 方向性 源、负载匹配 反射、传输频响 隔离度,DUT,DUT,DUT,DUT,单方向双端口校准,单端口和直通2种校准合并 注意：没有负载匹配误差修正,43,我们怎么知道这是一个好的校准?,对接测量? 最常用、简单易行 用已知器件检查，以确保校准良好 定期检查校准（计量）,44,校准：误差分析,测量误差示例 滤波器测量 反射测量不定量: -20 * log (.158 + .100 + .010) = 11.4 dB (-4.6dB) -20 * log (.158 - .100 - .010) = 26.4 dB (+10.4

13、 dB) 注意： 计算中需要转换所有dB值到线性值,负载匹配 18 dB (.126),.158,(.891)(.126)(.891) = .100,VNA,45,S参数网络 传输线理论 线形和非线性 网络分析仪的内部结构 校准 时域,内容,46,时域测量 时域门 时域分析应用讨论,时域：内容,47,时域：引言,域 时域： 幅度和时间的关系 - 示波器 x(t) =F-1Xf(f) = Xf(f) ej2 ft df（反傅立叶变换） 频域：幅度和频率的关系- 频谱分析仪、VNA Xf(f) =Fx(t) =x(t)e-j2 ft dt （傅立叶变换）,-,48,时域：引言,对频域数据进行傅立叶反变换： h(t) = - H(f).e j.2.ft df 对于矢量网络分析仪频率域的扫描测量，经过傅立叶反变换后可以得到时域上的脉冲信号 VNA 时域测量就是将频域通过付立叶反变换测量得到阻抗的不连续性 Sitemaster的DTF（Distant To Fault）功能也是VNA时域测量的一部分功能,49,时域：时域中的“门”功能,“门”实际上是时域测量中加滤波器 可以同时进行加“门”和“门外”时域测量 时域的加“门”和“门外”变换到频域测量,50,时域：时域中