網絡分析儀工作原理及使用要點

1、網絡分析儀工作原理及使用要點本文簡要介紹41所生產的AV362O矢量網絡分析的測量基本工作原理以及正確使用矢量網絡分析測量電纜傳輸及反射性能的注意事項。1. DUT對射頻信號的響應矢量網絡分析儀信號源產生一測試信號，當測試信號通過待測件時，一部分信號被反射，另一部分則被傳輸。圖說明了測試信號通過被測器件（DUT）后的響應。圖DUT 對信號的響應2. 整機原理：矢量網絡分析儀用于測量器件和網絡的反射特性和傳輸特性，主要包括合成信號源、S參數測試裝置、幅相接收機和顯示部分。合成信號源產生30k6GHz的信號，此信號與幅相接收機中心頻率實現同步掃描；S參數測試裝置用于分離被測件的入射信號R、反射信號

2、A和傳輸信號B；幅相接收機將射頻信號轉換成頻率固定的中頻信號，為了真實測量出被測網絡的幅度特性、相位特性，要求在頻率變換過程中，被測信號幅度信息和相位信息都不能丟失，因此必須采用系統鎖相技術；顯示部分將測量結果以各種形式顯示出來。其原理框圖如圖所示：圖矢量網絡分析儀整機原理框圖矢量網絡分析內置合成信號源產生30k6GHz的信號，經過S參數測試裝置分成兩路，一路作為參考信號R，另一路作為激勵信號，激勵信號經過被測件后產生反射信號A和傳輸信號B，由S參數測試裝置進行分離，R、A、B三路射頻信號在幅相接收機中進行下變頻，產生4kHz的中頻信號，由于采用系統鎖相技術，合成掃頻信號源和幅相接收機同在一個

3、鎖相環(huán)路中，共用同一時基，因此被測網絡的幅度信息和相位信息包含在4kHz的中頻信號中，此中頻信號經過A/D模擬數字變換器轉換為數字信號，嵌入式計算機和數字信號處理器（DSP）從數字信號中提取被測網絡的幅度信息和相位信息，通過比值運算求出被測網絡的S參數，最后把測試結果以圖形或數據的形式顯示在液晶屏幕上。 合成信號源：由36GHz YIG振蕩器、3.8GHz介質振蕩器、源模塊組件、時鐘參考和小數環(huán)組成。 測試裝置：由定向耦合器和開關構成，用于分離反射信號和入射信號。 接收機：由取樣混頻器、中頻處理和數字信號處理等部分組成，用于信號的下變頻及中頻數字信號處理。 顯示：由圖形處理器、高亮度LCD 顯

4、示器、逆變器組成，用于字符和圖形的高亮度、高速顯示。3.優(yōu)化測量結果3.1 校準連接器件的精心選擇要獲得正確的測量結果，校準件（負載、開路、短路）、適配器（雙陽、雙陰、陰樣）、連接器及測量連接電纜等都必須保持其優(yōu)良的性能，即上述校準連接器件的反射要比被測樣品的反射小的多（即回波損耗大10dB，至少也得大6dB）。舉例來說：如果被測樣品的回波損耗要求大于20dB，則校準連接器件的回波損耗則要大于30dB，至少也要大于26dB，即反射至少小一倍。3.2如何精確測量較大電纜的衰減（損耗）具有較大長度（電延遲）的電纜，它們在測量時需注意一些特別的問題。長電纜的測量要選擇正確的掃描時間，否則會使測量結果

5、產生誤差。在較快的掃描速度下，矢量網絡分析的幅度響應會下降或看起來失真，表現為電纜比它實際的損耗大得多，只有在較慢的、合適的掃描速度下，測量結果才會正確。本節(jié)描述了導致這種情況的原因及如何精確測量較長電纜的衰減。當用矢量網絡分析測量長電纜時，由于矢量網絡分析掃描時頻率隨時間改變，因此，電纜的延遲在矢量網絡分析的輸入和輸出信號之間將導致頻率的漂移。頻率漂移F等于掃描速度和時間延遲的乘積：F=dF/dt×T 在矢量網絡分析接收機里，測試和輸入信號參考因為F而在頻率上不同。因為測試信號頻率與接收機頻率有不同，矢量網絡分析將在測量幅度和相位時出現誤差。矢量網絡分析掃描速度越快，F越大，測試通

6、道產生的誤差也越大。要減小這些誤差，必須減小頻率漂移F。F可通過下列方法減小： 降低掃描速度通過加大矢量網絡分析掃描時間，能降低掃描速度；對于相同的頻段，通過增加掃描點數，同樣可以降低掃描速度。減小時間延遲(T) 由于T是被測電纜自身特性，所以它不能像字面意義上那樣被減小?？墒牵鼙粶p小的是R通道和B通道之間時間延遲之差。這些時間可以通過加一條長電纜給R通道來補償，此電纜與待測電纜有著差不多相同的延遲。電纜的這個長度能被插入R通道輸入和輸出連接器之間，連接器位于矢量網絡分析的前面板上。這條電纜延遲必須小于5 微秒。除了減少頻率漂移提高測量精度外，減小系統的中頻帶寬（IF BW）可以減小系統躁聲

7、，從而達到提高測量精度和動態(tài)范圍的目的。3.3如何精確測量較大電纜的回波損耗（駐波）當測量大長度（如大于100米）電纜的回波損耗時，由于沿電纜長度方向上的反射隨機地疊加（矢量疊加），回波損耗曲線表現為有很多尖銳的反射峰，反射峰的寬度很窄，如果測量取樣點數不夠多，反射峰被遺漏的概率很大，造成結果偏好的假象。增加測量點數可將回波損耗的峰值真正捕捉到，從而達到提高測量長電纜回波損耗（駐波）精度的目的。設測量某一電纜的頻率范圍為5MHz3000MHz，回波損耗峰值寬度約為2MHz，當用201測量點數時，頻率間隔F15MHz，很容易將最大回波損耗的峰遺漏掉，而當用1601測量點數時，頻率間隔F1.87M

8、Hz，回波損耗最小峰值就被捕捉到了。3.4 測量中應注意的事項a) 電纜連接器、阻抗轉換器、駐波電橋和匹配負載等器件應嚴格區(qū)分75和50兩種特性阻抗、因其外徑及連接螺紋相同，容易混淆。應避免將75陽頭與50陰頭連接， 這樣會造成電路不連續(xù)無法測試；更應避免將50陽頭與75陰頭連接，因為這將徹底損壞75陰頭的插孔。b) 阻抗轉換器、匹配負載、駐波電橋及測量探頭均應小心輕放，妥善保管，防止從高處跌落而影響其性能及最終測量結果。c) 各器件連接時，應注意連接轉動時的方法，只允許轉動活動螺母保證插針與插孔作直線移動。否則插針和插孔會發(fā)生螺旋運動而加快磨損，以及很可能使內部插針插空松動而無法正常使用。d

9、) 電纜連接頭裝好后，應仔細檢查插針是否位于正中，必要時應設法校正，使其對中，避免損壞待連接的連接器插孔。4.時域測量簡介矢量網絡分析能測量被測件的時域響應，被測件的時域反射或傳輸響應，顯示是接近實時的。時域分析對于測量電纜結構（阻抗）的均勻性非常有用。矢量網絡分析先測量頻率響應，然后通過內部計算機利用傅立葉反變換把頻域信息轉換成時域信息，X 軸為時間軸。矢量網絡分析儀利用傅立葉變換技術對測量數據進行數學處理，可將頻域數據和時域數據進行相互轉換。4.1矢量網絡分析有三種“頻率時間”轉換模式： 時域帶通模式(BAND PASS) 時域低通階躍模式(LOW PASS，step response)

10、時域低通脈沖模式(LOW PASS, pules response)4.1.1時域帶通模式激勵一個輸入脈沖的時域響應來測量帶限設備，雖然這種時域響應模式用起來很簡單，但比低通模式的分辨率低。當在低頻段使用門限時還可能會導致幅度測量誤差。對于被測件不是帶限的，建議使用低通模式測量。這種模式之所以稱為帶通是因為該模式應用于頻帶受限的設備。傳統的TDR要求待測件能夠適應低端直到直流的頻率，而用帶通模式在測量頻率范圍上就沒有限制。帶通模式描述了待測件的脈沖響應。在帶通反射測量中，水平軸代表一個脈沖從一個測試端口發(fā)射到中斷點并返回的時間。垂直軸的顯示值取決于所選的格式。常用的格式如下表所列。默認的格式是

11、對數格式，它用dB單位顯示回波損耗值。線性格式是一種反射系數的響應格式。這可看作是中斷點在測量全頻段上的反射系數的平均值。實數格式只用在低通模式下。表格式參 數線性實數對數SWR反射系數（無單位）( 0l ) 反射系數（無單位）（-11 ) 回波損耗（dB) 駐波比（無單位）4.1.2 時域低通模式時域低通階躍模式在時域上施加一個階躍激勵信號。作為一種傳統時域反射測量，可以測定空間不連續(xù)距離及間斷點類型（電阻性、電容性、電感性）。時域低通脈沖模式在時域上施加一個脈沖激勵信號（如帶通模式）。在頻寬一定時，低通模式比帶通模式能更好的進行時域處理，另外，使用低通模式還可測定間斷點類型。 時域低通階躍

12、模式和時域低通脈沖模式兩種時域低通模式被用來模擬傳統時域反射計測量，提供的信息可斷定當前的中斷的類型（電阻，電容，電感）。低通模式提供了在頻域上一定帶寬下的最好的分辨率，它還可用來給出待測件的階躍或脈沖響應。低通模式的通用性比帶通模式差，因為它在測量頻率范圍上有一些嚴格限制。低通模式要求頻域數據在從直流到截止頻率內是協調的，即：截止頻率n×起始頻率，其中n是測量點數。例如，起始頻率為30kHz，測量點數為101個，則截止頻率為3.03MHz。既然矢量網絡分析頻率范圍從30 kHz開始，則直流頻率響應就可從較低的頻率數值上外推。低通測量水平軸是雙向傳輸時間的間斷點（與帶通模式一樣）。光

13、標顯示雙向時間和沿著軌跡的電長度。測定實際的物理長度，輸入適當的速度因子。垂直軸的顯示依賴于所選的格式。低通模式下，頻域的數據按相關的頻率提取，并外推至直流。因為在傅立葉反變換中結果只有實數部分（虛部為零），該應用下的最有用的低通階躍格式是實數格式，該模式類似于傳統的TDR響應，即它顯示了實數格式的反射信號（電壓），水平軸為時間（長度）。 實數格式也能在用在低通脈沖模式中，但如果要觀察在最好的動態(tài)范圍下觀察大的和小的中斷，請使用對數格式。低通模式可模擬被測件的TDR響應，而這個響應包含斷定中斷類型的有用信息。下圖3舉例說明了已知中斷類型的低通響應。所模擬的每個電路部分都表示了相應的低通時域模式下S11的響應波形。理論上，低通脈沖是由階躍激勵的導數。圖3 低通時域模式下S11的響應波形4.2時域測量的長度（電長度）范圍在時域，范圍定義為在沒有突發(fā)副響應的測量中時間的長度。因為頻域數據是在離散的頻率點而不是頻率帶寬的連續(xù)點取得的，所以一個時域響應重復一個規(guī)則的時間間隔。 范圍1/F(測量點數-1)/頻寬(Hz) F是兩個相近頻域數據點的間隔。 【例】：測量點數201點、頻寬1MHz到2.00lGHz、頻率間隔(F)10MHz，則： 范圍1/F或(測量點數-1)/頻寬 1/(10×106)或(201-1)/(2×109)