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矢量网络分析仪 更新时间:2011-05-23 14:24

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矢量网络分析仪是电子测量领域内的重要仪器,可以分析各种微波器件和组件。它具有频域和时域两类测试功能,可以很好地完成诸如滤波器、放大器、混频器以及系统中有源和无源微波组合等的各种参数的调试、测试。

矢量网络分析仪技术指标

  • ●扫频信号源:

    ◆频率范围:50KHz~300MHz

    ◆频率显示分辨率:1Hz

    ◆电平输出控制范围:大于58dB

    ◆系统阻抗: 50Ω

    ●接收机输入指标:

    ◆动态范围:60dB

    ◆检波器最大不损坏电平:+20dBm

    ◆相位测量:±180?

    ●测量功能:

    ◆测量通道:2通道,(2轨迹)相位幅度同时显示

    ◆测量参数:传输特性、驻波系数、回波损耗。

    ◆传输测量不确定度≤0.5dB

    ◆反射电桥方向性40dB;插损≤7dB;输出端口损耗≤14dB

    ◆测量格式:对数幅度

    ◆扫描方式:线性、CW(点频)

    ◆触发方式:连续、保持

    ◆存储/调用:状态和轨迹

    ●显示指标:

    ◆显示格式:史密斯圆图、极坐标、平面坐标

    ◆显示对数刻度:

    1 dB/DIV ~ 10dB/DIV

    ◆显示分辨率: 0.1 dB

    ◆扫描时间: 500ms ~ 5s(自动调节)

    ◆彩色 TFT 显示屏:5.6英寸

    ◆频标:4个频标(显示最大值、最小值)

    ●其它指标:

    ◆RS232通信接口,可选配USB接口、GPIB接口。

    ◆选配辅助测试输入端口,参考输入端口、参考输出端口暂无。

矢量网络分析仪PNA-X超越S参数测试

  • 无论在研发还是在生产制造中,工程师们在测试元件时都面临许多重大挑战。在研发过程中,更快并以较少的重复工作来解决设计难题至关重要。生产制造过程中,需要在保持精度和最大产出率的同时,缩短测试时间和降低测试成本。

    减缓压力的方法之一是使用灵活的高度综合的测试解决方案――如Agilent N5242A PNA-X微波网络分析仪。由于PNA-X的先进体系结构,它不仅提供卓越的性能和精度,而且还能针对超越与网络分析仪相关的传统散射参数(S参数)的各种测量进行配置。一些内置组件(如第二个信号源和宽带合路器)能对射频和微波器件,尤其是放大器、混频器和变频器的非线性特性进行非常精确的表征,让您对这些器件的性能有更加全面的了解。

    确保精确的系统模拟

    精确的幅度和相位测量对应用在现代化无线和航空/国防系统设备中的器件至关重要。在设计阶段,系统模拟需要高度精确的元件表征来保证系统满足其性能要求。在生产制造中,精确的测量验证每一个元件是否满足其公布的指标。

    S参数在射频元件(如滤波器、放大器、混频器、天线、隔离器和传输线)测量中使用最为广泛。测量结果能确定射频器件在正向和反向传输信号时其以复数值(幅度和相位)表示的反射和传输性能。它们全面描述了射频元件的线性特性,这对全系统模拟来说是有很有必要的一部分,但要对全系统做更加完全的模拟时,仅仅进行S参数测试是不够的,诸如器件特性随频率变化而呈现出的幅度响应不平坦性或相位响应斜率的不恒定性等这些偏差都会引起严重系统性能下降。

    器件的非线性特性也会造成系统性能的劣化。例如,如果放大器的驱动信号已经超过其线性工作的范围,则它将会出现增益压缩、调幅到调相(AM到PM)的转换及互调失真(IMD)。

    核心测量概述

    矢量网络分析仪(VNA)是测定元件特性最经常使用的仪器。传统VNA包含一个给被测器件(DUT)和多测量接收机提供激励的射频信号发生器,以测量信号在正向传输和反向传输时入射、反射和传输信号(图1)。信号源在固定功率电平进行扫频以测量S参数,而在固定频率上对其功率扫描,可以测量放大器的增益压缩和AM-PM转换。这些测量能测定线性和简单非线性器件的性能。

    图1.传统二端口VNA框图。

    对于基本的S参数和压缩测试,信号源和接收器调谐到相同的频率。不过,通过使信号源和接收机频率偏移,将接收机调谐至激励频率的整数倍,也能测出放大器的谐波性能。使信号源和接收机频率偏移的能力同样可以测量频率转换器件(如混频器和变频器)的幅度、相位和群延迟性能。

    上述这些测量通常是使用连续波进行激励(CW)的,而许多器件要求使用脉冲射频测试,即测试信号必须以特定脉冲宽度和重复频率进行选通。

    传统VNA有两个测试端口,这在大多数射频器件只有一个或两个端口时可满足需要。随着无线通信领域的快速增长,三个或四个端口的器件已经非常普遍,因而四端口网络分析仪也和二端口网络分析仪同样会被普遍使用。

    简化放大器和混频器测量

    利用二端口或四端口时,PNA-X与传统VNA结构相比有四大改进:

    * 两个信号源:第二个内部信号源与第一个信号源的频率和功率电平设置是相互独立的。第二个信号源可用于非线性放大器测试如互调失真(IMD),或用作测试混频器和变频器的快速本地振荡器(LO)。

    * 宽带信号合路器:内部信号合路器可以在仪器的相关测试端口耦合器之前将两个源合并在一起。这便简化了需要两个信号源的放大器测试设置。

    * 信号切换和接入点:辅助开关和射频接入点能实现灵活的信号路径选择,并增加外部信号调理得硬件(如推动放大器)或外部测试设备(如数字信号发生器或矢量信号分析仪)。

    * 脉冲测试能力:内部脉冲调制器和脉冲发生器提供完全一体化的脉冲S参数解决方案。

    这些改进简化了测试设置过程并在测量放大器、混频器和变频器时缩短了测试时间。 这些新增加的特性结合在一起极大地扩大了对被测器件(DUT)进行一次连接可以实现的测量范围。 图2示出一个对放大器的S参数、增益压缩和相位压缩及固定信号IMD进行同时测量的实例。

    图2.显示表对放大器的S参数、压缩和IMD进行同时测量的PNA-X实例。

    两个内置信号源的性能增强也会简化放大器和混频器测量。例如,测试端口可利用的最大信号功率通常为+13至+20 dBm(取决于型号和频率)。这对将放大器驱动到非线性区很有帮助,并且在把信号源用作测试混频器的LO信号时也经常要这样。这两个内置信号源的谐波成分也非常低(通常为–60 dBc 或更低),从而提高谐波和IMD测量的精度。此外,典型置为40 dB的功率扫描范围使得在表征放大器的特性时很容易就可以让放大器从线性工作范围转化到非线性工作范围。

    解决各种测量问题

    虽然VNA只需一个射频源就可以测量元件的S参数、压缩和谐波,但增加第二内部信号源则可以对更为复杂的非线性特性,如IMD,进行测量,特别是当这两个源与网络仪内部的信号合路器配合使用时尤其如此。

    图3.针对IMD测量配置的二端口PNA-X框图。

    对于IMD测量,使用信号合路器将两个信号合并,然后送到被测放大器(AUT)的输入端。图3示出PNA-X如何使用内部信号源和合路器来完成此过程。

    AUT的非线性会引起与被放大的输入信号一道出现的互调分量。在通信系统中,这些多余的分量将进入工作频带且不能通过滤波去除。实践中,只测三阶分量,因为它们是造成系统性能下降的最重要因素。

    图4示出一个用PNA-X完成的扫描IMD测量实例。两条居中迹线显示激励信号,下方两条迹线显示IMD分量。最上方的迹线则是利用了PNA-X特别有优势的公式编辑特征计算并显示的三阶截获点(IP3)。

    图4.扫频IMD测量的PNA-X实例。

    在扫描状态下进行IMD测试的一个非常有用的改变是对功率电平而不是对频率进行扫描,这有助于研发工程师们建立晶体管和放大器非线性行为模型。在图5显示的测量结果中,您可以看到基频信号以及三阶、五阶和七阶互调分量的幅度和相位随输入功率的变化而变化的情况。

    图5.PNA-X进行功率扫描IMD测试的实例。

    与其它方法相比,使用VNA进行以上测量有三个优点。首先,只用一台测试仪器,只进行一次连接便能对全部参数进行测量:S参数、增益压缩、输出谐波、IMD等等。其次,与使用频谱分析仪相比,用功率计对VNA进行校准之后,测量精度更高。最后,如果使用一台频谱分析仪和两个独立的信号源进行同样的测试,完成测试需要花几分钟的时间,但使用PNA-X只需0.6秒。

    相位与驱动的关系是用PNA-X很容易完成的另一种常见的双信号源测试。这个测试参数表征的是当在相邻通道或带外存在大信号时,放大器处理小信号的能力。测试的方法是把不同频率的一个大信号和一个小信号合在一起然后送至被测放大器(AUT),然后在改变大信号的功率时(使用功率扫描),测量小信号的S21相位。

    另一种使用双信号源技术、在建立晶体管和放大器非线性行为模型时会用到的参数是“热态S参数”(准确地说是“放大器工作状态下的S参数-译者注)”,这种测试方法用来表征在某一给定频率下,当存在一个比较大的偏离于S参数测试信号的另外一个输入信号,并且被测放大器的输出因为这个大信号的存在而产生压缩时,放大器小信号S参数的特性。在进行热态S参数测试时,一定要十分小心,不要让被测放大器输出的“热信号”超出了矢量网络分析仪测试接收机的损坏电平。

    测量平衡元件

    平衡电路既能降低对电磁干扰的敏感度和又能降低电磁干扰的产生。平衡元件可以是在三个射频端口的平衡-单端器件或有四个端口的平衡-平衡器件。用四端口VNA很容易对这些元件进行测试,可以测量差模响应和共模响应以及模式变换项。

    这些测试可以用单端激励或真实模式激励来完成。单端法是每次只测试一个DUT端口(只需要一个射频源)并对差模响应和共模响应以及交叉模式特性进行数学计算。这是最快且精确的技术,条件是外加功率电平应使AUT保持在线性或适度压缩的工作区。

    在高驱动电平条件下测试放大器的平衡性能时,如果仍然使用单端测量的方法,非线性特性会引测量结果的严重误差,这就需要真实(差分或平衡)模式激励。这种方法将两个幅度相同的信号以180°(差模信号)或0°(共模信号)的相位差加到放大器输入端对上。理论上这很容易使用双源VNA做到,但是精确测量还需要两个条件:对两个信号源的相位差做高分辨率的调整;以及能调整信号源的相位和幅度,以抵消由源输出阻抗与AUT输入阻抗互作用所引起的输入失配。PNA-X能满足这两个要求。

    测试混频器和变频器

    第二个内部信号源也可用于测试频率转换器件如混频器或变频器,测试时除输入激励之外还需要LO信号。第二个信号源对扫描LO测试十分有用,在测试时LO信号连同射频输入信号一起被扫描,但保证RF信号和LO信号的频率差是固定的。这个方法常用于测量宽带变频器的前端元件。与使用外部信号发生器相比,使用从VNA内部信号源引出的信号作为LO信号在测试速度上有几位明显的改善(使用PNA-X的测试速度比传统方法的测试速度最高可快35倍)。

    使用PNA-X进行混频器和变频器测量的设置非常简单。为了测试端口匹配和变频损耗或变频增益,DUT的输入端、输出端和LO端口分别与PNA-X的端口1、端口2和端口3相连。增加参考混频器能对混频器或变频器的相位或群延迟进行测试。第二个信号源的两个输出可用于驱动参考混频器和DUT混频器(图6)。

    图6.针对矢量混频器测量配置的四端口PNA-X框图。

    结论

    基于VNA的测试系统为测量无线通信和航空/国防系统中所使用的射频和微波元件提供了动力。与传统VNA相比,Agilent PNA-X微波网络分析仪的先进体系结构具有更大的灵活性,使工程师们可以通过一次连接便能测量各种各样的高性能尖端元件。PNA-X内最主要的增加项是第二个信号源和内部宽带信号合路器,从而简化了放大器、混频器和变频器的测量。除S参数、压缩和谐波的传统单信号源测量之外,两个信号源还可用于IMD、相位随驱动的变化、热态S参数和真实激励模式的测试。PNA-X端口上信号源的高功率输出、低谐波和宽功率扫描范围的属性完全适应当前器件的测试要求。

矢量网络分析仪使用方法

  • 在科研及生产中,高性能的矢量网络分析仪是功能最强的网络分析仪,它对于各种微波器件和组件的特性分析具有至关重要的作用。它具有频域和时域两类测试功能,可以很好地完成诸如滤波器、放大器、混频器以及系统中有源和无源微波组合等的各种参数的调试、测试。安捷伦公司提供的一体化8753、8714系列矢量网络分析仪具有频率范围宽、动态范围大、分辨率准确度高、快速实时、使用简捷、灵活方便等特点,为工程师们提供了极大的帮助。下面我就8753、8714矢量网络分析仪的部分应用作一粗浅的介绍。

    两路相位平衡调试

    在某雷达产品的研制和系统的总调过程中,会对和差两路相位的不平衡性提出要求,为了使和差两路的相位满足设计要求,除了在设计时要仔细考虑影响相位不平衡的诸多因素以及减少相位不平衡的方法,还要在今后的总调中加以调整修正,以适应整个系统的要求。根据总调现场的条件,我们需要有一个快捷有效、切实可行的测量手段。以前我们使用的是八十年代初的手动矢量网络分析仪,精度较低,显示不直观,测量结果无法输出。

    为了确保测试的精度和有效性,和差两路相位平衡的测试宜采用包括天线、馈线以及高频接收机和差相加器(魔T)之前各微波器件在内的大系统统调测量,安立公司的37247A矢量网络分析仪为这个调试提供了有力的测量手段。

    图1 和差相位平衡测试框图

    图1显示了和差相位平衡的测试框图。以任一路作为基准,利用37247A矢量网络分析仪的校准(RESPONSE-THRU)或迹线存储运算(DATA→MEM,DATA/MEM)功能,可以很直接地看到和差两路的相位平衡情况,见下图。

    图2 配平前的和差两路相对相位

    图2显示了和差两路配平前的相对相位。从图中可见,两路的相位差未达到要求,需要调整。根据网络分析仪测量出的相位差数,由公式Δl=ΔΦ/(2π/λg)计算出须增加的匹配长度Δl,垫接在电长度短的支路上,并通过网络分析仪实时分析观察,直至满足技术要求为止,最终结果可通过绘图仪或磁盘输出。

    另外,也可通过37247A网络分析仪的内部电长度补偿功能(配合适当的介电常数),自动计算出配平时须修正的长度,该长度显示在分析仪的显示屏上,方便快捷。

    放大器的1dB压缩点

    37369C不但具有频率扫描方面的诸多应用,而且还具备了功率扫描的能力,可对放大器的非线性性能进行描述。图3显示了在某一频点上放大器的输出功率与输入功率的关系,图中的线性部分是放大器的小信号增益区域;输入功率继续增加时,增益就开始下降,放大器进入增益压缩区,随着输入功率的进一步加大,输出功率将不再增加,继而达到了饱和,放大器的1dB压缩点即为增益相对于线性增益下降1dB时的输入功率(或对应的输出功率)。

    图3 放大器输出功率与输入功率

    下面就是我们对所研制的Z002低噪声放大器1dB压缩点指标的检定测试。这里,我们通过37369C内置的增益压缩软件,可以很快地完成这一测试。首先,在37369C上按Appl键,选择SWEPT POWER GAIN COMPRESSION功能,根据被检放大器的工作频段设置需测的频率点(37369C最多可置10个点):6GHz、8GHz、12GHz、14GHz、16GHz、18GHz,依照公式PSTART=压缩点指标-增益-15dB及PSTOP ≈ PSTART+20dB 设定扫功率范围。

    图4

    按照图4做线性功率校准,调整每个频点的源输出功率,然后用被检放大器替换功率探头,并选择GAIN COMPRESS功能完成测试,结果为-20.7dBm(21.58dBm)。

    时域功能

    我们知道,在测量比较复杂系统的反射时,得到的是各部分影响的综合结果,对于各具体部分(反射特性)的情况不易确定,这就给整体调试带来了不便。安立公司的37369C矢量网络分析仪的时域功能可方便地解决这个问题。网络分析仪的时域测量功能就是在频域中测量后,通过其内部处理器做反傅立叶变换得到时域响应,时域响应显示了网络的反射系数和传输系数与时间的关系,它包含了每个反射点的幅度、位置信息以及每个传输通路的信息。

    时域测量有两种不同的工作方式,即带通方式和低通方式。带通方式就是给出器件的脉冲响应,它适用于任何频率范围,是最常用的工作方式。低通方式主要用来做低通器件的测量,它可提供器件的脉冲响应和阶跃特性,通过显示的特性曲线可以确定响应的幅值及反射点的类型(即阻抗特性R、L或C)。

    时域测量中的"WINDOW"功能,可改善时域测量的动态范围,提高时域响应中的幅度分辨力。另外,它还有一个非常有用的"GATE"功能,这是一个时间滤波器,形状犹如一个带通滤波器,它可以去掉"GATE"以外的响应对测量结果的影响,很方便地选择我们感兴趣的部分进行测量分析。

    网络分析仪的时域功能不仅可用于检测电缆的反射点,实现故障定位,还可在传输测量中观察被测设备各路的传输情况。我们在做声表面波滤波器特性的测试时,其测量结果包括了多路传输、转接器、连接电缆以及滤波器夹具等的影响,其真实特性无从而知。应用了时域测量的"GATE"功能之后,我们就可去除转接器、连接电缆以及夹具等的影响,从而获得该滤波器更准确的特性。

操作维护注意事项

  • 1 本仪器采用大规模集成电路和射频敏感器件,为防止意外损坏,修理时严禁使用两芯电源线的电烙铁,测试仪器或其他设备外壳应接地良好。

    2 修理焊接时严禁带电操作。

    3 修理时,一般先排除外部故障和直观故障,如开路、短路或参数设置不合适等,其次测量机内各组电压是否正常。有无虚焊点,检修时示波器、频谱仪的探头或万用表的表笔应触在测试点上,不能碰及邻近各点,造成故障扩大化。

    4本仪器为较先进的设备,用户自己修理有困难时应及时返回工厂修理。

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