安捷伦网络分析仪使用教程_图文

Agilent 系列 网络分析仪

page 1

网络分析仪
网络分析仪测试基本概念

?

?

网络分析仪 工作原理
误差和校准 ENA PNA

?

?

?

page 2

系统组成及器件功能
LNA SAW 滤波器 平衡/非平衡转换 天线 双功器 功分器 射频前端模块

混频器
LO LC 滤波器

TX IF LC滤波器 隔离器 耦合器 放大器 SAW 滤波器

平衡/非平衡转换

page 3

射频信号在器件中的传播
入射 透射

反射

Lightwave

RF/MW
page 4

网络分析仪测试要讨论的问题
器件性能的描述: 传输特性; 反射特 性 ? 器件传输特性/反射特性的指标定义 ? ? Gain, Phase, Group delay ? VSWR, ?, ? , Impedance
? ?

反射特性
传输特性

影响器件传输/反射特性的因素 ? ? 工作频率 ? 信号功率 网络分析仪表显示结果

?

工作频率; 信号功率
page 5

反射特性的参数定义:
反射系数
(电压比值)

?

V反射 = V输入

=

?
?

F
Emax

=

ZL - ZO Z L + ZO

Z0

: 传输线特性阻抗 : 传输线终端负载

Z1

(功率比值)

反射损耗 = -20 log(?),

?

=

驻波比
Voltage Standing Wave Ratio

Emin
传输信号包络

Emax VSWR = Emin

=

1+?

1-?

全匹配 (ZL = Zo)

0

?
RL VSWR

全反射 (ZL = 开路,短路 ) 1

? dB
1

0 dB

?
page 6

史密斯圆图 (Smith Chart) 对阻抗和反射 的描述
+jX

.

90

o

等反射系数圆
1.0 .8 .6 .4

半径: 反射大小 相角: 反射相位
0
o

+ 180 o 0

.2

0

+R

?

??? -90 o

-jX

电感区

等电抗圆 等电阻圆

Rectilinear impedance plane

?=

Z L = Zo 0

Smith Chart 圆图上 一点位 置反映对应的阻抗(R+jx)和 反射(模和相位)

小电阻区

大电阻区

Z L = 0 (短路点)

?

ZL =

(开路点) O =1 0

?= 1

±180

O

电容区

Z=R+jx
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反射特性的说明
RS RL / RS RL

对于复阻抗: 功率最大传输效率条件 :

ZL = ZS* (共轭匹配)
1.2

Load Power (normalized)

1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Zs = R + jX

RL / RS

ZL = Zs* = R - jX

RL = RS: 负载上最大功率传输
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传输特性
V
输入

V
DUT

传输

传输系数 =

T

=

VTransmitted

VIncident
V V
Trans Inc

=

???
?

插入损耗 (dB) = - 20 Log

= - 20 log

增益 (dB) = 20 Log

V V

Trans Inc

= 20 log

?
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线性器件与非线性器件
A A * Sin 360 * f ( t - t ) °

°

to Sin 360 * f * t ° A

Time

线性特性:
? ?

phase shift = to * 360 * f ° f 1 Frequency

输入信号与输出信号同频率 输出信号幅度和相位会发生变化

Time

输入

DUT

输出

f

1

Frequency

Time

非线性特性:
? ?

输入/输出信号不同频率 产生新的频率成份

f

1

Frequency

page 10

满足波形不失真线性系统的条件
V
输入

= f(t)
DUT

V 输出 = a f( t - to)
系统频率带宽内相频特性为线性

系统频率带宽内幅频特性为常量

Magnitude

Frequency

Phase

Frequency

幅度/频率特性要求

相位/频率特性要求
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对系统相位特性的描述
网络分析仪的相位补偿处理功能:
? 电延迟功能( Electrical delay):通过时间补偿消除被测件相频特性中线性部分 ? 相位偏移(Phase offset): 被测件相位特性中加入固定偏置 ? 端口延伸(Port Extension):测试仪表端口电延时补偿

器件相频特性
Phase 45 /Div
o

网络分析仪相位补偿 (Electrical delay )

器件相位非线性
= Phase 1 /Div
o

+
Frequency Frequency

Frequency

应用:
测量器件相位特性 难于定量分析相位特性线性

应用:
便于对相位特性线性的分析

page 12

群时延Group Delay (GD)
Frequency

w

tg

群时延抖动

Dw
Phase

? D?
aperture

to 平均时延

Group Delay (tg) =
-d ? dw

Frequency

=

-1 360 o

*

d? df

? w ?

in radians
in radians/sec in degrees

网络分析仪通过测试相/频特性得 到器件延迟性能

f in Hertz (w?=?2?p f)

GD 抖动反映器件相位特性线性 ? GD平均值反映器件的平均时延
?

page 13

通过群时延指标反映器件相位线性
Phase
Phase

-d ? dw

相位抖动相同

f

f
-d ? dw

Group Delay

Group Delay

f

f

群延时不同
page 14

完整的器件指标描述
输入

R
反射

输出

B

A
反射特性
Reflected Incident = A R

传输特性
Transmitted = B R

Incident

SWR S参数 S11,S22 反射系数

反射损耗

增益 S参数 S21,S12 相位 Phase

群延时 Delay 传输系数 T,?
page 15

?,??

阻抗 R+jX, G+jB

S参数的定义
a1
输入 反射

S

21

传输
DUT

b2 Z0
Load

正向
S 11 = S 21 =

S 11

b1

a2 = 0

Reflected Incident
Transmitted Incident

b1 = a 1 b = a 1
2

S-parameters
a2 = 0 a2 = 0 S 22 = S 12 =

电压线性值定义
Reflected Incident Transmitted

b2 = a 2 b = a 2
1

a1 = 0

Incident

a1 = 0

a1 = 0 Z0
Load
DUT

S 22
反射 输入

b2

反向
a2

b1

传输

S 12

page 16

器件的非线性失真
Nonlinear Networks
器件饱和,串扰,交调等非线性过程导致传输信号波形失真

Time

Time

输入信号

输出信号

Frequency

Frequency

page 17

器件的功率动态范围:
输入1dB压缩点
CH1 S21 C2 1og MAG 1 dB/ REF 32 dB 30.991 dB 12.3 dBm

0 1dB

1 dB compression point: 输入功率增加导致器件增益下降1dB ? 相对测试 ? 输出1dB压缩点(绝对测试)

输入1dB压缩点
测试功率
测试频率
page 18

IF BW 3 kHz START 5dBm

CW 902 MHz

SWP 420 msec STOP 15 dBm

器件的功率动态范围:
输出1dB压缩点
饱和工作电平
1dB

输出信号功率 (dBm)

压缩工作区

线性工作区 (slope = small-signal gain)

输入信号功率 (dBm)
page 19

AM / PM 转换对系统的影响
输入功率对器件相位特性的影响
Amplitude

Power sweep

AM (dB)

Mag(AM in)

DUT
PM (deg)
Time

Test Stimulus

Amplitude

Q

AM (dB)

Mag(AM out)

AM - PM Conversion =
Mag(PMout) Mag(AMin)
(deg/dB)

PM (deg)

Mag(PM out)

I
Output Response
Time

AM to PM conversion can cause bit errors
page 20

网络分析仪
网络分析仪测试基本概念

?

?

网络分析仪 工作原理
误差和校准 ENA PNA

?

?

?

page 21

网络分析仪组成框图
源 功率分配/开关

R1

参考接收机 衰减器

参考接收机 衰减器

网络分析仪组成
R2

A

B

?信号源 ?信号分离装置 ?接收机 ?处理显示单元

测量接收机

Port 1

反射信号 (A) DUT

传输信号 (B)

Port 2

输入信号

输出信号

网络分析仪测试信号流程
输入源 LO 源

R 输入参考信号

A
N*LO +/- IF

B

输出信号

反射

传输

RF

输入信号

A :被测件输入端反射特性 R

B :被测件正向传输特性 R

信号源
提供被测件激励信号 ? 具备频率和功率扫描功能 ? 合成源实现
?

源功率控制
ALC

频率合成源


源功率控制部分= ALC: 小范围功率调整,功率扫描 + 衰减器: 大范围功率调整

衰减器
Range1 Range2 Range3 ….
ALC Driver

ALC 检测

端口稳定点频输出:
span=0Hz, max sweep time

ALC = 自动电平控制 (automatic level control)

信号分离装置
50 W 6 dB
?

功分器
提供参考信号 ?宽频率覆盖
Incident Transmitted

50 W

6 dB

?

DUT
SOURCE Reflected

Main signal
INCIDENT (R) REFLECTED (A)

SIGNAL SEPARATION
TRANSMITTED (B)

RECEIVER / DETECTOR

Coupled signal

定向耦合器 ? 电桥
? ?

PROCESSOR / DISPLAY

方向性 ?低插入损耗

Detector

Test Port

定向耦合器连接端点: 反射特性测试 点

定向耦合器用于器件反射性能测试
(入射信号泄漏) (被测件反射方向)

Directivity 方向性
反映定向耦合器 分离两个相反传输 方向信号的能力.
定向耦合器
反射方向
0 DUT RL = 40 dB Device

(定向耦合器输入端) 被测件端口 输入方向

Direc tivity Dev ice

Directivity

Device

被测件反射信号 与定向耦合器泄漏的 输入信号 在接收机端矢量叠加 影响测试精度

Return Loss

3 0 6 0 Frequency Data Min Cancel Data ? 0

Directivity

Data Max Add in Phase

Data = Vector Sum

接收机类型
SOURCE

Incident

Transmitted

DUT
Reflected

Diode

Scalar broadband (no phase information)
DC

SIGNAL SEPARATION
REFLECTED (A) TRANSMITTED (B)

INCIDENT (R)

RECEIVER / DETECTOR

PROCESSOR / DISPLAY

RF

AC

Tuned Receiver
RF IF = F LO ±F RF

ADC / DSP
IF Filter

Vector (magnitude and phase)

LO

调谐接收机的特点
?
? ? ? ? ?

高灵敏度接收机 ENA 采用混频方式接收机 接收机噪声电平与其接收带宽有关 网络分析仪要求大测试动态范围 对被测件输出杂波/谐波有抑制作用 接收机带宽在测试动态范围和测试速度间 折衷

混频器前端

ADC / DSP

幅度+相位信息

300kHz

8.5 GHz

网络分析仪的测试动态范围

接收机带宽:10Hz

接收机带宽 :70kHz

-100dB

?

接收机噪声电平小,网络 分析测试动态范围大

?

接收机噪声电平高,网络 分析测试动态范围小

网络分析仪测试动态范围和测试精度
网络分析仪测试精度与测试动态范围关系
Error Due to Interfering Signal
100

10

+
phase error

Error (dB, deg)

1

magn error

0.1

0.01

0.001 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50 -55 -60 -65 -70

Interfering signal (dB)

T/R vs S-Parameter Test Sets
Transmission/Reflection Test Set
Source Source

S-Parameter Test Set

Transfer switch

R A B A

R B

Port 1

Port 2

Port 1

Port 2

Fwd
?

DUT

Fwd
?

DUT

Rev

? ?

RF always comes out port 1 port 2 is always receiver response, one-port cal available

?

?

RF comes out port 1 or port 2 forward and reverse measurements two-port calibration

显示处理单元
Incident Transmitted

DUT
SOURCE Reflected

SIGNAL SEPARATION
INCIDENT (R) REFLECTED (A) TRANSMITTED (B)

RECEIVER / DETECTOR

PROCESSOR / DISPLAY

标识(marker) 读取测试结果 ? 极限判断(limit lines) ? 显示比例和标识 ? 文件处理 ? ………..
?

网络分析仪
网络分析仪测试基本概念

?

?

网络分析仪 工作原理
误差和校准 ENA PNA

?

?

?

网络分析仪测量误差
系统误差
? ? ? ?

由于测试仪表原理或测试设备引起 变化有规律 能够被定量描述 可通过校准消除 随时间随机变化 不能通过校准消除 引起随机误差的原因: ?设备噪声 ?开关重复性 ?连接器重复性 校准后仪表性能变化 主要由温度变化造成 通过定期计量消除

随机误差
? ? ?

系统误差
测试数据

随机误差 飘移误差

被测件 性能

飘移误差
? ? ?

反射参数测试误差分析
A接收机信号= 被测件反射信号+误差信号
R

方向性误差

A 反射信号

串扰

B

DUT
频率响应误差
?

反射跟踪误差

源失配

负载失配

?

传输跟踪误差

单端口共 6 项误差 双端口共 12 项误差

校准的基本分类
频响校准 (response校准)= 归一化处理(normalization)
?
?
? ?

简单 只能消除跟踪误差(频响误差) 相当于归一化处理(Data?mem,
SHORT

Data/mem)
?

thru

矢量校准
需要测试更多校准件 ?可消除更多误差项目 ?要求矢量测试能力
?

OPEN

S11A
LOAD

S11M
thru

校准的概念
SHORT
?

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

OPEN

?

反射测试
? ?

LOAD

存在三项误差:方向性,源失配, 反射通道频率响应 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 full 2 port 双端口校准消除12项误差 ? cal kit: 定义校准件数据 definition file ? 用户可定义校准件: 校准件定义必须和实际校准件相符

ENA 支持的校准 件方式
机械校准件 电子校准件(Ecal)

校准件多次连接 Shorts, Open, Loads, Thru

单次连接;多端口校准 Single Connection

不同的校准方法总结
1.

不校准
DUT

2. 频响校准

3. 1-PORT单端校准
SHORT

4. FULL 2-PORT双端校准
SHORT SHORT OPEN OPEN

thru
DUT
方便 ?消除频率相应误差 ?不要求高精度 ?传输测试=直通 ?反射测试=短路
?

OPEN

LOAD

LOAD

LOAD

DUT

thru
DUT

反射测试 ?消除测试端口所有误差 ? Directivity Source match Reflection tracking ?校准件: ? open ? short ? load
?

复杂,校准件多次连接 ?高精度 ?消除测试中所有误差: Directivity Source, load match Reflection tracking Transmission tracking Crosstalk
?

TRL校准
Thru-Reflect-Line
TRL校准的特点: ? 双端口校准技术 ? 适合非同轴系统测试 (waveguide, fixtures, wafer probing) ? 与SOLT 校准使用相同的12项误差模型 ? 要求网络分析仪 4 接收机, 3 接收机支持TRL*校准
? ?

其它校准方法: Line-Reflect-Match (LRM), Thru-Reflect-Match (TRM)

网络仪功率校准确保源功率精度
? 保证测试端口输出功率准确 ? 与ENA兼容的功率计 437B (Single ch) ? 不同测试通道和测试端口分别 438A (Dual ch) EPM-441A (Single ch) 设置
EPM-442A (Dual ch) E4416A (Single ch) E4417A (Dual ch) E4418A (Single ch) E4418B (Single ch) E4419A (Dual ch) E4419B (Dual ch)


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