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矢量网络分析仪实用书


Agilent 8753/8720 系列 矢量网络分析仪

培训专用教材

Agilent 网络分析仪 网络分析仪 课程目录 课程目录 Agilent
l

网络分析仪表测试基础知识
è è è è è è è

传输线基础 反射特性 史密斯圆图 (Smith chart ) 传输特性 线性系统和非线性系统 S 参数 1dB压缩点 网络分析仪组成框图 网络分析仪接收机性能 网络分析仪表测试动态范围 网络分析仪测试配置: T/R 测试 S参数测试 网络分析仪测试误差模型 网络分析仪校准原理 网络分析仪的单端口校准/ 双端口校准 非插入器件测试的校准

l

网络分析仪工作原理
è è è è

l

网络分析仪表测试误差及校准
è è è è

l l

网络分析仪典型器件测试 网络分析仪应用

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欢迎参加Agilent 公司的网络分析仪技术培训. Agilent 提供系统的测试 仪表和相关技术工程师大学培训课程. 本课程内容将涵盖网络分析仪测试中的操作和器件测试相关概念及理 论.通过学习,希望较系统地掌握网络分析仪的正确操作使用和应用的方 法

第一章:网络分析仪测试基础知识 第一章: 第一章:网络分析仪测试基础知识 网络分析仪测试基础知识

l

网络分析仪表测试基本概念 è 传输线基础 è 反射特性 è 史密斯圆图 (Smith chart ) è 传输特性 è 线性系统和非线性系统 è S 参数 è 1dB压缩点

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网络分析仪表测试的对象是各种元器件及器件组成的系统, 要掌握网络 分析仪,需首先正确理解关于器件(系统)相关的性能指标要求和定义.

系统组成及器件功能
接收滤波器 低噪声放大器
平衡 /非平衡转换器

Baluns

IF滤波器 Rx 中频信号 LO滤波器

功率放大器

双工器

传输线 Tx 中频信号

开关 隔离器
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耦合器

Tx RF滤波器

按照器件应用于何处,有很多理由说明为什么要求测试电路和其中的各 种元件. 一个电子系统是由各种元件所组成,对每个元件及整个系统都有功能和 相应性能指标的要求.如滤波器的通带带宽,带外抑制,放大器增益,输出 功率等.元件制造商和设计工程师需要对每个部件性能进行规划和测试, 才能保证整个系统能稳定,正常地工作.

对电? ? 统? 号? ? ?

Modulator

路径失真
多径 噪声干扰 多频干扰

Demod

调制质量:
EVM 幅度误差 频率误差 相位误差 信噪比

频率范围 频率分辨率 相位噪声

输出功率 功率控制 交调失真 杂散

增益 噪声系数 稳定性

混频失真 相位非线性 信号杂散

系统性能
灵敏度 误码率

理想信号状态

噪声干扰

相位噪声

功率压缩

器件AM/PM失真

码间串扰

单频干扰

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Recalling from the overview presentation, there are a variety of measurements that are important in delivering maximum resistance to interference and maximum capacity to a given radio frequency band. These critical, unchanging radio traits are essential to market success. Radio links must be dependable and interference free to be of va lue to the customer. Maximum market potential of a new wireless product is only realized when the allocated frequency band has as many users squeezed in as possible. Thus, minimizing interference as more users are added to the frequency band is an essential part of maximizing product potential! This Digital Radio test paper looks at some of the tradeoffs systems engineers face in designing for minimum spectrum and maximum interference protection. These are the signal analysis techniques used to optimize frequency band capacity! As part of our focus on designing for minimum spectrum we shall examine the critical block diagram parameters, and today’ s modern measurement tools that help engineers optimize the many system tradeoffs necessary to maximize the number of users in a band.

RF/MW 信号在器件中的传播
入射 透射

反射

Lightwave

RF/MW
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通过说明光在透镜的传输过程可以帮助理解射频或微波信号在器件的 工作过程. 当射频信号输入到某个器件上时, 会产生相应反射和传输.每个器件在工 作状态下, 其传输和反射信号的大小和相位都是不同的, 而反射和传输 的特性决定器件对信号的处理作用. 器件及电路的设计就是定量控制器件的反射和传输特性.

测试器件 /系统 系统传输 传输 /反射指标 反射指标的原因 的原因
? 整个系统稳定,正常工作 消除自激现象 , 不稳定现象 ? 确保传输信号的无失真传播
? 线性 : constant amplitude, linear phase / constant group delay ? 非线性 : harmonics, intermodulation intermodulation, , compression, AMAM -to to-PM conversion

KPWR

FM 97

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系统中每个器件的传输反射性能会对整个系统的工作状态有直接影响. 例如;接收系统中由于正向增益很大,当系统中存在反射时, 这个反射信号和输入信号传 输方向相反,相当于输入信号的反馈 ,当满足相位和幅度要求时 ,系统会形成正反馈 ,造 成系统自激振荡 .无法正常工作. 当器件( 放大器 ,混频器等 )处于非线性工作状态时, 会产生非线性失真 ,使信号质量变差. 所有这些现象都是网络分析仪测试要反映的问题.

器件功能及性能要求
双工器 (Duplexers) 天线 (Antennas) 滤波器 (Filters) 耦合器 (Couplers) 开关 (Switches) 电桥 (Bridges) 混频器 (Mixers) 功分器 (Splitters,dividers) 采样器 (Samplers) 合路器 (Combiners) 二极管 (Diodes) 隔离器 (Isolators) 环行器 (Circulators) 衰减器 (Attenuators) 转接头 (Adapters) 负载 (Opens, shorts, load) 延迟线 (Delay lines) 电缆 (Cables) 传输线 (Transmission lines) 波导 (Waveguide) 谐振器 (Resonators) 介质 (Dielectrics) 电阻 ;电感 ;电容 (R, L, C's) High 射频集成电路 (RFIC) 微波单片集成电路 (MMICs) 收发模块 (T/R modules) 发射 /接收单元 (Transceivers) 接收机 (Receivers) 调谐器 (Tuners) 转换器 (Converters) 电压控制放大器 (VCAs) 放大器 (Amplifiers) 压控振荡器 (VCOs) 压控滤波器 (VTFs) 振荡器 (Oscillators) 调制器 (Modulators) 压控衰减器 (VCAtten) 三极管 (Transistors)



集成度



无源 (Passive)

器件种类
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有源 (Active)

电子系统由各种有源及无源器件组成,根据各种器件对信号的作用,又分 为线性和非线性器件(系统). 所有这些器件都是网络分析仪测试的对象.

网络分析仪测试要讨论的问题
l l

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 ? è Gain, Phase, Group delay è VSWR, Γ , ρ , Impedance 影响器件传输 /反射特性的因素 ? è 工作频率 è 信号功率 网络分析仪表如何完成测试? 如何让网络分析仪表测得更精确? 如何提高网络分析仪表测试速度?

反射特性 传输特性

l

l

l

l

工作频率; 信号功率
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既然器件的反射传输特性非常重要.下面分别对器件的反射/传输特性进 行全面分析. 影响一个器件(系统)传输/反射特性的因素很多,作为网络分析仪主要研 究器件传输/反射特性与工作频率及功率的关系. 简单来讲,网络分析仪显示的结果纵轴可定义为:传输或反射特性, 而横 轴为功率或频率.

传输线基本概念
+

I

-

低频信号
l l

信号波长 >> 线长 电压/电流测试值大小与测试位置无关

高频信号 l 信号波长 ≈ or << 线长 l 特性阻抗 (characteristic impedance ) Z 0反映传输线特性 l 信号包络电压与传输线位置有关

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减小反射的目的是保证信号能在器件中有效地进行功率传输.对于低频 率信号,信号的波长远大于传输器件的长度,一根简单的传输线对于传输 功率就是有用的,电流很容易在传输线上进行传播,传输线上测试点位置 对测量的电压电流读值影响不大. 对于频率高的信号,传输信号的波长等于或小于器件的尺寸,在传输线上 不同测试点得到的电压/电流都会不同.

传输线信号反射现象1 … … … … … … … … … … 全匹配
Zs = Zo
Zo : 传输线特性阻抗

Zo

Vinc
Vrefl = 0!
(所有入射功率被负载所吸收)
? 传输线终端接匹配负载 , 信号传播过程相当于无穷长线 ? 传输线上形成行波
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下面以传输线为例,研究传输线在不同负载情况下反射特性变化的规律. 当传输线端接负载与传输线特性阻抗相同时,输出到负载上的信号功率 最大.传输线上只有正向传输信号,信号波形为衡定包络正弦波,传输效果 等效为无穷长传输线.

传输线特性阻抗: Zo
? ? ?

Zo 决定信号电压与电流的关系 Zo 与传输线物理尺寸及 ε r
有关
1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8 0.7

系统中 Zo 为常数 (e.g. 50 or 75 ohms)
normalized values

attenuation is lowest at 77 ohms

Twisted-pair Waveguide a b Coaxial

50 ohm standard

εr
h w1

power handling capacity peaks at 30 ohms

h

0.6 0.5 10

20

30

40

50

60 70 80 90 100

characteristic impedance for coaxial airlines (ohms)

w2 Coplanar

w Microstrip

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提到传输线特性阻抗,对于所有形式的传输线,如:同轴电缆 ,波导;双绞线 ; 微带线;耦合线等.其特性阻抗反映传输线上信号电压与电流关系.特性 阻抗只与传输线物理参数有关,如:同轴线内导体外径;外导体内径 ;介质 介电常数(ε r),而和工作频率及传输线长度无关. 对于低功率工作场合,如:cable TV, 系统要求很小传输损耗,系统特性阻 抗规定为75ohms,对于其它射频 /微波系统,考虑功率容量和传输损耗的 折衷,特性阻抗规定为50ohms.

传输线信号反射现象2 … … … … … … … … … … 全反射
Zs = Zo

Vinc
开路反射信号 : 同相 (0 ) Vrefl 短路反射信号 : 反相 (180 o )
o

? 传输线终端开路或短路 , 所有传播信号被反射回入射端 ? 传输线上形成驻波
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当传输线终端开路或短路时,所有输入信号功率被反射到入射端.造成全 反射. ?传输线终端开路时,开路端电流为零,端点反射信号电流与输入信号电 流幅度相等,相位相反.而反射信号电压与输入信号电压同相.满足欧姆定 理. ?传输线终端短路时,开路端电压为零,端点反射信号电压与输入信号电 压幅度相等,相位相反.而反射信号电流与输入信号电流同相.满足欧姆定 理. 发生全反射时,传输线上同时存在正向输入信号和同功率的反射信号.这 两个信号在传输线上失量叠加,形成驻波.驻波的波峰为输入信号电压2 倍,谷值为零.

传输线信号反射现象3 … … … … … … … … … … 部分反射
Zs = Zo ZL = 25 ?

Vinc
Vrefl
? 传输线终端其它负载时 , 部分传播信号被反射回入射端 ? 传输线上形成行驻波
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在其它情况下,如传输线终端接25ohms电阻时,输入信号的一部分被反射. 反射信号和输入信号进行矢量叠加从而引起波形包络起伏变化.

反射特性的参数
V反射信号 V输入信号 =ρ
IM

Φ

幅度信息 幅度信息 相位信息 相位信息

度 幅

=

M

相位 = φ Re

信号A 信号B

MA ∠ = M ∠ B

φA φB

=

MA ∠ φ ? ( A M
B

φB )

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通过以上的举例分析,可以看到对反射特性的全面描述应包含反射中的 幅度和相位两方面参数.

反射特性的说明
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 = R S: 负载上最大功率传输
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总结前面各种反射现象,当复杂系统中由级联电路组成,第2级电路的输 入阻抗是第1级电路的负载,在阻抗满足共轭匹配条件时,负载上得到最 大功率传输. 当阻抗不匹配时,就会产生发射信号,也就是说:造成器件端口反射的根 本原因是阻抗不匹配,研究器件的反射特性与研究器件的端口阻抗等效. 有时共轭匹配是通过调整源阻抗来完成.例如:发射机功放与天线的匹配, 设计工程师必须在天线的整个频率范围内优化放大器的输出阻抗,以保 证最大射频功率通过天线发射出去.

反射特性的参数定义:
反射系数
( 电压比值 )

Γ= V

V 反射
输入



Φ
Emax Emin

=

ZL ? ZO ZL + ZO

Z0 : 传输线特性阻抗 Z1 : 传输线终端负载

(功率比值 )

反射损耗 = -20 log(ρ),

ρ

=

Γ

驻波比
Voltage Standing Wave Ratio

VSWR =

Emax Emin

=

1+ρ 1-ρ

全匹配 (Z L = Zo)

0

ρ
RL VSWR
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全反射 (ZL = 开路 ,短路 )

1 0 dB

∞ dB
1



需要定义定量的参数来精确反映器件(系统)的反射特性. 反射系数是反射电压入射信号电压比值,反射系数为矢量,包含幅度和相 位信息.分别反映反射信号与入射信号的幅度比值和相位差. 造成反射的根本原因为阻抗不匹配,这个结论通过反射系数的计算公式 可以得到直接反映. 反射损耗是反射信号与输入信号功率比值,为标量. 驻波比是通过传输线上信号包络起伏大小来定义,当全匹配时,传输线上 只有输入信号,包络恒定,VSWR=1.

史密斯圆图 (Smith Chart) 对阻抗和反射的描述
90
o

.

等反射系数圆
1.0 .8 .6 .4

+j X

半径 : 反射大小 相角 : 反射相位 0
o

+ 180 o 0

.2

0

+R

∞→


o

-90
-jX

电感区

Rectilinear impedance plane

等电抗圆 等电阻圆

Γ=

Z L= Zo 0

纯电阻线

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 Z L = 0 (短路点 )

大电阻区

Γ=1

ZL =

(开路点 ) O 0

Γ= 1

±180

O

电容区

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Smith Chart 圆图 反映阻抗Z与反射特性的对应关系,所以圆图应定量 反映阻抗特性和反射特性. Smith Chart 圆图就是反射系数和阻抗指标的对应关系的形象反映. 对于确定的阻抗值Z=R+JX,在圆图上有确定的某点位置与之对应,R值对 应相应大小等电阻圆,X值对应等电抗圆.等电阻圆和等电抗圆交点为Z. 该点半径为阻抗Z对应的反射系数模值,夹角为反射系数相位. 圆图的周期为传输线信号波长/2.圆图旋转一圈代表传输线传输电长度 为λ/2,案半圈为λ/4.

传输特性
V
输入

V
DUT

传输

传输系数 =

Τ

VTransmitted
=

VIncident V V
Trans Inc

=

τ∠φ τ

插入损耗 (dB) = - 20 Log

= - 20 log

增益 (dB) = 20 Log

V V

Trans Inc

= 20 log

τ

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与反射参数的定义相似,可得到传输参数.传输特性为器件输出信号和输 入信号的比值. 传输系数为信号电压比值,包含幅度信息和相位信息,为矢量. 对于功率比值,根据器件是对输入信号进行放大还是衰减,功率比值定义 为:增益和差损.

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 :
l l

phase shift = to * 360 * f

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

f 1

Frequency

输入

DUT

输出

f 1

Frequency

Time

非线性特性:
l l

输入 /输出信号不同频率 产生新的频率成份

f 1

Frequency

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在对输入信号处理的过程中,许多器件具有线性和非线性特性,不同特性 的传输特性当然对输出信号有不同的影响.在说明产生不同类型的信号 失真之前,先看看线性系统与非线性系统的不同. 具有线性传输特性的系统对于输入信号只产生幅度和相位的变化,而不 会产生新的频率成分. 非线性系统能对输入信号的频率进行搬移,或产生新的频率成份,如谐波 和交调. 许多在通常信号条件下具有线性特性的器件可能会表现出非线性.如进 入饱和区的放大器.这种情况对于无源器件(电缆;滤波器)和有源器(放大 器)都是存在的.

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)

系统频率带宽内幅频特性为常量

系统频率带宽内相频特性为线性

Magnitude

Frequency

Phase

Frequency

幅度 /频率特性要求
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相位 /频率特性要求

当用于系统传输信号时,传输信道电路应保证对输入信号不产生波形变 化的失真.非线性系统会产生新的频率成分,肯定会引起输出信号波形变 化. 即使是线性系统,也会使波形发射变化. 要满足波形不失真传输要求.器件传输特性需满足: 幅度/频率特性在工作频率范围内要保持恒定, 相位/频率特性在工作频率范围内保持线性.

器件幅度 -频率特性对传输信号的影响
F(t) = sin wt + 1 /3 sin 3wt + 1 /5 sin 5wt
Time

Time

线性网络 线性网络
Magnitude Frequency

Frequency

Frequency

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这个例子可以反映器件(系统)的幅度/频率特性对传输信号的影响. 例中线性网络的激励输入信号为类似方波波形,该信号在频域上包含三 个频率成份:基波 ;二次谐波;三次谐波,该信号通过线性网络时,线性网络 具有的幅度/频率特性对基波和三次谐波衰减大,使输出信号频谱发生变 化,相应时域波形从方波变为圆滑类似正弦波形. 这是为什么对放大器,滤波器等器件在工作频带范围内幅/频抖动(ripple) 有严格要求的原因.

器件相位 器件 相位-频率特性 频率特性对传输信号的影响 对传输信号的影响
F(t) = sin wt + 1 /3 sin 3wt + 1 /5 sin 5wt

线性网络 线性网络
Time Time

Magnitude

Frequency 0° Frequency -180 ° -360 ° Frequency

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类似的例子可以反映器件(系统)相位/频率特性对传输信号波形的影响. 在器件(系统)实际工作中传输的信号都是占有一定频率带宽的调制信号, 如果器件(系统)的相位/频率特性不线性就会使调制信号波形发生变化, 造成信号失真.

器件相位 -频率特性的描述
输入信号
空气线传输延时 : t 电长度 Phase (φ) Degrees
?360 ?720 ?1080 ?1440
o

0

o

?720 o

?1440

o

φ = ? f × 360 × t
=t? c
o

o

/2

( m)

φ = ? f ? 360 ? / c =?( c = 光速 360 ? f c
o

o o o

)

φ =? (

360 ? f ) c

o

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通过观察器件(系统)的相位/频率特性可以反映其线性,实际上线性器件 (系统)相位/频率应该为斜率固定斜线.斜率对应器件(系统 )信号传输时 间延迟. 器件(系统)相位/频率为线性等效为器件(系统 )传输延时为与频率无关的 常数.

对系统相位特性的描述
利用电延迟功能( electrical delay )补偿 被测件相频特性中线性部分

器件相频特性
Phase 45 /Div
o

网络分析仪相位补偿 (Electrical delay function)

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

Scale
Electrical Delay

应用:
便于对相位特性线性的 分析

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但直接观察器件(系统)的相位/频率特性一般很难定量反映其线性. 解决相频特性线性指标测试问题有两种方法 1.使用网络分析仪电延迟功能抵消掉被测件相/频特性中线性部分(固定 时间差),通过对剩余非线性部分进行定量测试. 2.群时延(group delay)测量.

群时延Group Delay (GD)
Frequency

ω

tg

群时延抖动


Phase

φ ?φ
aperture

to 平均时延

Group Delay (tg ) =
?d φ dω

Frequency

=

?1 360 o

*

dφ df

φ ω φ

in radians in radians/sec in degrees
l

网络分析仪通过测试相/频特性得 到器件延迟性能 GD 抖动反映器件相位特性线性 l GD平均值反映器件的平均时延

f in Hertz (ω = 2 π f)

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群时延是定量反映被测件相位失真的指标,群时延是信号在通过被测件 的传输时间与工作频率关系的测量.被测件的相位特性为理想线性时,群 时延为固定直线. 对群时延的测量关心两个读值: 1.群时延平均值:该值反映信号在器件中的平均传输延时, 2.群时延抖动:反映被测件的相位非线性. 群时延的测量是通过对相位/频率特性进行数学微分得到,微分过程中定 义的计算区间称为:孔径 (aperture).

群时延的测量过程
Group delay (seconds)
2% Aperture
Minimum Aperture
1.2E-09 1E-09 8E-10 6E-10 4E-10 2E-10 0 Frequency
20% Aperture

1.2E-09 1E-09 8E-10 6E-10 4E-10 2E-10 0 Frequency

孔径(aperture) 设置 对 GD测试结果的影响

Avg
Smoothing Aperture: __ %

10% Aperture
1.2E-09 0.000000001 8E-10 6E-10 4E-10 2E-10 0 Frequency

1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

Smoothing: On/Off 大孔径设置: 平均效果,低分辨率 l 小孔径设置: 高分辨率, 受杂散影响
l Frequency

频率

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上图反映孔径取值对群时延测试的影响. 孔径设置为窄时,测试分辨率高,但容易受系统中噪声的影响,测试重复性 差; 孔径设置为宽时,微分运算对孔径范围内相位非线性变化具有平均作用, 测试分辨率变差,但测试重复性好,可消除系统噪声的随机影响; 基于以上原因,在群时延的测试中,要明确测试孔径的设置.孔径的设置是 在测试精度和分辨率间折衷.

通过群时延指标反映器件相位线性
Phase Phase

?d φ dω

相位抖动相同

f

f ?d φ dω

Group Delay

Group Delay

f

f

群延时不同
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通过电延迟补偿得到的被测件非线性相位误差和群时延两项指标都可 以定量反映被测件的相位非线性. 而群时延指标更能精确反映相位非线性.上图的例子表明; 相位波动峰峰值相同的被测件产生的群时延可能有明显不同.右图中器件群时延抖 动较大,会引起更大的信号失真.

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 Incident = B R

SWR S参 数 S11,S22 反射系数 Γ, ρ

反射损耗

增益 S参 数 S21,S12 相位 Phase

群延时 Delay

阻抗 R+jX, G+jB

传输系数 Τ,τ

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总结前面的介绍,某个器件(系统)完整的参数应包含 :反射和传输特性,两 个方面的指标中都应包含幅度和相位信息. 对器件(系统)的这些参数描述可采用S参数(散射参数).

S参数的定义
a1
输入

S

21

传输
DUT

b2 Z0
Load

正向
S S = =

b1

反射

S 11

a2 = 0 b1 = a 1

11

Reflected Incident Transmitted Incident

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

电压线性值定义
= =
Reflected Incident Transmitted Incident

21

b 2 = a 1

12

b2 = a 2 b 1 = a b2

a1 = 0 a1 = 0

2

a1 = 0 Z0
Load
DUT

S 22
反射 输入

反向
a2

b 1 传输

S 12

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双端口器件的S参数包含四个参数(N端口器件S参数包含N^2个参数).S 参数的定义是基于信号电压比值的参数.所以S参数为矢量. S参数下标注的意义是:第一个数字代表信号输出端口,第二个数字代表 信号输入端.Sab:表示被测件端口b到端口 a的传输系数. 例:被测件输入端为 :1端口; 输出端 :2端口, S11: 当被测件输出端接匹配负载时,输入端反射系数 ; S21: 当被测件输出端接匹配负载时,器件 端口1?端口2传输系数.

S 参数的定义
S11 S22 S21 S12 = 输入端反射系数 (输入匹配 ) = 输出端反射系数 (输出匹配 ) = 正向传输系数 (增益/差损 ) = 反向传输系数 (隔离)
S 21 5 S 11 0.5 -100o 113
o

S 21 20 dB→0.1 φ 0.09 φ =S11 VSWR=1.2

0.05 φ =S22 VSWR=1.1 0.1 φ ← 20dB S12

S22 o 0.8 -30 S12 0.04 33
o

衰减器 S参数
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晶体管 S参数

S参数可全面直观表示一个器件(系统)的性能指标. 对于20dB衰减器, 20dB为功率对数表示,转换为相应线性电压表示为 :0.1. 输入端驻波比1.2,转换为反射系数为0.09. 当然S参数应包含相位信息.对于象衰减器这样的互易器件,其S12=S21. 微波晶体管是非互易器件,其S参数随频率及工作电平变化很大. 器件的 生产厂商应提供各频率范围内及直流偏置条件下S参数数值.

S参数

l l l l l l l

概念与器件性能指标对应 方便复杂系统分析 完整反映被测器件性能 便于建立器件数学模型 级连系统的 S参数计算 便于导出 H, Y, 或 Z 等参数 EDA 设计软件的数据格式

a1

Incident

S 21

Transmitted b2 S 22 Reflected a2 Incident

S11 Reflected b1

DUT Port 1 Port 2 S 12

Transmitted

b1 = S 11a 1 + S 12 a 2 b 2 = S21 a 1 + S 22 a 2

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S参数在工程测试和理论计算中都得到广泛采用.

对器件参数的描述
利用各种参数 (H, Y, Z, S) 来对器件进行描述:
l l l l

器件的线性模型 反映器件在不同频率和阻抗端接情况下工作性能 通过测试来对器件进行建模 通过计算对器件进行匹配,阻抗变化等处理 H-parameters V 1 = h11I1 + h12V 2 I2 = h21I1 + h22V 2 Y-parameters I1 = y11V 1 + y12V 2 I2 = y21V 1 + y22V 2 h11 = V 1 I1 h12 = V 1 V2 Z-parameters V 1 = z11I1 + z12I2 V 2 = z21I1 + z22I2

V2=0

(requires short circuit) (requires open circuit)

I 1=0

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在某些应用中采用器件参数也可通过转换由S参数得到.

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

Time

Time

输入信号

输出信号

Frequency

Frequency

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我们已经看到,线性网络可以造成信号波形失真.具有非线性特性的器件 也会造成信号失真. 对于线性的放大器电路,当输入信号功率过大,使放大器处于非线性的饱 和区时,输出信号被限幅,在频率谱上出现新的谐波频率成份. 所以一个器件(系统)的工作特性与其输入信号幅度有直接关系,即使是 无源器件也是一样,例如磁芯电感当工作电流过大时会出现磁滞现象.

器件 AM/AM 转换性能 器件 AM/PM 转换性能
IDS
I
DS

幅度随工作功率: AM/AM
器件不能提供 足够电流 , 造成输出 波形变化 (削波 ) ?φ

IOutput
D G S

输出信号 Q

相位随工作功率改变: AM/PM
VGS

线性转换特性
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VInput
输入信号



波形变化造成信号 零点移动 ,相位发生变化

非线性转换特性

通过一个实际的 GaAsMESFET 管工作的例子来说明当输入功率过大后 对器件输出信号的影响.为简化分析过程,先不考虑匹配电路对器件电压/ 电流关系的影响. 当放大器工作在线性区时,其电压/电流关系为平方率规律,直流工作点位 置可保证输出信号波形不发生失真. 当输入信号功率增加,而放大器电源不能提供足够电流时,会造成输出信 号出现削波.这种现象称为AM/AM转换. 信号的波形失真会引起信号中心值漂移,造成信号相位变化,这种现象称 为AM/PM 转换. AM/AM转换和AM/PM转换都会对输入信号的波形造成影响,如果输入信 号为调制信号,会导致信号调制质量恶化. 对于许多器件,当输入信号幅度发生变化时,输出信号相位的失真会比幅 度失真先发生,所以对许多器件AM/PM的测试更重要.

非线性交调失真
IDS IOutput

Q

VGS VInput
8 5 6 3 S P E C T R U MA N A L Y Z E R A k H z 26.5GHz 9

2nd
DUT

3rd
A-B
2nd

AB B-A

2nd

A

2nd 2nd

B

f

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器件非线性失真特性也可以通过交调失真测试来反映. 当给被测件输入两个单音信号,如果器件工作在线性区,其输出信号也应 为双音信号. 当器件进入非线性工作区时,会在输出信号中形成新的交调频率成份.其 中主要通过对三阶交调的测试来反映被测件的失真性能.

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 l 相对测试 l 输出1dB压缩点(绝对测试)

输入1dB压缩点
IF BW 3 kHz START 5 dBm SWP 4 20 msec STOP 15 dBm

测试功率 测试频率

CW 902 MHz

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工程中利用1dB压缩点指标来反映被测件的功率动态范围. 1dB压缩点指标通过器件的传输特性来得到定义,如上图所示, ,随输入功 率增加,理想线性器件的S21不会发生变化,实际器件的增益会减小.这里 定义使放大器增益下降1dB的输入功率为被测件输入1dB压缩点. 例子中,被测放大器工作在902M时,输入1dB压缩点为13.8dBm.既当输入 信号功率为13.8dBm时,放大器增益会下降1dB. 已进入非线性工作区.

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 dBm) )

压缩工作区

线性工作区 (slope = small-signal gain)

输入信号功率 (dBm dBm) )
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同样1现象也可以通过器件输出功率与输入信号功率的关系来得到反映. 该关系曲线斜率为器件的增益. 当放大器工作在线性区时,增益为常数并与输入信号功率无关,通常把这 个区域的增益称为“ 小信号增益 ” .当输入信号功率增加到一定值时,放大 器增益下降,也就是放大器出现压缩.在这一非线性条件下.如果输入为 CW正弦波形,放大器的输出不再是正弦波形.信号的一部分以谐波形式 出现,而不只有基波频率成份. 当输入信号功率进一步增加,放大器输出功率保持不变,放大器进入饱和 区.这时,放大器增益实际为零. 通过输出/输入功率关系测量可得到被测件输出1dB压缩点.

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 (PM out ) Mag (AM )
in

(deg/dB)

PM (deg)

Mag (PM out )

I Output Response
Time

AM to PM conversion can cause bit errors

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AM/PM转换指标也反映被测件的非线性特性.它是被测件输入信号幅度 变化引起的输出中出现不希望的相位偏移. 对于许多调相信号(PM;QAM)调制信息包含在信号的相位值中,如果对 该信号处理的器件中存在AM/PM现象,就会造成输出信号相位发生偏移. 使信号质量变坏.这个过程通过极坐标系上矢量图可以得到形象反映.

器件功率扫描测试指标
1:Transmission Log Mag 1.0 dB/ 2:Transmission /M Phase 5.0 deg/ Ch1:Mkr1 Ch2:Mkr2 Ref 21.50 dB Ref -115.7 deg -4.50 dBm 20.48 dB 1.00 dB 0.86 deg ? Gain

PInput

POutput

AM/AM 转换

2 1

POutput
2 1 Start -10.00 dBm Start -10.00 dBm
l
l



CW 900.000 MHz CW 900.000 MHz

1 Stop 0.00 dBm Stop 0.00 dBm

POutput
AM/PM 转换

Display phase of S21 AM - PM = 0.86 deg/dB 培训专用教材

器件(系统)AM/PM和AM/AM两项指标的测试都是在输入功率扫描状态 下进行测试. AM/PM转换指标定义被测件输入功率变化1dB时传输相位特性的变化. 单位为:(degree/dB).

对非线性器件信号失真指标的测试
l

信号源+信号分析仪测试项目 :
谐波失真 è交调失真 èCCDF对比 (器件 器件工作状态 工作状态测试结果 测试结果)
è

l

网络分析仪测试项目:
增益压缩 èAM /PM 转换
è
8 5 6 3 A S P E C T R U MA N A L Y Z E R 9k H z- 2 6 5 . G H z

LPF

DUT

LPF

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还有其他测试也反映器件性能随功率变化变化的特性.例如: 三阶交调, 输入/输出CCDF 对比等. CCDF(互补积累分布函数)反映信号的功率变化的统计特性.如果被测件 为线性,器件不会改变输入信号的功率统计特性. 器件1dB压缩点,AM/PM转换测试中,被测件激励信号为简单正弦波. CCDF 指标测试中,被测件激励信号为实际工作信号,如:各种复杂调制信 号. 关于网络分析仪测试基础知识可参考 “ Agilent 技术应用指南1287-1” .

Agilent 8753/8720 系列矢量网络分析仪
5.多通道测试结果显示 3. 仪表测试参数 2. 校准
4. 测试结果的显示

数字设定

测量结果读值 仪表管理, 混频器测试 时间域功能

1.仪表工作状态设定

测试端口 1

测试端口 2

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明确了网络分析仪表的测试对象和测试基本概念, 现在可以打开仪表进 行实际测试, 在实际测试中回顾前面所学习的基本概念. 在被测件测试之前,需要注意以下方面: 1. 仪表电源接地端必须具有良好接地 2. 仪表地,被测件地,操作员必须连接在同一个地上,防止三者间地电流 和静电危害. 3. 被测件输出功率大小, 防止过大功率信号损坏仪表.

8753 /8720 网络分析仪操作面板
接口形式 8753 (6G) (6G) APCAPC -7 8719 / 20 (20G) 3.5mm 8722 (40G) 2.4mm
PORT 1

测试接口
PORT 2

TRANS FWD REFL FWD

TRANS REV REFL REV

+26 dBm RF 30 VDC MAX PORTS 1&2 AVOID STATIC DISHCARGE

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要完成完整的网络分析仪测试,测试仪表需要三个部分: 1. 2. 3. 网络分析仪:提供测试激励信号,对被测件各传输和反射信号进行提 取,分析,处理,显示测量结果. 连接电缆: 完成被测件和仪表的连接 校准件: 对仪表进行校准,保证测试精度.

仪表标配为固定形式接口, 两个端口分别为; port1, port2, 选择测试S11, 就是指测试连接在port1端口的被测件反射特性. 当要对各种不同接口形式被测件测试时,需使用相应转接头和测试夹具.

网络分析仪表典型测试过程
1. 确定仪表工作状态
Stimulus
Frequency: Sweep Type: Number of Points: Power: Sweep Time: Receiver IF Bandwidth: Averaging: Smoothing: Cal Correction Start 30 kHz Stop 3 GHz Linear Frequency 201 0 dBm 200 msec 3 kHz Off Off Off

2. 校准 3. 选择测量参数 及读数

Cal Display
Meas: Format: Display mode: Scale: Reference: S11 on Channel 1 S21 on Channel 2 Log Magnitude Dual Channel Off 10 dB/div 0 dB, center of CRT

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网络分析仪的测试流程基本包含三个步骤: 1. 设置仪表工作状态, 如:仪表激励扫描方式, 测试频率范围, 测试功率, 测试点数, 接收机带宽等 2. 3. 校准, 通过对标准件进行测试,消除仪表测试系统误差. 选择测量参数及读值: 选择传输或反射参数测试, 确定传输 /反射参 数显示方式, 利用标识对测量结果进行读值判断.

网络分析仪 测试状态
Sweep Setup
SWEEP TIME [ ] SINGLE TRIGGER MENU NUMBER OF POINTS MEASURE RESTART COUPLED CH ON off CW FREQ SWEEP TYPE MENU NUMBER OF GROUPS CONTINUOUS TRIGGER TRIG OFF EXT TRIG ON SWEEP EXT TRIG ON POINT MANUAL TRG ON POINT TRIGGER MENU HOLD

STIMULUS
START CENTER STOP SPAN Power
Sweep setup

SWEEP TYPE MENU LIN FREQ

SINGLE/ALL SEGMENT MENU SEGMENT: START STOP

EDIT LIST MENU SEGMENT

EDIT LIST MENU SEGMENT: START STOP

LOG FREQ LIST FREQ

EDIT CENTER CENTER DELETE SPAN SPAN ADD NUMBER OF POINTS STEP SIZE CLEAR LIST NUMBER OF POINTS STEP SIZE

POWER SWEEP CW TIME

EDIT LIST RETURN

CW FREQ DONE DONE

CW FREQ

DONE

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网络分析仪表有两个基本工作状态, 功率扫描和频率扫描. 网络分析仪表的测试结果横坐标轴可分别定义为: 输入频率, 输入功率. 当网络分析进行频率扫描测试时,测试范围由 start(起始值), stop( 终止值 ) 确定,也可通过 center(中心值), span( 扫描宽度=stop-start)来设置. 此时激励功率应固定, 激励端口功率值. 通过power功能键控制. 同样,网络分析仪处于功率扫描状态时, 工作频率应固定, CW frequency 控键对频率进行设置. 分段扫描(Segment sweep) 是一种高效的测量扫描模式, 相关内容将在第 五章中讲述.

网络分析仪 测试状态
AVERAGING MENU POWER MENU
PWR RANGE AUTO man POWER RANGES SLOPE SLOPE on OFF SOURCE PWR on OFF CHAN PWR [COUPLED] PORT PWR [COUPLED] RETURN

POWER RANGES MENU
RANGE 0
?15 TO +10

POWER RANGES MORE MENU
RANGE 6
?75 TO ?50

AVERAGING RESTART AVERAGING FACTOR AVERAGING on OFF

RANGE 1 ?25 TO 0 RANGE 2
?35 TO ?10

RANGE 7
?85 TO ?60

RANGE 3
? 45 TO ?20

RANGE 4
? 55 TO ?30

SMOOTHING APERTURE SMOOTHING on OFF
PREVIOUS RANGES

RANGE 5
?65 TO ?40

MORE RANGES RETURN

IF BW [ ]

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功率控制菜单负责对仪表各端口功率的控制管理. AVG 菜单可设置网络分析仪接收机器带宽.这也是仪表测试的基本工作 状态参数.

数据设置
ENTRY

7

8

9

@ n

4

5

6

M ?

1

2

3

k m

ENTRY OFF

0

.

-

x1

Key Name G/n M/u k/m x1

Frequency GHz MHz kHz Hz

Power dBm

Power Slope dB/GHz

Time nanosec microsec millisec seconds

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旋扭, 数字, ??箭头三种方式都可以用于设置某项参数.

RESPONSE

网络分析仪 测试参数
S-PARAMETER MENU
Ref 1: FWD S11 (A/R) Trans: FWD S21 (B/R) Trans: REV S12 (B/R) Ref 1: REV S22 (A/R) ANALOG IN aux INPUT

MEAS

FORMAT

SCALE REF

DISPLAY

AVG
MKR Search

CAL
MKR FCTN

MKR
INPUT PORTS MENU

SCALE/REF MENU
A/R

CONVERSION MENU
OFF Z: Ref 1

FORMAT MENU LOG MAG

FORMAT MORE MENU REAL

AUTO SCALE

B/R

SCALE/DIV REFERENCE POSITION REFERENCE VALUE

A/B A

PHASE IMAGINARY DELAY SMITH CHART POLAR MARKER DELAY LIN MAG ELECTRICAL DELAY SWR MORE RETURN PHASE OFFSET

Z: Trans

Y: Ref 1 Y: Trans

B

MARKER REFERENCE

R ESTPORT 1 2 S PARAME TERS

1/S CONVERSION [ ] INPUT PORTS RETURN

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Meas 控键菜单负责选取测试结果为传输还是反射性能. Format 确定测量的传输或反射参数的表达形式, 例如: MEAS : S11, 1端口 f反射测试 FORMAT : Log Mag: 反射损耗 Smith Chart: Smith圆图, 阻抗值 SWR: 驻波比 Polar: 反射系数 MEAS: S21: 正向传输测试 FORMAT: Log Mag: 增益 /差损 Phase: 相位 Delay: 群时延 Scale: 控制测试结果显示结果的显示比例和位置, 一般情况下, 使用自 动设置 AUTOSCALE 可得到理想显示状态.

ACTIVE CHANNEL

显示参数模式

CH 1

CH 2

CH 3

CH 4

DISPLAY MENU DUAL CHAN on off DISPLAY: DATA MEMORY

DISPLAY MORE MENU SPLIT DISP on off BEEP DONE on off BEEP WARN on off ADJUST DISPLAY TITLE

ADJUST DISPLAY MENU INTENSITY

MODIFY COLORS MENU CH1 DATA LIMIT LN CH1 MEM

COLOR ADJUST MENU TINT

BACKGROUND INTENSITY MODIFY COLORS DEFAULT COLORS

BRIGHTNESS

CH2 DATA LIMIT LN CH2 MEM REF LINE GRATICULE TEXT WARNING

COLOR

DATA and MEMORY DATA/MEM DATA -M E M

SAVE COLORS D2/D1 to D2 on OFF FREQUENCY BLANK RETURN

RESET COLOR

DATA MEMORY MORE

RETURN

TEXT RETURN RETURN

TO TITLE MENU

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网络分析仪表可同时显示多个测试结果, 8753/20系列网络分析仪表具 有两个独立测试通道:CH1,CH2 , 每个独立通道可选择在相同或不同测 试状态下工作. 控制开关为: CH couple : on/off, CH couple=on: 独立通道测试 状态相同; CH couple=off: 独立测试通道可处于不同测试状态. CH3 为CH1 辅助通道, 这两个测试通道测试状态必须相同, 可设置显 示不同测量参数. 如: CH1: S11, CH3: S21. CH4 为 CH2 辅助测量通道. 利用 Data→ memory 功能键可将测量结果写入仪表内部寄存器内, 仪 表面板可选择显示实测结果,寄存器结果及两者运算值.这些功能可应用 于测试结果对比和归一化处理.

测试显示结果
Channel Meas Format Scale Reference Marker Values Marker Stats/ Bandwidth Area Message Area Status Indicators
CH1 S21 log MAG 12.72 dB/ REF -46.41 dB 1: -21.648 dB 137.000 000 Mhz

SAW FILTER CAUTION: INVALID KEY SCALE 2.72 dBM 1

SCALE/DIV REFERENCE POSITION REFERENCE VALUE MARKER REFERENCE MARKER DELAY ELECTRICAL DELAY

Softkey Menu Area

Cor

双通道显示结果显示
CH1 S21 200 mU FS 1: 79.934 mU -13.793 d

Active Entry Area Reference Indicator

Cor

CENTER 134.000 000 MHz

SPAN 48.000 000 MHz

CH2 S21 log MAG

10 dB/ REF -50 dB 1: -21.934 dB

1

134.000 000 MHz

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根据设置的测量参数, 测试结果会显示在显示屏幕上, 一些重要的测试 参数会直接也显示在屏幕上. 为方便对测试结果进行区分, 用户和在显 示结果中加入字符.

标识读数
? MODE MENU MARKER OFFSET MENU FIXED MKR STIMULUS FIXED MKR VALUE FIXED MKR AUX VALUE

? REF = 1
MARKER MENU MARKER 1 2 3 4 ALL OFF ? MODE MENU MKR ZERO MARKER MODE MENU

? REF = 2 ? REF = 3 ? REF = 4 ? REF =? FIXED MXR ? MODE OFF
FIXED MKR POSITION RETURN

MARKER MODE MENU MARKERS: DISCRETE CONTINUOUS

POLAR MARKER MENU LIN MKR

SMITH MARKER MENU LIN MKR

LOG MKR

LOG MKR

DISP MKRS ON off MARKERS: COUPLED UNCOUPLED RETURN POLAR MKR MENU SMITH MKR MENU RETURN

Re/lm MKR

Re/lm MKR

R + jX MKR

G + jB MKR

RETURN

RETURN

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标识(marker) 应用于测试结果读值. 仪表可以同时显示多个标识, 每个标 识激励位置可任意设置. 可利用?ΜΚΡ 进行相对测量.

标识读数
MARKER FUNCTION MENU MARKER START MARKER STOP MARKER CENTER MARKER SPAN MARKER REFERENCE MARKER DELAY MARKER SEARCH MENU SEARCH: OFF MAX TARGET MENU TARGET SEARCH LEFT SEARCH RIGHT

MIN TARGET WIDTH VALUE WIDTHS on OFF TRACKING on OFF RETURN

MKR SEARCH [ ] STATS on off

RETURN

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网络分析仪表具有标识搜索功能,自动对测试结果中最大值,最小值,及滤 波器3dB带宽等指标进行读取.

INSTRUMENT STATE SYSTEM LOCAL PRESET

仪表管理

COPY R

SAVE/ RECALL L T

SEQ S

HP-IB STATUS

SYSTEM MENU
SET CLOCK

LIMITS MENU
LIMIT LINE on off LIMIT TEST on off LIMIT MENU BEEP FAIL on off

EDIT LIMITS MENU
SEGMENT

EDIT SEGMENT MENU
STIMULUS VALUE MARKER STIMULUS

LIMIT TYPE MENU
SLOPING LINE FLAT LINE SINGLE POINT

OFFSET LIMITS MENU
STIMULUS OFFSET AMPLITUDE OFFSET MARKER AMP. OFS.

EDIT DELETE ADD

UPPER LIMIT LOWER LIMIT DELTA LIMITS MIDDLE VALUE MARKER MIDDLE DONE

TRANSMFORM MENU EDIT LIMIT LINE HARMONIC MEAS INSTRUMENT MODE SERVICE MENU LIMIT LINE OFFSETS RETURN

CLEAR LIST LIMIT TYPE DONE

RETURN

RETURN

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System 控键菜单中可对仪表工作模式;系统信息进行控制或读取. 其中重要的应用项目是控制网络分析仪进行混频器测试 ; 接收机工作模 式 ; 时间域功能 ; 测试结果极限值判断 ; 谐波测试 等项目测试.这些功能 会在后面相关章节中进行详细说明.

仪表参数存/取
SAVE/RECALL MENU
SAVE STATE RE-SAVE STATE DEFINE DISK - SAVE RECALL STATE RECALL KEYS MENU RECALL KEYS on off

DEFINE SAVE MENU
DATA ARRAY on off RAW ARRAY on off FORMAT ARY on off GRAPHICS on off DATA ONLY on off SAVE USING BINARY ASCII RETURN

RECALL KEYS MENU
RECALL REG1

FILE UTILITIES MENU
RENAME FILE DELETE FILE DELETE ALL FILES

RENAME FILE MENU
SELECT LETTER BACK SPACE

FORMAT DISK MENU
FORMAT INT MEMORY FORMAT INT DISK FORMAT EXT DISK

DONE DIRECTORY SIZE (LIF) FORMAT DISK ISTATE CONTENTS SAVE/RECALL MENU RETURN CANCEL ERASE TITLE FORMAT: LIF DOS RETURN

Save File Format
FILE UTILITIES SELECT DISK

Internal Memory Internal Disk ….

File type: Graphic Graph FMT: JPG Save File

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文件管理负责对测试状态,测试校准数据,测试结果进行存/取操作. 网络 分析仪表支持将测结果图形按JPG方式存入内部磁盘( inter Disk),方 便利用Office软件对网络分析仪测试结果进行处理。

网络分析仪控制信息参数
HP-IB MENU
SYSTEM CONTROLLER TALKER/ LISTENER USE PASS CONTROL SET ADDRESSES PARALLEL [ ] HP-IB DIAG on off DISK UNIT NUMBER VOLUME NUMBER

ADDRESS MENU
ADDRESS: 8753 PLOTTER PORT PRINTER PORT ADDRESS: DISK ADDRESS: CONTROLLER ADDRESS: P MTR/HPIB POWER MTR [ ] RETURN

PLOTTER PORT MENU
PLTR TYPE [ ] PLTR PORT HP IB PARALLEL

PRINTER PORT MENU
PRNTR TYPE [ ] PRNTR PORT HP IB PARALLEL

SERIAL:

SERIAL:

PLOTTER BAUD RATE XMIT CNTRL [ ] RETURN

PRINTER BAUD RATE XMIT CNTRL [ ] RETURN

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LOCAL控键下可设置网络分析仪HPIB 地址及 HPIB操作的信息. 关于8753/20系列网络分析仪详细操作指南,可参考 “8753/20系列网络分 析仪操作指南” .

第二章:: 网络分析仪工作原理 网络分析仪工作原理 第二章

è è è è è è

网络分析仪工作原理 网络分析仪组成框图 网络分析仪接收机性能 网络分析仪表测试动态范围 T/R 测试 S参数测试 多参数测试

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网络分析仪可完成器件传输/反射性能指标的测试, 那这样一台仪表是 怎么完成所有这些指标的测试的? 这是培训课程第二章要讨论的问题.

网络分析仪组成框图

功分器

接收机器信号 (正向测试) R: 输入信号 A: 反射信号 开关 B: 输出信号

R

INCIDENT (R)
B

定向耦合器

网络分析仪组成 网络分析仪组成

A

定向耦合器

接收机
Port 1

反射信号 (A)

传输信号 (B) DUT

Port 2

? 信号源 ? 信号源 ? 信号分离装置 ? 信号分离装置 ? 接收机 ? 接收机 ? 处理显示单元 ? 处理显示单元

正向
输入信号

反向
输出信号

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上图所示为网络分析仪内部组成框图. 为完成被测件传输/反射特性测 试,网络分析仪包含: 1.激励信号源: 提供被测件激励输入信号 2. 信号分离装置, 含功分器和定向耦合器件,分别提取被测试件输入和反 射信号. 3. 接收机: 对被测件的反射,传输,输入信号进行测试. 4. 处理显示单元; 对测试结果进行处理和显示.

网络分析仪传输测试 网络分析仪 传输测试信号流程 信号流程
输入源 LO 源 B :被测件正向传输特性 R R 输入参考信号 A
N*LO +/- IF

B

输出信号

传输
反射

RF

输入信号

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传输特性是被测件输出与输入激励的相对比值, 网络分析仪要完成该项 测试,需分别得到被测件输入激励信号和输出信号信息. 网络分析仪内部信号源负责产生满足测试频率和功率要求的激励信号, 信号源输出通过功分器均分为两路信号,一路直接进入R接收机,另一路 通过开关输入到被测件相应测试口,所以,R 接收机测试得到被测输入信 号信息. 被测件输出信号进入网络分析仪B接收机 ,所以,B接收机 测试得到被测 件输出信号信息. B/R: 为被测试件正向传输特性. 当完成反向测试测试时,需要网络分析 仪内部开关控制信号流程.

网络分析仪反射测试信号流程
输入源 R 输入参考信号 A 反射信号 LO 源 A :被测件输入端反射特性 R B

N*LO +/- IF
反射

传输

RF
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反射特性是被测件反射与输入激励的相对比值, 网络分析仪要完成该项 测试,需分别得到被测件输入激励信号和测试端口反射信号. 网络分析仪内部信号源负责产生满足测试频率和功率要求的激励信号, 信号源输出通过功分器均分为两路信号,一路直接进入R接收机,另一路 通过开关输入到被测件相应测试口,所以,R 接收机测试得到被测输入信 号信息. 激励信号输入到被测件后会发射反射, 被测件端口反射信号与输入激励 信号在相同物理路径上传播, 定向耦合器负责把同个物理路径上相反方 向传播的信号进行分离,提取反射信号信息.进入A接收机. A/R: 为被测试件端口反射特性.当需要测试另外端口反射特性时,需网络 分析仪内部开关将激励信号转换到相应测试端口.

信号源
提供被测件激励信号 l 具备频率和功率扫描功能 l 合成源实现
l

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

端口稳定点频输出 :
span=0Hz, max sweep time
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ALC 检测 ALC = 自动电平控制 (automatic level control)

信号源提供被测件激励信号,由于网络分析仪要测试被测件传输/反射特 性与工作频率和功率的关系.所以,网络分析仪内信号源需具备频率扫描 和功率扫描功能. 为保证测试的频率精度,现在网络分析仪内信号源采用频率合成方法实 现.当扫宽设置为零时,输出信号为点频CW信号. 网络分析控制其输出功率依靠ALC和衰减器两个部分完成. ALC 保证输 入信号功率的稳定和功率扫描控制,由于ALC控制范围有限,需衰减器完 成大范围功率调整.

8753 信号源输出 信号源输出功率 功率

POWER RANGES MENU
RANGE 0
?15 TO +10

POWER RANGES MORE MENU
RANGE 6
?75 TO ?50

POWER

RANGE 1 ?25 TO 0 RANGE 2
?35 TO ?10

RANGE 7
?85 TO ?60

RANGE 3

Source PWR(功率开关控制) : ON/Off CH Power coupler
( 多测试通道功率设置联动关系) :

? 45 TO ?20

RANGE 4
? 55 TO ?30

On/Off On/Off

RANGE 5
?65 TO ?40

Port Power coupler:
( 仪表测试端口功率设置联动关系) 培训专用教材

MORE RANGES RETURN

PREVIOUS RANGES

网络分析仪表输出信号功率范围被划分为许多段,段内功率调整靠ALC 完成, 跨段大范围功率调整依靠衰减器完成.网络分析仪输出信号绝对功 率精度可依靠功率校准来保证. 网络分析仪输出功率范围是有限的,在某些测试场合(功放测试)中, 需要 超过仪表输出范围的激励信号, 这可以通过外加设备扩展功率范围.要想 把外加设备变成网络分析仪一部分.网络分析仪需具有可配置测试座选 件(详细内容见Agilent 技术应用文献)。 网络分析仪测试过程中,功率默认设置状态是: 测试通道1(CH1 )与 测试通道2(CH2 )相同。端口1(PORT1 ) 与测试端口(PORT2 )相 同。在特殊测试要求下, 可将这些联动关系关闭。对各测试端口或测 试通道设置为不同功率设置。

信号分离装置
50 ? 6 dB
l

50 ?

6 dB

è

功分器 提供参考信号 è宽频率覆盖

Incident

Transmitted

DUT
SOURCE Reflected

Main signal
INCIDENT (R)

SIGNAL SEPARATION
REFLECTED (A) TRANSMITTED (B)

RECEIVER / DETECTOR

Coupled signal

定向耦合器 l 电桥 è 方向性 è低插入损耗
l

PROCESSOR / DISPLAY

Detector

Test Port

定向耦合器连接端点 : 反射特性测试点

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网络分析仪内部功分器和定向耦合器分别完成对被测件输入信号和反 射信号的提取.其中当要测试被测件某个端口反射特性时,必须将定向耦 合器直接连接在该测试端口上. 这两部分统称为信号分离装置, 这部分硬件也通常被测试为“ 测试座 ” ,在 一些特殊测试场合(大功率测试等)可不使用网络分析仪表一体化的内置 测试座,而使用外置测试座设备.

定向电桥

50 ?

50 ?
l

l

Detector

l l l

当测试端口接 50欧负载时,电桥 平衡,输出为零 . 阻抗变化时,电桥输出变化 输出结果包含幅度和相位信息 宽频率覆盖 方向性指标

50 ?

测试口

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电桥用于反射性能测试,电桥可覆盖很宽频率范围,电桥的主要缺点是对 传输信号有较大损耗.因此对于给定的信号源功率.结果导致输入到被测 件的功率损失.

定向耦合器正向传输特性
耦合输出 (正向传输 ) -20 dBm .01 mW


Z0 0 dBm 1 mW ? .046 dBm .99 mW

20 dB 耦合器
耦合度指标 (dB) = -10 log

P

正向耦合

P 输入
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定向耦合器负责分离反射测试中的激励信号和反射信号,这个功能也可 由电桥完成,与定向耦合器相比,电桥可覆盖更宽的频率范围,单其对测试 的传输信号有较大损耗. 定向耦合器是三端口器件:其三个端口为 : 输入端,输出端和耦合端. 在反射测试中之所以需要定向耦合器,是利用定向耦合的定向传输特性. 当把信号由定向耦合器输入端接入时,耦合端有耦合输出,此时称为正向 传输,定向耦合器相当于不均分功率分配器. 在正向传输中,耦合器耦合输出与输入功率比值比定义为耦合度.

定向耦合器反向传输特性
耦合端 (反向传输) -50 dBm .00001 mW
有限隔离度指标造成反射测试 误差


Z0 0 dBm 1 mW ?.046 dBm .99 mW Example of 20 dB Coupler "turned around" 隔离度 (dB) = -10 log

P反向耦合
P输入

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对于理想定向耦合器,当信号由耦合器输出端接入反向工作时,耦合端没 有输出.这是因为输入功率被耦合器内部的负载和主臂终端外接负载所 吸收, 这就是定向耦合器的单向传输性. 实际定向耦合器反向工作时,耦合端会有泄露输出, 反向工作时耦合端输 出与输入信号功率比定义为定向耦合器隔离度.

定向耦合器指标: 方向性 (Directivity)
方向性 = Coupling Factor (fwd) x Loss (through arm) Isolation (rev) 方向性 (dB) = 隔离度 (dB) –耦合度 (dB) –差损 (dB)
50 dB 20 dB Test port

举例 Directivity = 50 dB - 20 dB = 30 dB
定向耦合器方向性测试简易方法
短路(全反射 )连接: 测试耦合度
10 dB

匹配负载 (无反射)连接: 测试隔离度

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对定向耦合器测试的重要指标为其方向性(Directivity), 方向性为定向耦 合器反向工作隔离度与正向工作耦合度差值.方向性指标反映耦合器分 分离正反两个方向信号的能力.可以被视为反射测试的动态范围. 测量定向耦合器有一种简易方法,不需要正向和反向连接测试.当定向耦 合器内部负载损耗功率相当小时,该方法得到的结果与真实值相近. 首先,在主臂输出端接一个短路负载,由于全反射,耦合端输出反映耦合度, 对该值进行规一化处理后端接匹配负载.此时耦合端只是有限隔离度引 起的泄露信号.因为已经进行了规一化处理,最后读值就是耦合器方向性.

定向耦合器用于器件反射性能测试 定向耦合器用于 器件反射性能测试
Directivity 方向性反映 反映定向耦合器 定向耦合器分离两个相反传输方向信号的能力 分离两个相反传输方向信号的能力.
( 入射信号泄漏 ) ( 被测件反射方向 )

(定向耦合器输入端) 被测件端口

定向耦合器
输入方向 反射方向

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反射测试中, 定向耦合器对于被测件反射信号而言是正向连接,定向耦合 器耦合端输出反映反射信号信息.

定向耦合器方向性造成反射测试误差
0 DUT RL = 40 dB Return Loss Device Data Max Directivity Device

Add in Phase

30

Frequency 60 Device Data Min Data ≈ 0 Directivity

Directivity

Cancel

Data = Vector Sum

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
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网络分析仪测试反射特性时,由于定向耦合器有限的方向性影响,耦合器 耦合端会包含泄露的输入激励信号,该信号会与反射信号进行矢量叠加, 造成反射指标测试误差. 被测件匹配性能越好,定向耦合器方向性对测试影响越大.

网络分析仪接收机
Fc = 1.041667 MHz Fc = 41.667 kHz

R A
Phase Lock RF Source

ADC

ADC

DSP

B
1 MHz 合成本振 10.041667 MHz to 3 GHz (B1-B6)

ADC

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由功分器,定向耦合器及输出端得到的信号输入到相应接收机进行处理, 为对这些信号进行分析,网络分析仪内置多台接收机. 网络分析仪是一个包含激励源和接收设备的闭环测试系统.

接收机信号处理方法
SOURCE

Incident

Transmitted

DUT
Reflected

二极管检波器 (标量网络分析仪)
幅度信息
DC RF AC

SIGNAL SEPARATION
REFLECTED (A) TRANSMITTED (B)

INCIDENT (R)

RECEIVER / DETECTOR

PROCESSOR / DISPLAY

调谐接收机 ( 失量网络分析仪)
RF IF = F LO ±F RF

ADC / DSP
IF Filter

幅度 +相位信息

LO 培训专用教材

网络分析仪中检测信号主要有两种基本方法. 方法1: 二极管检波,二极管检波提取射频信号输入包络电平,输出电压反 映输入信号功率.如果输入信号为连续CW信号,为DC检波,如果输入为幅 度调制信号,为AC检波.二极管检波只反映信号幅度信息,丢失了射频载 波信号的相位信息. 方法2: 调谐接收机.调谐接收机将输入信号进行下变频后通过 ADC变为 数字量后处理.这样可以得到信号的相位和幅度信号.

标量网络分析仪使用检波器
反射测试状态
R F R A B

Detector
l l l l l

宽带接收机 ,无选频功能 经济 便于测试混频器件 接收机灵敏度有限 标量网络分析仪动态范围有限

Bridge
DUT

Termination

传输测试状态
RF R A B

Detector Detector
DUT

Agilent 8757D
10 MHz
培训专用教材

26.5 GHz

如果您使用过功率计,就会了解检波器测量信号的特点.首先检波器是宽 带功率测试,既如果检波器工作频率范围是10M至18G,其功率显示结果 应为该频率范围内存在的所有信号功率和,而没有选频测试功能.由于这 个原因,使用检波器的标量网络分析仪会对被测件输出端的失真及杂波 信号没有区分能力,而会造成错误测试结果. 但标量网络分析仪对变频和非变频的被测件使用相同的方法进行测试. 检波器能检测的功率范围是有限的,例如为:-50dBm~10dBm, 这会限制 标量网络分析仪测试的动态范围.

调谐接收机的特点
ADC / DSP

高灵敏度接收机 l 网络分析仪大测试动态范围 l 对被测件输出杂波 / 谐波有抑制作用 l 接收机灵敏度与其带宽有关
l

10 MHz
培训专用教材

26.5 GHz

调谐接收机由于中频信号要通过带通滤波处理,由于检波器带宽测试模 式,这种无选频测试会造成大测试噪声带宽(20G), 而调谐接收机的中频 带宽可小至1KHz,这样可保证接收机有很好的测试灵敏度,而且对被测 件输出信号中杂波失真成分有很好抑制作用. 调谐接收机灵敏度度与其设置中频滤波器带宽有直接关系,中频带宽越 窄,进入接收机噪声能量越少,灵敏度相应提高,但输出信号响应时间会变 长,网络分析仪测试速度会下降. 窄带接收机网络分析仪中频滤波器带宽为测试基本设置参数之一,其设 值是在测试精度和速度间折衷.

网络分析表动态范围对测试结果的影响
宽带接收机
0 dB 0 dB

窄带接收机

-50 dB

-50 dB

-100 dB 灵敏度: -60 dBm
l l

-100 dB 灵敏度: < -100 dBm
l l

接收机噪声高,测试动态范围小 激励信号谐波造成虚假频响测试结果

大测试动态范围 对激励信号谐波有抑制作用

网络分析仪测试动态范围 = 被测试件输入功率 - 接收机灵敏度
扩大网络分析仪测试动态范围方法 : 1. 提高被测件输入功率 2. 提高接收机灵敏度 培训专用教材

这是同一个被测件分别利用检波器和调谐接收机测试结果的对比. 例子中,被测件为一滤波器, 当对滤波器带外抑制性能进行测试时, 此时, 网络分析仪输出的激励信号受到滤波器的抑制作用变为小信号, 滤波器输出= 输入信号功率0dBm - 波波器带外抑制度 100dB= -100dBm. 如果检波器灵敏度为-60dBm, 不能检测到-100dBm实际信号,测试结果 不能真实反映测件指标. 与检波器相比,调谐接收机有很小检测带宽,从而检测灵敏度高,可真实得 到被测试件指标. 采用调谐接机的矢量网络分析仪,可通过增加输出功率 ,减小中频带宽或 利用平均功能 (Avg) 来扩展测量动态范围.

调谐接收机
混频器前端 ADC / DSP

源 ,接收机一体化测试仪表 l 失量网络分析仪表 l 幅度 ,相位信息测量 l 误差矢量校准 l T/R,S参数及可配置测试座
l

8753/8720 特点 :

滤波器

采样器前端

S

ADC / DSP

Harmonic generator

f frequency "comb"

接收机 BW:
IF BW: 10Hz~6kHz

Avg
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{

接收机灵敏度

测试时间

Agilent 8753,8720系列网络分析仪都是采用调谐接收机的高性能矢量网 络分析仪.其接收机测试灵敏度度较高,可满足各种被测件测试动态范围 要求. 调谐接收机可使用混频器和采样器两种方式实现器前端变频功能. 采样器(Sampler)是利用二级管对输入射频信号按脉冲进行抽取处理,采 样器可以认为是内部有脉冲发生器的混频器,脉冲发生器产生由本振谐 波组成的宽带频谱(梳状谱),输入射频信号与梳状谱线之一信号进行混 频产生中频输出. 采样器变频电路要求的本振信号只需覆盖较窄的频率范围,其缺点为为 锁定不同的梳状谱线需进行复杂的锁相处理,而且与混频电路相比,其所 有梳装谱线的噪声都会变换到中频信号中,灵敏度要差一些.

激励源和窄带接收机同步的方法
(锁相环)
Synthesizer 15 MHz to 60 MHz
996 kHz

MUX
Reference

φ detector
300 kHz to 3 GHz

RF Test Set R S

4 kHz

B

S

4 kHz

Phase Lock

A

4 kHz S

DUT

ADC

CPU

Display

Digital Control Source Test Set Receiver

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网络分析仪是综合激励和接收的闭环测试系统,采用窄带调谐接收机的 矢量网络分析仪工作时,信号源产生激励信号,接收机应在相同频率对被 测件响应信号进行处理,激励源和接收机工作频率的变化应该是同步变 化的.网络分析仪是依靠锁相方法 来完成该功能. R通道接收机中频信号会与固定参考信号进行鉴相,鉴相误差输出用于 压控改变激励源输出频率,这样当接收机本振频率扫描变化时,锁相环会 控制激励源保持频率同步变化.当R通道接收机工作不正常时,网络分析 仪会出现失锁现象.

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)

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网络分析仪测试精度与仪表接收机性能有关。接收机灵敏度度反映其 工作性能, 接收机灵敏度越高,网络分析测试精度越好.
图中,坐标横轴是网络分析仪接收机中接收信号与干扰噪声信号的幅度比值, 纵轴为仪 表幅度测试精度和相位测试精度. 从关系曲线规律看, 接收机内部干扰噪声越小, 其工 作动态范围越大,则测试误差越小.

具体读数时,例如测试精度要求为: 被测件指标动态范围=80dB; 幅度误差<0.1 dB ; 相位误差< 0.6 degree

为满足该被测件动态范围和测试精度要求, 相应仪表接收机内部干扰噪 声信号需比接收信号小 39 dB, 既仪表测试动态范围要求为>80+39=119dB.

ET/ES 测试装置的区别
ET: 传输/反射测试装置
Source Source

ES: S参数测试装置

Transfer switch

R A B A

R B

Port 1

Port 2

Port 1

Port 2

Fwd
l l l l

DUT
l l l l

Fwd

DUT

Rev

信号单方向传输 ,单向指标测试 信号单方向传输 ,单向指标测试 port2 2:传输信号接收端 :传输信号接收端 port l port 2 点误差不能通过校准消除 l port 2 点误差不能通过校准消除 l 可完成response, one-port 校准 l 可完成response, one-port 校准 l 经济性 l 经济性
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信号双向传输 信号双向传输 正向 ,反向指标同时测试 正向 ,反向指标同时测试 l S 参数一次测试完成 l S 参数一次测试完成 l two-port 校准,消除 port2 端口误差 l two-port 校准,消除 port2 端口误差 l 精度高 l 精度高

Agilent8753/8720系列网络分析仪分为两个基本类别系列, ET和 ES系列。 物理上ET系列网络分析仪没有信号控制开关,激励信号只能从仪表 PORT1 输出, 当然只能完成被测试件单向性能指标测试. 另外,由于 PORT2 误差不能通过校准消除,ET系列仪表的测试精度会比 ES系列差, 但其价钱较ES系列便宜。

网络分析仪 3接收机/4接收机结构
Source Source Transfer switch Transfer switch

R A B A

R1 B

R2 Port 1 Port 2 Port 1 Port 2

3 receivers
l l

4 receivers
高精度 TRL, LRM 校准 l 选件 è 8720ES (opt. 400) è 标配: 8510C, PNA 系列
l l

经济 支持TRL*, LRM* 校准 标配 : è 8753ET/ES è 8720ET/ES

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Agilent8720ES 网络分析仪可配置为四台接收机组成,这样可使网络分析 仪在校准时能消除正反向测试中的不对称性,支持TRL校准. 从而提高测 试精度。

8753/8720 直接接收机接入
(Direct Receiver Access)
Source

网络分析仪 灵活的测试配置方式
8753ES opt 014 8720ES opt 012

Reference Receiver

R Switch

A

B Measurement Receivers

R Out

R In

Source Cplr Port 1 Cplr Out Thru Arm

A In

B In

Cplr Arm

Port 2 Cplr Thru

Source Out

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Agilent 8753/20网络分析仪都支持灵活配置选件 , 选用该选件后能使网 络分析仪的定向耦合器的输入/输出;激励信号源输出;接收机输入端 口开放,用户可根据测试要求对仪表的测试信号流程和信号参数进行 处理或更改。

显示处理单元
Incident Transmitted
H
5 0 M H z - 20GHz NETWORK ANALYZER ACTIVE CHANNEL ENTRY

DUT
SOURCE Reflected

R E S P O N S E

R STIMULUS INSTRUMENT STATE

CHANNEL

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

T HI P B S T A T U S

R

L

S

PORT 1

PORT 2

RECEIVER / DETECTOR

PROCESSOR / DISPLAY

CH1 CH2 PRm Cor

S 21 S 12

log MAG log MAG

10 dB/ 10 dB/

REF 0 dB REF 0 dB

1_ -1.9248 dB 1_ -1.2468 dB 839.470 000 MHz

Duplexer Test - Tx-Ant and Ant-Rx 1 1

l l l l l

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 … … … ..

Hld PASS 1 880.435 000 MHz

PRm Cor 2

Hld CH1 START 775.000 000 MHz CH2 START 775.000 000 MHz

PASS STOP 925.000 000 MHz STOP 925.000 000 MHz

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网络分析仪的显示处理部分完成对测试结果的管理及按照相应方式显 示测试结果.并可完成对测试结果进行合格判断等功能.

测试通道(Channel)和测试轨迹线(Trace)
Channel 1
窄频带扫描

Channel 2
宽频带扫描

Channel 3
功率扫描

S11

S21

S21

S21

Trace1 Trace2 Channel: 不同测试状态定义
(如 : CH1: 频率扫描 ; CH2: 功率扫描 ) Trace1: S11 测试 , Trace2: S21 测试 )

Trace: 相同测试状态定义
(如 :

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网络分析仪可同时完成多项指标的测试.Agilent 8753/8720系列网络分 析仪可支持两个独立测试通道,这两个通道的测试状态可完全不同.而针 对每个独立测试通道有一个辅助通道,可在相同测试状态下显示不同测 试参数. 关于网络分析仪工作原理详细内容,可参考“ 用指南1287-2” . Agilent 技术应

频谱分析仪+跟踪发生器完成频响测试
RF in

IF
DUT

LO
S P E C T R U MA N A L Y Z E R 8 5 6 3 A 9k H z- 2 6 5 . G H z

频谱分析仪 Spectrum analyzer
TG out

f = IF

跟踪发生器 Tracking generator

跟踪源测试的特点 :
l l l l

DUT

单通道测试 标量测试 ,无相位信息 . 可通过归一化处理消除系统频响误差 . 测试非变频器件 .
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频谱分析仪表是测试微波/射频信号的通用仪表,通过增加一个激励信号 源可完成网络分析仪闭环测试功能.但其测试精度比网络分析仪要差.

第三章:: 网络分析仪测试误差及校准 网络分析仪测试误差及校准 第三章

l

网络分析仪表测试基本概念
è è è è

网络分析仪测试误差模型 校准原理 单端口校准/双端口校准 非插入器件测试时的校准

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通过对网络分析仪工作原理的了解,由于不可能实现没有任何误差的理 想硬件器件,网络分析仪在测试被测件会存在测试误差, 本章内容讨论网络分析仪测试中存在的误差及消除误差的校准方法.

网络分析仪测量误差
系统误差
l l l l

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: è设备噪声 è开关重复性 è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
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随机误差
l l l

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
l l l

网络分析仪测试过程中的误差主要分为三类: 系统误差,随机误差,漂移 误差. 系统误差是由于仪表内部测试装置的不理想引起,它是可预示和可重复 出现的.假设是不随时间变化的.从而可以定量进行描述,可在测试过程中 通过校准消除. 随机误差是不可预示的,因为它以随机形式存在,会随时间变化,因此不能 通过校准消除,随机误差的主要来源为:仪表内部噪声 (如; 激励源相位噪 声; 采样噪声;中频接收机本底噪声等),开关动作重复性 ; 连接器重复性. 漂移误差是仪表在校准后测试装置性能漂移.漂移误差主要是由于温度 变化造成,可通过进一步校准消除.校准后仪表能够保持稳定精度的时间 长短取决与测试环境中仪表的漂移速度.

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
l l

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
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网络分析仪校准可消除测试中的系统误差. 分析一下反射测试过程中网络分析仪存在的系统误差. 网络分析仪在扫频状态下工作,无论是仪表内部设备还是外接的测试电 缆等在工作频带范围内其特性都会存在变化,这些与频率变化相关的测 试误差称为“频响误差 ” , 也被称为 “跟踪误差 ” . 由于定向耦合器有限方向性造成的误差为方向性误差,方向性误差信号 会叠加在真实的反射信号上,造成测试误差. 当被测件端口匹配性能好时, 方向性误差对测试影响较大. 反射指标测试过程中,反射信号通过传输路径返回仪端口,仪表端口阻抗 与传输线间会存在失配,该失配会造成信号二次入射,最终在传输路径中 的信号的多次入射,相应又形成多次反射,这项误差称为源失配误差.被测 件匹配性能越差,该项误差对测试的影响越明显. 同样, 被测件输出的传输信号也会由于接收端阻抗失配造成反射,该信号 会通过被测件的反向传输而叠加在真实反射信号上,从而形成负载失配 误差. 如果被测件反向传输隔离性能较差,负载失配误差的影响较大. 在网络分析仪内部R;A;B接收机因分别反映测试的输入,反射及传输信 号, 但这些接收机之间会存在信号串扰,对于高隔离被测件(开关;隔离器; 大范围衰减器),该项误差影响明显.

隔离误差 (Crosstalk , Isolation)
信号在测试仪表各通道间信号串扰 对以下器件测试影响较大 : è高隔离器件 (隔离器 ,开关) è大动态器件(滤波器 ) l 使用隔离校准 :
l l
è è è è è è

DUT

一般测试时 ,仪表测试动态范围可保证测试精度 ,可不使用隔离校准 . 测试高隔离 ,大动态围器件时使用 . 校准过程中 ,测试接收机内部的噪声电平 使用平均处理 ( averaging) 如果串扰与被测件有关 如果串扰与 被测件有关 ,隔离校准时 ,将被测件和负载 一齐与测试端口连接进行 . 如果串扰与被测件无关 如果串扰与 被测件无关 ,隔离校准时 ,只将 只将负载 负载与测试端口连接进行 与测试端口连接进行

LOAD

DUT

DUT

LOAD

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串扰误差 (隔离误差)是由于仪表内部各测试接收通道间信号互相干扰 引起. 隔离校准是在小测试功率环境下完成,常在接近系统的本底噪声情况下 进行, 由于这个原因, 一般情况下可跳过隔离校准过程,而不会对测试精 度造成影响. 确定进行隔离校准,,如果串扰与被测件匹配无关,隔离校准过程中可使用 两个匹配负载,并启动扫迹线平均功能. 如果串扰与被测件匹配有关, 校准中应接入被测件完成.

反射测试误差举例:

负载失配 18 dB (.126)

方向性误差 40 dB (.010)

被测件性能

反射损耗 : 16 dB (.158) 差损 : 1 dB (.891)

.158

(.891)(.126)(.891) = .100

测量不确定度: -20 * log (.158 + .100 + .010) = 11.4 dB (-4.6dB) -20 * log (.158 - .100 - .010) = 26.4 dB (+10.4 dB)

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通过举例来说明网络分析仪系统误差对一个滤波器输入端反射损耗指 标测试的影响. 假设: 则: 由于方向性误差引起的误差信号电压幅度应为: 0.01(功率比值 :40dB), 负载失配造成的误差信号电压幅度为 0.1. 这些误差信号会与真实反射信号矢量叠加.在两种极端相位状态下可得 到测试不确定度. 激励信号电压幅度为1,

网络分析仪的测试误差模型
Ideal RF in S11M S11A

单端口误差模型:
l l

被测件输出口端接匹配负载 被测件输出口连至网络分析仪表, 被测件有较高 反向隔离性能 .
ED = 反向性误差 ERT = 反射跟踪误差 ES = 源失配误差 S11A S11M = 测量值 S11A =被测件真实值

Error Adapter 1 RF in S11M ED ES ERT S11M = ED + ERT S11A 1 - ES S 11A

To solve for S11A , we have 3 equations and 3 unknowns

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网络分析仪校准的目的是消除测试的系统误差. 校准的思路是通过对标 准件的测试得到网络分析仪系统误差项的具体数值,然后通过计算对被 测件测试结果进行修正处理,消除其中误差成份,得到被测件真实值. 上图为网络分析仪反射测试时系统误差的数学模型, S11M网络分析仪 的实际测试值,其中包含各项测试误差, 具体测试误差有: ED;ERT;E 等,仪 表校准目的是通过计算消除这些误差项的影响,得到S11A.
S

为得到ED;ERT;E 通过测试标准件完成,由于要确定三项误差,所以单端口 校准要测试三个标准件.联立方程组得解.
S ,

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

Data/mem Data/ mem) )
l

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

thru

矢量校准
需要测试更多校准件 è可消除更多误差项目 è要求矢量测试能力
è

OPEN

S11A
LOAD

S11M
thru

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校准过程就是通过测试标准件测试系统误差的过程,根据校准消除误差 项的不同,网络分析仪校准主要分为频响校准和矢量校准. , 消除误差项 目的个数与测试的标准件数目相同. 频响校准只测试一个标准件,校准过程较简单.但只可确定频响误差一项 误差.频响校准的过程相当于测试归一化过程.既先将测试结果存入存储 器中得到参考线, 然后用被测件测试结果与其比较.这样可消除参考线中 系统误差影响. 矢量校准要求网络分析仪具有幅度和相位测试能力.它要求测试多个标 准件,从而可消除更多误差项.

校准的概念
SHORT
l

校准网络分析仪误差的过程 è 测量参数已知的标准件 ,得到误差项 è 将测试结果中误差项成份消除

OPEN

l

反射测试
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 è 1- port 单端校准 消除 3项误差
è

LOAD

l

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 Enhance Cal= S11 one port + through CAL 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

l l

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矢量误差校准是通过已知标准件的测试来得到仪表误差项的过程. 仪表有两个连接端口,每个端口都存在误差.单端口校准( One Port CAL) 可消除校准端口的所有系统误差(方向性误差; 源失配误差; 反射跟踪误 差). 当网络分析仪用于被测试件全部传输/反射性能测试时,仪表需对所有端 口和传输连接线进行校准, 双端口校准( Two Port CAL)能消除12项系统 误差.双端口校准过程中需要使用四种校准件,进行7次连接测试.

开路校准的问题
Fringing Capacitance

边缘电容
Shielded Open

开路校准件 : 屏蔽开路
Capacitance of 7 mm Open Circuit .09285 .12 C(pF) .09 .06 .03 0 3 6 9 f(GHz) 12 15 18 .12226 pF

C = C0 + (C1 * F) + (C2 * F2) + (C3 * F 2)

使用开路校准件 : 满足 满足射频开路 射频开路条件 条件

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校准过程中会使用开路校准件(OPEN),它包含金属传输延伸线和中心介 质竿. 使用专门开路件是因为在测试线端面,虽然满足直流开路,但对于射频和 微波信号,存在中心导体到周围屏蔽层的辐射,这种现象等效为电容特性. 所以测试线端面不接任何负载.只能满足直流开路,而对高频信号,只相当 于电容特性.电容值与物理尺寸和工作频率有关.

滑动负载(Sliding Load) 校准件的 使用
1 Port 1 a1 ESF EDF b1 ERF
负载 S11A 不同负载 阻抗状态 不同负载 实际方向性

Z0 50 Ohms S11A = 0

匹配负载校准 8 仪表方向性误差
S11M = b1 (0)ERF = EDF + = EDF a1 1 - ESF(0)

实际方向性

寄生误差

测量方向性

固定负载 带来校准误差

滑动负载 消除校准误差

Z0 Transmission Line

滑动负载校准件

Tapered Z0 Moving load

Adjustment Lock Nut

l改变负载相对参考面的位置 l改变负载的相位

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匹配负载校准主要是得到仪表方向性误差。 对于8720系列网络分析仪,当测试频率很高时,微波频段匹配负载阻 抗值会发生变化,这会造成校准的误差。当测试精度要求高时,需要 使用滑动负载进行校准,滑动负载校准件相当于相位变化的固定负载, 通过多个测试位置(至少3个)的测试可消除非理想负载对校准的影响。

校准的过程
1. 校准件选择(Cal Kit): 确定 标准值 2. 校准方法选择(Cal Menu): 确定消除误差 项目 3. 校准件测试: 得到 测试值, 计算 误差值 4. 存盘: 将测试误差及测试状态参数保存, 5. 通过对被测件测试值进行修正,消除网络 分析仪测试误差,得到被测件修正值
注解: 端口极性定义 =测试端口极性 ( 不是校准件极性 )
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标准件真实值数据被定义在cal kit数据文件中,该文件储存在仪表内部, 为进行正确校准过程,校准件选择必须与实际使用校准件相符. 校准过程中仪表会提示连接相应校准件,当将校准件连接接到相应端口 后,按下仪表菜单中对应按键,注意测试极性(Male/Female)的选择应依据 测试端面来定义,而不是依据校准来定义. 仪表然后进行测量和计算. 校 准结束后,需将计算得到的误差数据进行存储,以便下次测试调用.仪表在 变化的工作条件下(改变工作温度,外围连接电缆等),测试误差会发生改 变,需要重新进行校准. 仪表进行校准的接口端面在校准完成后称为校准面,在该端面上传输特 性应为: 端口阻抗特性阻抗; 增益=0dB; Phase=0 degree. 当被测件可以和校准面直接连接时,测试精度为最高.

校准操作步骤
CORRECTION MENU CALIBRATION MENU CALIBRATE: NONE RESPONSE SELECT CAL KIT MENU CAL KIT: 7mm 3.5mmC POWER METER CAL MAIN MENU PWRMTR CAL OFF EACH SWEEP CALIBRATE MORE MENU PORT EXTENSIONS VELOCITY FACTOR SET Z?

3. 校准开/关 3. 校准内插 开/ 关 2. 校准方式 校准测试 校准排序

CORRECTION on off INTERPOL on OFF CALIBRATE MENU RESUME CAL SEQUENCE ECAL

RESPONSE & ISOL'N S11 1-PORT S22 1-PORT FULL 2-PORT ONE- PATH 2-PORT TRL*/LRM* 2-PORT

3.5mmD

ONE SWEEP

N 50?

TAKE CAL SWEEP NUMBER OF READINGS PWR LOSS on OFF LOSS/SENSR LISTS RETURN TESTSET SW CONT hld ALTERNATE A AND B CHOP A AND B RETURN

N 50?

1. 校准件选择 功率校准

CAL KIT [ ] PWRMTR CAL [ ] MORE

USER KIT

MORE

RETURN

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网络分析仪在校准时设置测试状态应该和被测件实际测试状态相同。 这些测试状态包含: 频率范围;功率;测试点数;接收机带宽;扫描 时间等。 在校准后改变测试参数设置,将会使测试精度降低或校准关闭。

校准方法总结
反射测试
l

(one-port)

ET

消除误差项目 ES

(two-port)

反射频响误差 方向性误差 源失配误差 负载失配误差

l

l

l

传输测试
可消除的测试误差 不可消除的测试误差
传输频响误差 串扰误差 源失配 负载失配 (
*)

Test Set (cal type) ET ES
(response, isolation)

(two-port)

l

l

* enhanced response cal

l

l

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ET系列网络分析仪由于激励信号只能从单个端口输出,所以只能通过校 准消除单个端口误差. 反射测试中可选择进行频响校准单端口校准,在频响校准过程中,选择短 路件能满足理想全反射条件.

双端口校准的数学模型
正向测试
Port 1 Port 1 EX S 21A S 11A S 22 A S 12 Port 2 E TT EL b2 a2 a1 b1 E TT'
A

反向测试
Port 2 E RT' S 21 E L' S 11
A A A

a1 b1

ED

ES

S 22

E S'

E D'

b2 a2

E RT

S 12 A E X'

ED = Fwd Directivity E S = Fwd Source Match ERT = Fwd Reflection Tracking E D' = Rev Directivity E S' = Rev Source Match E RT' = Rev Reflection Tracking

E L = Fwd Load Match E TT = Fwd Transmission Tracking EX = Fwd Isolation EL' = Rev Load Match ETT' = Rev Transmission Tracking EX' = Rev Isolation

S11a =

? ED ? ED ' ? E X S12m ? E X ' S S S ( 11m )(1 + 22m E S ' ) ? E L ( 21m )( ) E RT E RT ' ETT E TT ' S11m ? E D S22m ? E D ' S21m ? E X S12m ? E X ' (1 + E S )(1 + ES ' ) ? E L ' E L ( )( ) ERT E RT ' E TT E TT ' S ? EX S ? ED ' ( 21m )(1 + 22m ( E S '? E L )) E TT E RT ' S22m ? E D ' S ? E X S12m ? E X ' E S )(1+ E S ' ) ? E L ' E L ( 21m )( ) E RT ' E TT E TT '

S 21a =
(1 +

S11m ? E D E RT

l l

每个 S 参数测试与其它 3个 S参数有关 每个 S 参数测试需要进行正反双向测试

S12 a =

? EX ' ? ED S S ( 12m )(1 + 11m (E S ? E L ' )) E TT ' E RT ? ? ? E X S12m ? E X ' S11m E D S22m E D ' S + + ? (1 E S )(1 E S ' ) E L ' E L ( 21m )( ) E RT E RT ' E TT E TT ' ? ED ' ? ED ? E X S12m ? E X ' S S S ( 22m )(1 + 11m E S ) ? E L ' ( 21m )( ) E RT ' E RT E TT E TT ' S11m ? E D S22m ? E D ' S21m ? E X S12m ? E X ' (1 + E S )(1 + ES ' ) ? EL ' EL ( )( ) E RT E RT ' E TT E TT '

S 22 a =

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双端口校准是网络分析仪最精确的误差校准方法,因为双端口校准可消 除仪表全部的系统误差. 上图所示为二端口器件测试中误差的模型.可以 看到由于二端口器件存在正反传输特性, 所以器件某端口的匹配情况会 对另外端口的测试造成影响. 所以当双端口校准后,仪表只测试某项指标(S11)时也要进行正反两个方 向扫描,得到所有S参数.

双端口校准过程

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双端口校准是网络分析仪最精确的误差校准方法,校准过程中需要至少7 次连接校准件,通常测试中,隔离校准可以忽略.

双端口校准 (Two Two-port Cal) 消除网络分析仪所有误差
校准后误差项 : Directivity = 47 dB Source match = 36 dB Load match = 47 dB Refl. tracking = .019 dB Trans. tracking = .026 dB Isolation = 100 dB 被测件性能 1 dB loss (.891) 16 dB RL (.158)

反射测试不确定度
S 11m = S11 a ± ( E D + S 11 a 2 E S + S 21a S12 a E L + S11 a (1 ? E R T )) = 0.158 ± (.0045 + 0.158 2 *.0158 + 0.8912 *.0045 + 0158 . *.0022 ) = 0.158 ± .0088 = 16 dB +0.53 dB, -0.44 dB (worst-case)

传输测试不确定度
S 21m = S 21 a ± S 21 a ( E I / S 21 a + S 11 a E S + S 21a S 12 a E S E L + S 22 a E L + (1 ? E TT )) = 0.891 ± 0.891(10 ?6 / 0.891 + 0158 . *.0158 + 0.8912 *.0158*.0045 + 0158 . *.0045 +.003)
= 0.891 ± .0056 = 1 dB ± 0.05 dB (worst-case)

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基于二端口校准的误差模型, 二端口校准后, 某一项S参数结果的测试都 需要网络分仪表进行正,反双向测试,利用另外三个S参数对测试结果进 行误差消除运算.

校准对测试结果的影响
CH1 S 21 &M log MAG CH2 MEM log MAG Cor 1 dB/ 1 dB/ REF 0 dB REF 0 dB

two-port 校准 频响校准

Cor

校准前

x2 1 START 2 000.000 MHz

STOP 6 000.000 MHz

2

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这是被测件在校准前后结果对比,对于没有校准的测试结果,存在典型的 波动,它是系统误差影响的结果.通过误差校准后,测试扫迹能更正确反映 被测件性能. 双端口校准消除误差项最多,校准后仪表测试精度最高.

通过校准提高仪表测试精度
(Two Two-port Cal)

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在满足测试速度要求前提下,网络分析仪测试时应尽量采用双端口校准 以保证测试精度.

解决ET系列 系列分析仪表 分析仪表2端口误差的方法

负载失配: 18 dB 反射损耗 (功率定义 ) 0.126:反射系数 ( 电压定义 ) 反向性误差 40 dB (.010) 10 dB attenuator (.316) SWR = 1.05 (.024)

测量不确定度: -20 * log (.158 + .039) = 14.1 dB (-1.9 dB) -20 * log (.158 - .039) = 18.5 dB (+2.5 dB)

DUT反射
.158

DUT
16 dB RL (.158) 1 dB loss (.891)

(.891)(.316)(.126)(.316)(.891) = .010 (.891)(.024)(.891) = .019 Worst -case error = .010 + .010 + .019 = .039 培训专用教材

低损耗,传输互易器件测试时要求进行 2-port校准

ET 系列网络分析仪由于port2误差不能通过校准消除会引起测试误差, 误差的波动会使同一被测件在不同仪表上测试结果的一致性变坏. 为消除ET仪表 PORT2 误差,可采用被测件输出端接衰减器方法,在 PORT2 端接衰减器会使测试精度得到改善, 其的原因是 : 1. 衰减器本身端口匹配性能好,衰减器带来的反射信号较小 2. 衰减器会使网络分析仪表PORT2 的失配带来的输入口误差反射信号 减小. 但增加衰减器会使激励信号功率减小,从而使网络分析仪表的测试动态 范围缩小. 举例中,信号的叠加运算按照电压幅度进行.需将器件反射损耗和插损值 (功率值定义)进行转换后完成.

Response 校准不能消除端口失配误差

RL = 18 dB (.126) RL = 14 dB (.200)

源失配误差不能通过频响校准消除

校准不确定度: = (1 ± ρS ρL ) = (1 ± (.200)(.126) = ± 0.22 dB

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仪表如果只进行直通频响误差校准,校准后,源失配仍然会影响测试.

传输测试误差举例 (滤波器)
Source match = 14 dB (.200) DUT 1 dB loss (.891) 16 dB RL (.158) Load match = 18 dB (.126) 1

(.126)(.158) = .020 (.126)(.891)(.200)(.891) = .020

(.158)(.200) = .032

总测量不确定度:
+0.60 + 0.22 = +0 .82 dB -0.65 - 0.22 = - 0.87 dB

测量不确定度 = 1 ± (.020+.020+.032) = 1 ± .072 = + 0.60 dB - 0.65 dB

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端口失配会对传输测试造成影响.对于反向隔离性差的被测件(CABLE, 滤波器等),PORT2 端口失配的影响会很明显.

传输测试误差举例 (放大器)
Source match = 14 dB (.200) DUT 16 dB RL (.158) Load match = 18 dB (.126) 1

(.126)(.158) = .020

(.158)(.200) = .032

总测量不确定度
+0.44 + 0.22 = + 0.66 dB -0.46 - 0.22 = - 0.68 dB

测量不确定度 : = 1 ± (.020+.032) = 1 ± .052 = + 0.44 dB - 0.46 dB

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放大器具有较好反向隔离性,PORT2 失配端口对测试的影响会受到削弱.

Enhanced Response 校准= 单端口校准+直通频响校准
Effective source match = 35 dB!
DUT 1 dB loss (.891) 16 dB RL (.158) 校准不确定度 : = (1 ± ρS ρ ) L = (1 ± (.0178)(.126) = ± .02 dB Load match = 18 dB (.126) 1 Measurement uncertainty = 1 ± (.020+.0018+.0028) = 1 ± .0246 (.126)(.891)(.0178)(.891) = .0018 = + 0.211 dB - 0.216 (.158)(.0178) = .0028 (.126)(.158) = .020 总测量不确定度 : 0.22 + .02 = ± 0.24 dB

Source match = 35 dB (.0178)

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Enhanced Response (增强校准)等效为PORT1单端口校准加上传输 直通校准,对于ET系列仪表,该校准消除误差项最多.

Enhanced Response 校准+衰减器
10 dB attenuator (.316) SWR = 1.05 (.024 or 32.4 dB) Analyzer load match =18 dB (.126)
DUT 1 dB loss (.891) 16 dB RL (.158) 校准不确定度 : = (1 ± ρS ρ )
L

= (1 ± (.0178)(.0366) = ± .01 dB Effective load match = (.316 x .316 x .126 + .024) = .0366 (28.7dB) 1 (.0366)(.158) = .006 (.0366)(.891)(.0178)(.891) = .0005 (.158)(.0178) = .0028 总测量不确定度 : 0.01 + .08 = ± 0.09 dB Measurement uncertainty = 1 ± (.006+.0005+.0028) = 1 ± .0093 = ± 0.08 dB

Source match = 35 dB (.0178)

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通过衰减器可减小网络分析仪PORT2 的匹配性能。再加上增强校准功 能可使ET系列网络分析仪具备最高测试精度。

不同的校准方法总结
1.

不校准

2. 频响校准

3. 1-PORT单端校准
SHORT

4. FULL 2-PORT双端校准
SHORT SHORT

DUT

thru
DUT
l l l l l

OPEN

OPEN

OPEN

LOAD

LOAD

LOAD

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

DUT

thru
DUT

l l l

l

5. ENHANCEDENHANCED-RESPONSE
l l

l l l

response + S11 11-portCAL 消除传输测试测试中端口误差

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

l l l

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

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测试过程中根据测试参数和测试精度要求选择相应校准方式.

网络分析仪功率校准
CAL

PWRMTR Cal

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为确保网络分析仪表输出信号功率精度, 通过与外接功率计连接,网 络分析仪可以完成功率校准。

电子校准件
通过PIN二极管将阻抗控制在不同状态
13 个反射状态 , 不同高低反射性能 l 2 个直通状态 , l 1 个隔离状态 l 校准速度快 ,重复性好 l 通过 TRL TRL-校准后网络仪进行测试 l 校准精度介于 2-PORT校准 和 TRL 校准 之间
l

1 2

7

1 5

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Agilent提供各个频率段电子校准件,电子校准件依靠PIN 开关设置不同 阻抗状态,其校准精度与机械校准相同或更好. 电子校准不需要多次的校准件连接,可提高校准过程的效率和连接重复 性. Agilent 8753;8720系列网络分析仪可支持电子校准件功能. 将双端口校 准的时间由机械校准的3分钟缩小为1分钟.

测试中适配器对测试的影响
适配器反射信号 方向性误差信号 Coupler directivity = 40 dB
Adapter DUT Termination

DUT反射信号

ρ

measured

= Directivity +

ρ

adapter +

ρ

DUT

DUT has SMA (f) connectors

Worst -case System Directivity

APC-7 calibration done here
Adapting from APC-7 to SMA (m)

28 dB 17 dB

APC-7 to SMA (m) SWR:1.06 APC-7 to N (f) + N (m) to SMA (m) SWR:1.05 SWR:1.25 APC-7 to N (m) + N (f) to SMA (f) + SMA (m) to (m) SWR:1.05 SWR:1.25 SWR:1.15

14 dB
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测试中,往往需要利用适配器将仪表和被测件进行连接,该适配器可能会 对测试结果有很大影响. 如上图所示,适配器引起的反射信号会与被测件 的真实反射信号进行矢量叠加. 例子中,如果适配器的驻波比较差(SWR=1.5),则耦合器的有效方向性将 下降到14dB,此时,网络分析仪表反射 测试的动态范围就只有14dB. 如上所述,在测试过程中,使用高性能的适配器是非常必要的,虽然校准可 以降低适配器对测试的影响,但在高性能被测件测试中该影响仍然较明 显. 下面介绍在接入适配器后网络分析仪的校准方法.

对非插入器件测试的校准
校准的要求: DUT l 测试电缆直接相连 l 零长度直通件 l 被测件直接和测试端面连接(测试面= 校准面) 非插入器件的定义 : l 被测件不能直接和校准端面连接 l 被测件同性接口形势 l 被测件有不同形式接口 l (e.g., waveguide on one port, coaxial on the other) 非插入器件的校准方法 : l Swap equal adapters l Adapter removal l 用户定义校准件 l Ecal l De De-embeding l TRL 校准
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仪表通过校准后,其标准校准面为相同接头形式并且极性相反的接口,被 测件如果可以直接和这样接口进行连接,被测件的端口也一定是相同接 头形式并极性相反接口,此时被测件称为可插入器件 . 工程中,被测往往不能满足该要求,例如被测件端口1为SMA形式,端口2 为N形接头.这样的被测件称为非插入器件 .非插入器件要想和仪表校准 面连接必须通过适配器 (转接头),而这些适配器并没有通过校准过程,会 导致测试误差,既最终测试结果是被测件和转接头性能的叠加结果. 对非插入器件,要想通过精确校准测到其真实值,可使用几种方校准法,每 种方法的复杂程度和校准精度不同.

等效适配器互换校准 等效适配器互换 校准(Swap equal adapters) adapters )
非插入器件 测试
Port 1 DUT Port 2

校准过程 :
传输校准 : 使用转接头 A 反射校准:使用转接头B 被测件测试 :使用转接头B

传输校准过程: 使用适配器A

Port 1

Adapter A

Port 2

反射校准过程: 使用适配器B

Port 1

Adapter B

Port 2

校准精度取决于转接头 A,B的匹配特性: 插入损耗; 延迟, 端口匹配特性,阻抗等 适配器 A,B : 外形不同而性能相同的转接头

测试过程: 使用适配器B

Port 1

DUT

Adapter B

Port 2

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等效适配器互换法校准特别适合于具有两个相同形式而极性相同端口 的被测件(如 : 1,2端口都为SMA阴性接头 ).此方法需要使用性能相同,而 阴阳极性不同的两个适配器. 等效适配器互换法校准第一步是在校准过程中利用能进行直通 (Through)校准的适配器 A来完成传输校准.但该适配器并不能与测试直 接连接.在反射校准过程中, 将适配器 A换为适配器 B,这一交换改变了一个测试端口的接口极性. 校准完成后的测试过程中,使用能和被测件直接连接的适配器 B,适配器 B可以直接和被测件连接. 如果适配器 A和适配器B的电气性能完全相同,可以认为适配器A和适配 器B只是外形不同的同一个适配器. 这种校准方法的剩余误差为两个适配器之间的性能差异.校准过程较简 单,但不能适用于复杂非插入器件校准.

转接头移去校准 (Adapter Removal)
l l l l l l

高精度 8510, 8720 , 8753系列网络分析仪支持该功能 与E-Cal (85060)兼容 需要校准转接头 校准转接头接头形式,极性和被测件相同 校准转接头电长度小于测试最高信号波长1/4
DUT Port 2

Port 1

校准操作过程
Port 1 Cal Adapter
Cal Set 1

Adapter B

Port 2

1. 将校准转接头与 port2 相接 , 进行 two port 校准 , 校 准数据存盘 , 文件名 : cal set 1. 2. 将校准转接头与 port1 相接 , 进行 two port 校准 , 校 准数据存盘 , 文件名 : cal set 2. 3. 启 动 ADAPTER REMOVAL,消除转接头 B 的影响

Port 1

Cal Adapter
Cal Set 2

Adapter B

Port 2

Port 1

DUT

Adapter B

Port 2

4. 测试被试件

[CAL] [MORE] [MODIFY CAL SET] [ADAPTER REMOVAL]

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适配器移去校准是针对非插入器件测试的精度较高的校准方法.这种方 法适用于Agilent 8753/8720/8510 系列网络分析仪. 适配器移去校准需要使用一个具有和被测件相同接口方式的适配器,这 个适配器叫做校准适配器 .适配器的电长度必须小于测试频率的四分之 一范围内.Agilent 提供的N,3.5mm 和2.4mm校准件可用于该目的,对于其 它适配器,用户可以直接输入其电长度. 适配器移去校准需要进行两次双端口校准.第一次校准中,将直通适配器 放在测试端口2,校准结果存入校准数据组中. 第二次校准,将适配器连接到测试端口1上,校准数据用不同文件名也存 在校准数据组中.在这个过程中,可以使用两种不同的校准件.以适应具有 不同端口类型被测件的要求(端口1为N,端口2为SMA). 两次双端口校准完成后,在仪表适配器移去校准功能键下,根据提示将两 次校准文件名输入仪表,仪表通过计算可消除测量适配器对测试影响.

Agilnt Ecal 支持 支持混合接口 混合接口形式 形式

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采用Agilent混合接口电子校准件可在不同接口形式测试端面进行校准. 这是对不同类型接口的非插入器件最方便的校准方法.

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

其它校准方法 : LineLine -Reflect Reflect-Match (LRM), ThruThru-Reflect Reflect-Match (TRM)

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对于非同轴被测件进行测试, 如:波导和晶片等, TRL校准是经常采用的 校准方法,TRL代表 “Through:直通 ; Reflect:反射; Line:传输线. 采用 TRL 校准的原因是因为在非同轴和高频率条件下,要实现理想的匹配负载非 常困难. 真正完整的TRL校准为确定10项未知误差, 需使用4接收机网络分析仪, 其中2台接收机用于反射信号测试,另两台接收机完成对传输信号的测试. TRL 校准需进行14次测试. 其它术语如: LRL,LRM,TRM等只是采用其他校准件的同一种基本校准 方法.

8720 系列网络分析仪4接收机结构
(选件 400)
Source

Switch/ Splitter/ Leveler

R1

Reference Receiver 70 dB

Reference Receiver 70 dB

R2

10 dB Steps Bias Tee Measurement Receivers

10 dB Steps Bias Tee

A
Directional Bridges 15 dB R1 OUT R1 IN A OUT A IN

B
Directional Bridges 15 dB B IN B OUT R2 IN R2 OUT

Port 1

Port 2

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网络分析仪4接收机选件增加的一台接收机是参考接收R2, 这样在TRL 校准中可消除网络分析仪正/反两个测试方向时的不对称性.

* 校准的区别 TRL / TRL
TRL 校准测试结果 TRL* 校准测试结果

l

TRL* 校准
3 接收机网络分析仪 假设源 /负载失配误差相同 ,正向 /反向测试同道完全对称 è TRL* 要求 10次测试
è è

l

TRL 校准
需要 4接收机网络分析仪 14 次测试 è TRL and TRL* 利用相同校准件
è è

l

对非同轴系统测试:
è

TRL 校准对源 /负载失配校准精度高于 TRL*校准 SOLT 可提供足够校准精度
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l

同轴系统测试:
è

4接收机对于8720系列网络分析仪是选件,标准网络分析仪内部包含3台 接收机.这样只可完成TRL*校准. TRL* 校准假设测试端口的源匹配和负 载匹配相等, 即正向测试和反向测试之间有相同的端口阻抗匹配.这只是 对3接收机网络分析仪的合理假设.为确定8项误差项,TRL*需进行10次 测试. TRL较 TRL* 有更好的源匹配和负载匹配的修正, 使测量误差更小. 对于 同轴应用中, SOLT校准通常是优先使用的校准方法.

用户定义校准件

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目前,许多无源和有源RF器件都采用表面安装形式(SMT),首先对这些器 件的测试,需要使用相应测试夹具.又由于技术,功率承载和工作环境 或设计标准的不同,这些元件的物理尺寸变化很大,相应各种夹具的 尺寸和性能变化也很大. 对夹具测试需要考虑两个因素: 1. 夹具设计 夹具应具有良好稳定的机械性能.这些夹具往往会使用在生产线测试中, 夹具需能让被测件快速的插入;对齐和夹紧. 对于RF工作频段夹具,需 考虑阻抗匹配因素,这要求精确设计夹具中传输线尺寸和空间屏蔽. 2. 夹具校准 对夹具的校准最好采用夹具上校准, Agilent8753/20系列网络分析仪支 持用户定义校准件功能. 定义的校准件要求用户能对校准的物理特 性进行表征,并将参数输入到仪表内部,并作为常用的由用户定义的 校准工具. 虽然用来描述校准标准件的参数很多,对于大多数应用来说,只要少数几 个参数需要修改,.对于正确设计的PCB夹具而言,只有开路标准的边 缘电容和短路的延迟参数需要表征. 关于夹具校准相关详细技术内容,请参看 “ Agilent 技术应用指南1287-3” .

第三章: 典型器件的测试方法
网络分析仪测试
è è è è è è è è

l

非变频器件测试 器件功率动态范围指标测试 混频器测试 大功率器件测试 非 50 50ohm ohm特性阻抗器件测试 波导器件测试 8753/20 接收机工作模式 网络分析仪测试自动化

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非变频器件测试
------滤波器典型指标

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滤波器是常用的无源;线性两端口器件. 一个带通滤波器,要求它对指定 带宽内的信号具有很小的损耗和失真.而对于通带外的信号,具有最 大的抑制. 根据滤波器实现的方式不同,滤波器分为许多种类,如:LC滤波器,声表面 波滤波器(SAW);陶瓷滤波器;机械滤波器等,这些滤波器的指标和应 用也不同.为精确测试这些指标, 对测试仪表的测试能力和测试精度 都有很高的要求. 滤波器的常用测试指标包含: 1. 传输参数指标: 插入损耗 ; 带外抑制,带宽, 通带内抖动; 群延时等 2. 3. 反射参数指标: 输入 /输出端反射损耗 计算参数: 矩形系数, Q值

非变频器件扫频指标测试
传输特性测试
CH1 S21 Cor

反射特性测试
CH1S 11

log MAG

10 dB/ REF 0 dB

log MAG 5 dB/

REF 0 dB

69.1 dB

反射损耗

带外抑制
SPAN 50.000 MHz

CENTER 200.000 MHz CH1 S 21 Cor log MAG 1 dB/
1
m1: 4.000 000 GHz -0.16 dB 0.00 dB

REF 0 dB

插入损耗
ref

Marker Search Max: 搜索最小插损点
Marker Zero Width on
2

m2-ref: 2.145 234 GHz START .300 000 MHz

3dB 带宽

2

:归零

Cor

x2 1 START 2 000.000 MHz STOP 6 000.000 MHz

Width 3dB

3dB 带宽 Width 60dB 60dB 带宽

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上图所示为带通滤波器的典型测试指标,分为传输测试和反射测试. 最常测试的滤波器传输特性是插入损耗和带宽, 利用网络分析仪表 Scale 功能键可以调整测试显示的比例和位置,以便对通带内频响进行测 试读数. 需要测试的另一个参数是带外抑制,它用于评估滤波器对通带外 信号的抑制能力.网络分析仪测量带外抑制指标的范围直接取决于其测 量动态范围. 反射指标显示在阻带外滤波器具有很高的反射,带外反射损耗接近于 0dB,处于失配状态, 而对通带内信号需具有很好匹配性能,反射损耗较大. 网络分析的Marker 功能按键提供许多功能,可直接读出被测件的频响 统计和计算指标,如: 纹波峰- 峰值,平均值, 标准偏差, 3dB带宽, 60dB带宽, Q值等.

分段扫描(Segment sweep):
同时满足精度和速度的要求
CH1 S 21 PRm log MAG 12 dB/ REF 0 dB Segment 3: 29 ms (108 points, -10 dBm, 3000 Hz)

Linear Sweep测试结果
(201 points, -10 dBm, 300 Hz) PASS

Segment 1: 87 ms (25 points, +10 dBm, 30 Hz)

Segment 5: 129 ms (38 points, +10 dBm, 30 Hz)

START 525.000 000 MHz

STOP 1 275.000 000 MHz

Segments 2,4: 52 ms (15 points, +10 dBm, 300 Hz)

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在对滤波器的带外抑制性能进行测试时,要求仪表要有很大的测试动态 范围. 回顾第二章的内容,网络分析仪的测试动态范围与其输出功率, 接 收机带宽,和平均这几个参数设置有关.其中当接收机的带宽减小时,仪表 测试动态范围得到扩展,但测试时间会相应增加, 仪表设置只能是在测试 精度和速度间折衷. Agilent8753/20系列网络分析仪支持列表扫描功能 ,这能让仪表同时具备 大测试动态范围和快测试速度.列表扫描允许用户规定仪表扫描过程中 工作状态设置.例如:可以在关键的频率范围内设置较多的扫描频率点数, 而将不重要频率范围内的扫描点数减为最小.从而实现对测试时间的优 化.另外可在需要大测试动态范围的频段内,例如:滤波器抑制带性能测 试, 网络分析仪可选择设置较高的功率电平和较小的中频带宽().

非变频器件测试 :功率指标

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许多器件当输入功率增加到一定程度会呈现非线性.工程中可以用1dB 压缩点来对这项指标进行定量测试. 该项指标反映器件工作的功率动态 范围.

器件功率扫描测试
CH1 S21 C2 1og MAG 21dB/ REF 32 dB 30.991 dB 12.3 dBm

增益 (dB)

0

Sweep type
输入 1dB 压缩点

Power sweep 设置激励起始功率 (dBm dBm) ) 设置激励终止功率 (dBm dBm) ) 设置工作频率(固定)( )(Hz) Hz) S21: 增益测试 ( dB ) B: 被测件输出功率(dBm dBm) ) CH1: 搜索 搜索输入 输入 1dB压缩点 CH2: Couple on(与Ch1联动) 输出 1dB压缩点

start

IF BW 3 kHz START ? 10 dBm

CW 902 MHz

SWP 420 msec STOP 15 dBm

?

stop CW CH1

输出信号功率

(dBm)

输出 1dB 压缩点

?

1dB 饱和工作电平

CH2 Marker Marker

(dBm)
输入信号功率 (dBm) 培训专用教材

为测试器件输入/输出1dB压缩点,需要网络分析仪处于功率扫描状态, 网 络分析仪在进行功率扫描过程中, 频率必须固定, 工作频率靠CW控键设 置.另外为方便压缩点测试,需要利用网络分析仪表多通道测试功能, 通道1(CH1) 用于测试器件增益(仪表设置:Meas: S11; Format: Log Magnitude ) 通道2(CH2)用于测试器件输出端口绝对功率(仪表设置:Meas : input port: B). 由于被测件输出端是连接在仪表B接收机端,选择测试B就是测试器件输 出绝对功率. 1dB压缩点的搜索通过增益特性的测试线得到,可利用仪表双通道标识 联动功能进行读值. (仪表设置为:Marker Fctn: MARKER MODE MENU: Markers : Coupled), CH2 的标识也会移到相同位置, 通过读取此时B值既为被测件输出1dB压 缩点.

混频器件测试 方法一:
-标量网络分析仪: 检波器测试
扫描信号源

幅度信息 n 微波频段测试
n

8757D Scalar Network Analyzer

定向耦合器

衰减器

衰减器

滤波器

检波器

本振信号源

被测混频器

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混频器是接收/发射设备中重要组成部分.混频器是典型三端口器件,包 含输入端,输出端和本振端.利用混频器的非线性,混频器输出包含输入和 本振信号各阶混频成份(n× LO±m×RF),其中幅度较大的主要是本振 LO和 输入RF信号的频率加和差成份(RF± LO),高阶混频成份由于混频器效率 下降幅度较小.通常混频器输出只需要这些信号中的一个,而另外信号将 被滤波器滤除. 混频器和外围的放大器;本振及滤波器组完整的上/下变频电路.一个复 杂的变频器,其内部可能包含多级混频电路. 对混频电路/变频电路传输反射特性的测试,反射测试方法和非变频器件 相同,关键是在传输特性测试中,其输出输入信号频率不相同会带来相应 测试问题. 变频器传输测试最简单的方法是利用标量网络分析仪,因为标网内部接 收机是检波器.检波器是宽带检测部件,只要是混频器输出频率处在其工 作频率范围内(10M~20G). 检波器没有选频功能,所以检波器标网对变频 /非变频器传输测试方法相同.当然标量网络分析仪只能提供被测件幅度 信息,而且测试动态范围有限,不能正确反映内置滤波器的大动态变频电 路的指标. 具体测试中,被测混频器输入/输出端的衰减器起提高阻抗匹配功能, 滤 波器对输出中混频杂波进行抑制,防止其进入宽带检波器.

失量网络分析仪测试变频器件
.… 端口匹配 失量网络分析仪源 /接收机同步问题
LO accuracy and stability

..… 测试误差
RF

LO IF signal R

R channel 相位锁定

Frequency response error
normalization power meter calibration

Sampling issues

PLL

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矢量网络分析仪采用窄带接收机,接收机带宽为其IF BW 设置(8753/20 最大IF BW: 6kHz). 矢网工作时,其激励源和接收机是频率同步扫描的. 即当激励信号频率为1GHz时,接收机也应工作在1GHz,这样可测试到 被测件1GHz处的工作特性. 但对于混频器/变频电路测试,其输入输出信号频率不同,当利用矢 网测试时,其窄带接收机就不能接收到被测件的输出信号,这样造成 矢网在普通工作状态不能对变频器件的传输特性进行测试.

R-channel 信号要求
External LO source A/B 1 MHz BPF RF source 0.03 - 3000 MHz RF out RF LO IF R 1 MHz BPF IF detectors

DUT Pulse generator F LO

Main PLL
Pretune DAC

15 - 60 MHz

相位锁定通道 l 工作电平要求
l
Reference 1 MHz

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矢量网络分析仪要保持其激励源和窄带接收机的同步频率扫描,是利 用锁相环(PLL)来保证激励源和接收机本振频率的同步变化.矢 量网络分析仪表内部有三个通道接收机,网络分析仪利用R通道信号 来完成锁相功能.所以矢量网络分析仪表对R通道信号的幅度有特殊 要求,当R通道信号不正常时,仪表会出现失锁现象.

混频器件测试 方法二:
参考通道频率偏移方式(frequency offset)
FREQ OFFS ON of f LO MENU DOWN CONVER TER UP CONVER TER Attenuator Attenuator RF > LO RF < LO VIEW MEASURE RETURN

矢量网络分析仪

Ref In

滤波器

8753ES 8753ES (30 kHz to 6 GHz) n 8720ES opt 089 (50 MHz to 40 GHz) n 频率偏置工作模式 (Frequency offset mode) n 幅度信息 n 有限测试动态范围
n

Start: 900 MHz Stop: 650 MHz

Start: 100 MHz Stop: 350 MHz Fixed LO: 1 GHz LO power: 13 dBm

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Agilent8753/20系列矢量网络分析仪支持频率偏置功能.在这 种工作方式下,网络分析仪表的激励信号和接收机的工作频率可以设 置偏移一定频率. 在频率偏移工作方式下,混频器输出直接连接到R通道输入端. 被测件 输出端的滤波器是需要的, 它可以对混频杂波进行抑制,以保证PLL能对 需要的输出信号正常锁定. 测试中需要以下参数需要设定: 1.变频器混频模式: 模式1 :固定本振频率/输出频率变化.这种状态下,变频电路本振 信号不能与激励输入信号频率同步变化,测试过程中,其本振频率只 能被设为固定.当输入信号频率变化时,输出会相应变化. 模式2 :本振频率变化/输出频率固定.这种状态下,变频电路本振 信号可以和激励输入信号频率同步变化,测试过程中,当输入信号频 率变化时,其本振频率由网络分析仪控制同步扫描.,输出频率固定. 2. 上 /下变频方式选择 3. 本振固定方式下 ,中频频率范围 ,本振频率 4. RF频率是高于还是低于 LO频率 以上参数可以在网络分析仪的测试菜单下得到明确. 采用参考通道频率偏移方式对变频电路测试,R通道的信号幅度范围会 限制测试动态范围,另外这种方式下,由于没有对比参考信号,它不能提供

混频器件测试 方法三:
参考混频器频率偏移方式
矢量网络分析仪
n n n n n n n

Frequency offset mode 需要参考混频器,延时小于被测件 大动态范围, 100 dB R-channel :相位锁定 B-channel :被测件输出 R,B Channel 信号频率相同 相位信息 ,幅度信息
衰减器 传输特性

Ref out Ref in Filter 衰减器 参考混频器

被测混频器
衰减器

本振信号 功率分配

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参考混频器频率便移方式 是矢量网络分析仪测试变频电路最完整的测 试方式. 该工作方式下,需要一个参考混频器来建立锁相,参考混频器输 出和被测件输出频率变化关系相同,既参考混频器输出和被测件输出频 率在测试过程中是相同的. 被测变频电路连接在PORT1和PORT2间进行测试. 其输出的信号进入B 接收机, 这样传输测试的动态范围得到改善,接收机的窄带滤波对混频杂 波也有抑制作用. 由于有R通道信号提供相位参考, B信号可以和同频R信号比较得到被测 件相位信息. 对参考混频器的要求是具有较小的延时和线性相位特性.

混频器件测试 方法四:
上/下混频器方式
n

非混频测试模式 第二混频器对被测混频器输出进 行频率反变换 相位信息 相位测量高精度
RF signal out of NA

网络分析仪

n

n n

RF signal into NA
带通滤波器 RF 衰减器

DUT RF IF

带通滤波器 IF

混频器

衰减器

LO

LO

本振信号 功率分配

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上/下混频器测试方式是利用第二个混频器将被测混频器输出信号变化 到与其输入相同的频率. 在这种工作方式下,不需利用网络分析仪的频率 偏移功能. 当第二混频器工作特性与被测件类似时, 测试结果通过均分 运算得到被测件性能.
关于网络分析仪变频电路测试详细内容,可参考“ Agilent应用指南 1287-7” .

大功率器件测试
8753/8720ES 8753/8720 ES
推动放大器
Ref In

Source

DUT 功放

推动放大器
R

功放测试模式 -1 功放测试模式 -1
8753ES 8753 ES option 014 8720ES option 012 可配置测试座工作状态

A

B

AUT

功放测试模式 功放测试模式-2 -2

+43 dBm max input (20 watts!)

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大功率器件测试过程中,会带来相应测试特殊问题. 问题 1. 仪表激励功率不足, 仪表输出功率不能保证将被测件激励到设计 工作区. 问题 2. 被测件输出功率超过仪表输入允许范围. 解决以上功率问题可分别通过增加前置推动放和在被测件输出端增加 衰减器来解决.增加的这些部件对被测件传输指标测试 的影响可以通过 校准来消除,但会对输入/输出端反射指标测试带来新的问题. 问题 A: 当在被测件前增加前置放大器可将激励功率增大至要求范围,但 此时测试得到的S11反映的是前置放大器的输入反射特性,而不是真正 被测件的性能. 问题 B:测试得到的S22是功放输出端接衰减器的性能.

扩展网络分析仪测试动态范围
HP 8753ES Opt 014 Block Diagram
ALC

Port 1 switch Port 1 coupler A out A in
16 dB

Source path is shown in blue.

Port 1: 0 dBm
max: +10 dBm

AUT

16 dB

Port 2: +30 dBm B out B in
Port 2 coupler

B
receiver max:-6 dBm

Receiver path is shown in red.

This 20 dB attenuator protects the B receiver from high power. This 20 dB attenuator protects the transfer switch from high power.

A
receiver

Port 2 switch
RF in RF out R out

R
receiver

R in

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要解决大功率器件反射特性测试问题,需利用网络分析仪可配置测试座 选件.网络分析仪可配置测试座选件使网络分析仪表所有接收机和信号 输出对用户都是开放的. 测试反射指标的原则是要在被测件测试端口直接连接定向耦合器.可配 置测试座的目的是利用其它大功率耦合器来替代仪表内部耦合器. 关于网络分析仪大功率测试详细内容,可参考“ Agilent 应用指南1287-6” .

大功率器件工作状态下(Hot state) 大功率器件工作状态下( S22参数 参数测试 测试
网络分析仪扫描频率范围: f1 ~ f2 ;( f1>fin )

激励信号源 输出 CW信号 信号频率: fin 功放

反射
入 出 出 入

衰减器

推动放大器

大功率定向耦合器

负载

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要测试功率放大器在工作状态下的S22指标,首先被测件需要一定幅度 推动信号将其激励到工作区,而当网络分析仪测试S22时,被测件输入 端并无激励信号,所以得不到被测件在工作状态的S22参数。 为解决这个问题,可通过外接激励信号源的方法,具体连接方式如上 图所示,激励信号源输出工作频段内激励信号,网络分析仪表对被测 件S22参数进行测试,网络分析仪表的测试频率范围在被测件工作频段 内但在激励信号频率之外。这样网络分析仪接收机对激励的响应信号 有抑制作用,外加激励信号并不会进入网络接收机,这样可得到被测 功率放大器在工作状态的S22参数。

非 50ohm特性阻抗器件测试
网络分析仪表 端口阻抗 = 50ohm 阻抗转换器 测试端口阻抗= Z

CAL more: ZO

Agilent 11852B : 50ohm Type-N(f) to 75ohm Type- N(m) Agilent 11852B opt 004: 50ohm type-N(m) to 75ohm Type-N(f) Agilent 85096A: 11857B : 75ohm Type- N(m) 校准件 75ohm Type- N电缆 75ohm 特性阻抗网络分析仪

Agilent 8753ES opt075:

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当要对非50ohms 器件测试时,对于75ohm 被测件, 可直接选择 75ohm阻抗网络分析仪表。另外可将50ohm阻抗网络分析仪通过转换 变为75ohm或其它阻抗值。 为完成网络分析仪阻抗转换,需要完成两项工作: 1、 将仪表 50ohms 测试口转换为要求阻抗值, Agilent 提供 50/75ohms转换器。通过转换器,实际上将端口实际阻抗值变为要求 阻抗。增加的转换器带来的损耗会使传输测试动态范围变小。 2、将仪表内部特性阻抗值设置为实际阻抗值。

波导器件测试

网络分析仪表 端口阻抗 = 50ohm

同轴/波导转换器

被测件
Agilent X11644A WR- 90: Agilent P11644A WR-62: Agilent K11644A WR-42: Agilent R11644A WR-28: Agilent Q11644A WR-22: Agilent U11644A WR- 19: Agilent V11644A WR- 15: Agilent W11644A WR-10: 培训专用教材 8.2G~12.4GHz 波导校准件 12.7G~18.0GHz 波导校准件 18.0G~26.5GHz 波导校准件 26.5G~40.0GHz 波导校准件 33G~50GHz 波导校准件 40G~60GHz 波导校准件 50G~75GHz 波导校准件 75G~110GHz 波导校准件

对于波导器件测试,首先需要将同轴形式网络分析仪接口转换为波导 形式。Agilent 提供各频率段标准波导 /同轴转接器和波导校准件。 以上各种波导测试附件信息可参考“ Agilent微波测试附件手册“ 。

网络分析仪表接收机器工作模式
system

instrument mode tunned receiver
0

I
Phase Splitter 90

网络分析仪接收工作模式, 源,接收机单独工作

接收机工作模式仪表设置 :
Center= 被测信号中心频率 Span= 0 Hz Sweep time Meas: input port: A/B Format: Log magnitude(两路信号幅度比值) Format: phase(两路信号相位比值)
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Q
应用 :

1.比较两路信号幅度 ,相位平衡 ; 2.分路器 , I/Q 调制器件测试 …

网络分析仪内含多通道接收机,Agilent8753/20系列网络分析仪支持接收 机工作模式,在该模式下,网络分析仪不再是闭环工作方式.输入到Port1 和Port2的信号分别进入A;B接收机.A;B接收机可对两路输入信号进行幅 度和相位比较. 通过信号幅度/相位比较测试来方便反映某些器件性能.如 :功率分配器 通道幅度平衡和相位平衡, I/Q 调制器通道幅度平衡和相位正交.

仪表测试自动化
l l

自动测试程序 测试排序 (Test sequencing)
è è

Agilent 8753 / 8720 系列 对按键顺序进行记录

仪表自动控制程序层次 仪表自动控制程序层次
TestExec SL VEE C / C++ plug&play, Panel drivers VISA / SICL Win 3.1
HP-IB RS-232

l

IBASIC功能
è

Agilent 871x 系列 è 仪表直接编程

应用 编程语言 仪表语言 I/O编程 操作系统 物理接口 仪表

BASIC

Win 95
MXI

HP-UX
VXLink VXI

VXI, Instruments, Switches

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在大规模生产测试和其它应用场合,需要仪表完成自动化测试.并对测试 结果进行处理. 仪表的手动测试过程可在程序控制下完成.控制程序可用VB;VC 编写, Agilent VEE软件采用图形化编程环境,这样可降低用户的遍程难度并提 高编程序效率. 关于仪表自动化测试详细内容可参加 “ Agilent 测试自动化 ”课程.

第四章: 网络分析仪应用
网络分析仪应用
è è è è è

l

网络分析仪时域功能 多端口器件测试 平衡器件测试 夹具上器件测试 Wafer 器件测试

培训专用教材

网络分析仪表时域测试功能
l l

利用IFFT 得到被测件时域脉冲/阶跃冲击响应 时间分辨率与测试频率范围成反比
频域响应

F

?1

时域特性
F
-1

频域特性
CH1 S 22 Re 50 m U/ REF 0 U

时域响应

Cor

20 GHz 6 GHz

t
t

f



F(t)*dt
0

Integrate

1/s*F(s)

TDR

F
t

-1

f

CH1 START 0 s

STOP 1.5 ns

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网络分析仪主要在频域上对被测件特性进行测试. 一个被测件的响应特 性可以在频域和时间域上得到描述.它们在数学上呈用傅立叶变换的关 系.对于某个被测件, 可以在频域上测试器件,然后通过傅立叶反变换的 到其时域响应. 之所以要从两个域上来描述器件,是因为单一一个域的描述不能完整反 映器件的工作性能.例如,在频域上测试可以发现电缆的插损过大,反映电 缆内部有缺陷.但从频响曲线上却不可能找到问题出现的原因,确定故障 点的位置.要解决这个问题,就需要通过另外域的分析测试来找到答案. Agilent8753/20系列矢量网络分析仪支持时间域功能选件,可将频域测试 结果通过运算的得到时域响应特性. 能给出被测件被脉冲激励或阶跃信 号激励时的相应.在数学上,这些激励信号可以用它们的频率分量来表示.

时域反射测试 (TDR)
l

TDR 的概念 è Time-domain reflectometry è 测试反映阻抗随时间(位置 ) 变化 è 可区分阻抗性质( 感性 ,容性)

感性失配 impedance

Zo
time 容性失配 non-Zo

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通常情况下,一个器件的时域特性是通过时域的仪表测试得到(信号源+ 示波器).如 :TDR测试.

时域测试的结果
阻抗性质

阶跃响应

冲击响应

Short

?1 +1

?1 +1

Open

R>Z o

R<Z o

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一个器件的端口反射必然和阻抗的失配有关, 反射的特性与反射端口阻 抗性质有直接关系.例如短路端面的反射是反相全反射,反射系数为-1.0. 而开路全反射为同相.端口反射系数为:1.

时域测试的两种模式
带通测试模式:
Start Stop 带通模式 冲击响应测试结果 方便 支持反射和传输测试

低通测试模式
阶跃响应 冲击响应 阻抗极性信息 低端测试频率 : DC ( 内插结果)

Start

Stop 低通模式

f

stop = N× N: 测量点数

f start

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网络分析时域测试中有两种模式: 带通模式 (Time Band Pass)和低通模式 (Time Low Pass). 带通模式适合于带通器件时域测试,这种模式允许在任意频率跨度下测 试被测件.带通模式下只能给出脉冲响应. 低通模式用于低通被测件测试. 它给出被测件的阶跃和脉冲响应.得到的 测试结果可反映反射的相位极性.

时域功能使用
SET CLOCK TRANSFORM MENU TRANSFORM on OFF SET FREQ LOW PASS LOW PASS IMPULSE LOW PASS STEP BANDPASS HARMONIC MEAS INSTRUMENT MODE SERVICE MENU WINDOW SPECIFY GATE RETURN SETF LOWPIMPU LOWPSTEP WINDOWS: MAXIMUM NORMAL MINIMUM WINDOW MENU

LIMIT MENU TRANSFORM MENU

BANDPASS

MEMORY on OFF DEMOD OFF AMPLITUDE

PHASE RETURN

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网络分析仪表“ 时间域功能 ” 是仪表选件, 用户可根据实际应用进行选择.

时域测试的应用-1:
测试框图

传输线故障点判断
CH1

S11 lin

MAG

10 mU/

REF 0 U

1: 30.869 mU 25.774 ns

2.5499 m

MARKER 1 25.774 ns

Port 1

Port 2

1
适配器

测试面 (校准面 ) = 零距离点

Cor

Hld STOP 35 ns

CH2

START - 5 ns

负载

通过时间计算实际距离 : l = V × t /2 V: 传输线传输速度 =C/传输介质相对介电常数 CAL: VELOCITY FACTOR: 速度因子 培训专用教材

上面的例子说明网络分析仪时域功能在实际测试中的应用. 仪表在校准后,校准端面作为参考面,相当于时间零点(t=0秒). 仪表测试 参数设置选择为:S11. 启动时域功能.将显示方式定义为线性 (Format:Lin Mag). 在测试端口连接一个N/BNC适配器和1.2m电缆,电缆终端接匹配负载.信 号传输过程中会在适配器端和电缆终端因为阻抗失配而产生反射.在时 间轴上可以区分这些反射信号峰.通过换算可将时间值转换为距离.运算 过程中需考虑传输线中信号传输速度和往返时间折算.

测量参数设置 (低通 )
f stop = N × f start
(N = Number of points)

Number of Points 3 11 26 51 101 201 401 801 1601

Minimum Frequency Range 8753 300 kHz to 0.9 MHz 300 kHz to 3.0 MHz 300 kHz to 7.8 MHz 300 kHz to 15.3 MHz 300 kHz to 30.3 MHz 300 kHz to 60.3 MHz 300 kHz to 120.3 MHz 300 kHz to 240.3 MHz 300 kHz to 480.3 MHz

Minimum Frequency Range 8720 50 MHz to 150 MHz 50 MHz to 0.55 GHz 50 MHz to 1.05 GHz 50 MHz to 2.55 GHz 50 MHz to 5.05 GHz 50 MHz to 10.05 GHz 50 MHz to 20.05 GHz 50 MHz to 20.05 GHz

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与带通测试模式相比,低通测试模式中要求将测试频率内插至直流频率, 这个附加的要求要求使所有的测量频率应为起始频率的谐波. fstop=N× fstart(N:测试点数).

时域测试性能
范围 响应分辨率 l 距离分辨率
l l

Time measurement Range = 1/(?f) = (# points - 1)/frequency span {1.0 minimum window {0.6 (low pass)} x 1/Freq span x {1.6 normal window {1.2 (band pass)} {2.4 maximum window

Response-resolution =

Time Range -resolution = time span/(# points - 1)

窗函数影响

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网络分析仪基于反傅立叶运算得到器件时域特性,实际上,计算得到的是 时域离散;周期的时间响应数据.时间域的周期和频率域的离散间隔成反 比.而计算结果的时间间隔(分辨率)与频率范围成反比. 要增加时域测量时间跨度,可通过增加测量点数或减小频率span达到. 时间域响应分辨率是区分两个不同时间响应的能力.它与测试点数;测试 频率扫宽;及测试模式(带通/低通 )和窗函数有关.

IFFT 处理过程中的 处理过程中的加窗处理 加窗处理 ( window)
不加窗
0 dB F Span

加窗后

频域
Cor

f Stop

MARKER 1
148.4 495 mm PS

1

Cor

MARKER 1 795 PS 238.34 mm 1

时域
SPAN 20 ns

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加窗处理是为解决反傅立叶变化过程中扩散问题.网络分析仪只能在有 限的频率范围内对被测件进行测试,结果使得时域响应不再是理想冲激, 而是sin(x)/x包络形式.这样的包络显示会使测试分辨率变差. 窗函数能降低时间响应波形的旁瓣,但会导致波形主瓣变宽.

CH1

S11

log MAG

10 dB/

REF 0 dB

1:-13.428 d B 495 ps

各种窗函数的特点

Cor

MARKER 1 495 PS
148.4 mm

1

Window Characteristics
CH2 CENTER 0 S11 log MAG 10 dB/ SPAN 20 ns REF 0 dB 1:-43.934 d B 795 ps CH1

Rise Time * 10% - 90% 150 psec 330 psec 494 psec

Impulse * Width 50%

Side Lobe Level ?21 dBc ?60 dBc < ?90 dBc

MIN

Cor

238.34 mm

MARKER 1 795 PS

Low Pass Step
1

NOR MAX MIN

200 psec 320 psec 481 psec 400 psec 641 psec 961 psec

?13 dBc ?44 dBc < ?90 dBc ?13 dBc ?44 dBc < ?90 dBc

CH2 CENTER 0 CH1 S11 log MAG

SPAN 20 ns 1 0 dB/ REF 0 dB

Low Pass Impulse

NOR MAX MIN

Cor

PulseWidth 925.29ps 2.77.34mm

Band Pass Impulse
CH1 CENTER 0 SPAN20ns

NOR MAX

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傅立叶变换中使用窗函数是在测试结果的主瓣宽度和旁瓣抑制性能间 进行折衷.

时域测试时间门 时域测试 时间门功能 功能
RF Input RF Output Main Wave Leakage
l

l

选取时域有限范围进行分析,消除其它 时间区间反射信号影响 使用 two-port calibration
15 dB/ REF 0 dB

Triple Travel
CH1 S21 log MAG

CH1 S21 log MAG

10 dB/ REF 0 dB
Cor

Surface Wave RF Leakage Triple Travel

Cor

Gate off Gate on
START -1 us STOP 6 us

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网络分析仪具有“ 时间门 ” 功能. 时间门能选择地扣除某些反射或传输的 时域响应成份.然后再把门内的时间响应再变换到频域.这样一来,时间门 外的响应就会从测试中被清除. 上图是通过时间门功能得到SAW滤波器主波传输特性的例子. SAW工作过程中,除正常主波传输信号外,还存在输入/输出泄漏及三次 行波,这些不希望的响应限制了滤波器的阻带抑制特性.利用时间域功能, 可在时间轴上将不同路径的传输信号区分开来,然后利用时间门提取主 波的响应.当返回频域结果时,可以看到器件性能的改善.在器设计生产中, 该项功能可应用于故障的查询. 网络分析仪支持各种形状时间门形状,最小门具有最高的旁瓣电平,最大 门具有最低的旁瓣电平.

要在频域上来调整多腔体滤波器的频响指标需要长时间摸索和调试经 验积累. 其实, 滤波器频率响应和其时间响应是对应的,如果将滤波器时间响应调 整到理想状态,其频率响应也会满足要求. 滤波器时域响应的特点是: S11的时域响应的下陷零点对应滤波器的谐 振节点.零点之间的峰值与滤波器腔之间的耦合有关.

利用网络分析仪时域功能为滤波器腔体调节提供明确指导,可将一个合 格产品的时间响应作为参考曲线. 调整被测件相应谐振回路和耦合参数, 直到将被测件测试结果调整到与参考线重合.这时,被测件的频响自然满 足要求. Agilent N4261A软件可方便指导用户的腔体滤波器调试工作. 网络分析仪时域功能应用于滤波器调整详细内容,可参考“ Agilent 技术应 用指南1287-8” .

时域功能使用步骤
1.设置测试频率范围 ( 频率范围与时域时间分辨率有关 ) 2. 启动测试 , SYSTEM→ transform menu 3. 仪表校准 ,one-port or two-port cal 4. 选择测量参数 : S11 * 5. 时域测量方式 (low pass step) * 6. 测试参数显示方式 (real )* 7. 选择窗函数 8. 设置测量时间长度 9. 时间门功能 ( gating): 10. 显示门内频率相应图形

* If using two channels (even if coupled), these parameters must be set independently for second channel

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网络分析仪时间域功能操作典型过程.

网络分析仪多端口器件测试方案
? 3端口S-parameters测试
HP 8753ES #H39 Port 1

? 30 kHz 3( 6 )GHz频率范围 ? Full 2-port calibration

Port 2

Port 3

HP 8753ES

#K39 Port 1

Port 2

Port 3

? H39 vs. K39 ? Internal vs. External ? H39: Ports at coupler output ? K39: Ports at switch output

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Agilent8753/20 网络分析仪支持多端口测试功能, 多端口测试系统可满 足多端口被测件测试要求,提高测试效率和产品测试速度.

Agilent 87050 系列 多端口测试座
? 被测件一次连接完成所有指标测试, 提高测试效率 ? 测试端口校准 , 减少校准次数

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多端口测试座工作时, 其工作状态在主机控制下完成,多通道测试参数显示在主机界面上.

平衡器件参数测试
? 平衡器件 : 对差分输入信号响应 ,对共模输入信号抑制
差分输入信号 Differential-mode signal

差分输入 /单端输出
TX IF LC Filter SAW filter

共模输入信号
Common-mode signal (EMI or ground noise) 差分输入信号 Differential-mode signal

共模输入信号
Common-mode signal
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差分输入 /差分输出

差分电路在低频电路中得到广泛应用,基于相同原因,差分电路/差分器件 在射频电路中也获得广泛应用.采用差分电路的好处有:免除电磁干扰 ; 电源噪声和接地噪声, 偶次谐波抑制以及允许不理想的RF接地.

混合S参数反映平衡器件性能
Differential-Mode Stimulus Common-Mode Stimulus Port 1 Port 2

S=b/a

Port 1

Port 2

DifferentialMode Response CommonMode Response

Port 1 Port 2 Port 1 Port 2

? S DD11 ?S ? DD21 ? SCD11 ? ? ? S CD21

S DD12 S DD22 SCD12 S CD22

S DC11 S DC 21 S CC11 SCC 21

S DC12 ? S DC 22 ? ? S CC12 ? ? SCC 22 ? ?

混合 S参数定义 : Smode response, mode stimulus, port response, port stimulus

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对差分平衡器件的测试,需要采用混合S参数来描述其特性,混合S参数在 普通S参数上增加下标表示不同激励和输出状态. 具体定义如下: DD: 电路差模激励 /差模响应特性 . CC: 电路共模激励 /共模响应特性 . DD与 CC比值 : 共模抑制比 CMRR. CD: 电路插模激励 /共模响应特性 , 对于理想器件,该项目为零.也就是说, 被测件没有模式的转换.实际器件存在某种程度的模式转换.存在的差模 至共模的转换越多,来源于系统的EMI辐射或产生不希望的地回路也就 越多. DC: 电路共模激励 /插模响应特性 ,对于理想器件,该项为零.对于实际器 件,存在某种程度模式转换.共模至差模转换越大,系统对共模噪声(接地 噪声,EMI干扰 )越敏感.

Agilent 平衡器件测试组合
网络分析仪表 处理软件
? ? ?

仪表控制 校准 数据处理

平衡器件测试座 4-port ECal

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Agilent 8753/20系列网络分析仪支持相应频端平衡器件测试功能.要完成 平衡器件测试需要网络分析仪;测试座和测试软件.为完成平衡端口校准, 可利用4端口校准件. 关于平衡器件测试详细内容,可参考: “ Agilent技术应用指南1373-1” .

夹具上器件测试
测试问题: 同轴校准面与被测件测量面不同?

Fixture effects

Fixture effects

Calibration Plane Fixture ED ET Error correction with coaxial calibration E S

Measurement Plane

DUT

Loss Phase shift l Mismatch
l l

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网络分析仪提供的标准测试接口是各种形式的同轴方式, 如:BNC,SMA,N等类型.许多被测试件并不能与同轴接口直接相连, 如:MMIC,SMT器件等.为利用网络分析仪对这些器件进行测试,需要通 过测试夹具或其它转换电路进行转接. 网络分析仪表提供的标准校准件只能完成同轴端口校准.这样一来,只能 精确测试被测件加转接电路的性能,为精确测试被测件性能,需要去除外 围转接电路的影响.

夹具上器件测试及校准

Port Extension 端口延伸

Calibration Port Extension Calibration

夹具上校准

De-embedding 计算

Calibration De-embedding Networks

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常用的消除外围电路影响的方法有:端口延伸法 ;夹具上校准;deembeding法.这些方法的操作过程和技术特点各不相同.

网络分析仪测试端口延伸
Port Extension 将校准面进行延伸
?Port extension 对测试相位性能有补偿作用 ?补偿不能解决夹具损耗和阻抗不匹配

Port Extension

Port Extension

校准面

校准面

测试面

测试面

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端口延伸(Port Extension) 是消除被测件外围电路影响最简单的方法, 它 通过数学运算将网络分析仪的校准面延伸到被测件的测试端面.相当于 对相位增加一个偏移量. 使用端口延伸的前提条件是外围电路无插损,或插损与被测件相比可忽 略,外围电路具有线性相位特性;阻抗与仪表特性阻抗相同.

端口延伸值的确定
调整端口延伸值步骤 :
进行 1-port cal校准后连接测试夹具 将测试夹具上被测件接触点短路 ,仪表 Smith chart & phase 显示

? 调整端口延伸值直到 :Smith chart 指示短路, 相位读值为 180 deg.

Phase ? 180 deg.

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端口延伸的设置要保证将校准面精确延伸到被测件测试端面.具体操作 步骤为: 步骤 1. 在网络分析仪和测试夹具连接的同轴接口处进行. 步骤 2. 先将测试夹具连接到测试夹具.然后把测试夹具上被测件安装电 极处短路. 步骤 3. 网络分析仪表测试状态设置为反射:S11,S22,显示方式为史密斯 圆图和相位,读出测试端口阻抗和反射相位值. 步骤 4. 调整端口延时设值,直到网络分析仪显示值为短路,此时相位值应 为180度.这说明校准端已被延伸到被测件安装极点.既校准面等于测试 面. 关于夹具上器件测试详细技术内容,可参考:“ Agilent技术应用指南 E5070/71-1” ;“ Agilent技术应用指南1287-9”

通过计算处理消除网络影响 : De-Embedding ? 建立 Touchstone file文件形式网络参数 (. (.s2p) s2p) 消除外围网络
Network #1

Network #2
Coaxial Connector

L

Microstrip

C
Simplified the Test Fixture model

Network #3

测试夹具ADS 模型
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De-Embedding 通过建立外围电路的数学模型,然后通过计算将其对测试 结果的影响消除掉 De-Embedding 的关键是首先需建立外围电路网络的精确数学模型, Agilent网络分析仪及 ADS软件可方便完成电缆建模工作.这样可将网络分 析仪直接与ADS软件直接相连,利用ADS 完成建模和 De-Embedding 计算 及其它参数提取工作.

测试夹具
Agilent Partner 提供定制 SMD器件测试夹具
- de-embedding 数据 (Touchstone files) de-embedding 处理结果

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测试夹具的设计需考虑阻抗匹配;干扰屏蔽;参数建立等方面.

On-wafer 器件测试方案
? http://www.cascademicrotech.com/
Line

Reflect

Reflect
(probes in air)

Match

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对于晶片器件测试,Agilent 网络分析仪可与各测试探针台兼容.标测试软 件可完成仪表驱动,校准,测试等功能.

利用 IC-CAP 对器件建模
?通过网络分析仪测试建立器件模型参数

IC-CAP
测量参数 模型参数 仪表设置 网络分析仪
XXXXXX X
x x x x x xxxxxx x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x xxxxxxx x x x x xxxxxxx

Model Libraries

Circuit Design Device Design Process Control

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Agilent ADS 软件 IC-CAP 可与网络分析仪连接,通过器件测试建立该被 测件的模型参数.


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