网络分析仪培训

安捷伦科技ENA产品分销商培训第一部分矢量网络分析仪的基本原理内容安排•什么是网络分析?•为什么需要对器件进行测量?•使用网络仪可以测量哪类器件?•光波和无线电波的相似性•矢量网络分析仪的测量原理•传输线理论基础•反射参数和传输参数的测量•S参数•校准•衡量网络分析仪性能的几个关键指标2矢量网络分析仪原理与应用验证复杂射频系统中使用的各个“积木——器件和模快”的真实性能确保所传输的信号的不会失真•线性特性:幅度频率响应特性平坦，相位频率响应特性呈线性特性，群时延特性平坦•非线性特性:出现各种谐波分量，产生交条失真，产生信号的压缩现象（增益压缩），AM到PM转换确保器件之间有良好的匹配，提高信号能量传输的效率（例如放大器和天线之间的阻抗匹配）用测量结果验证仿真设计的正确性为什么需要对器件进行测量?KPWRFM973矢量网络分析仪原理与应用什么是“网络分析”?•“网络”一词最早用于指电子器件和电路•今天，网络的范畴早已扩展到计算机的互连网络，例如因特网•在射频微波领域:RF和微波器件的网络测量和分析只意味着对高频器件和电路的特性进行表征4矢量网络分析仪原理与应用可以用矢量网络分析仪进行测量的器件种类器件的类型有源器件无源器件器件的集成度各种天线开关多路复用器混频器取样器倍频器件二极管天线收发器双工器滤波器耦合器电桥功率分配器合路器隔离器环路器衰减器连接器、适配器、转接头开路、短路、负载延迟线射频电缆传输线波导器件和部件谐振器晶体介质材料、磁性材料电阻、电容、电感射频集成电路（RFIC）微波集成电路（MMIC）T/R组件收发信器件接收机调谐器转换器放大器压控振荡器VTF振荡器调制器晶体管低高5矢量网络分析仪原理与应用光波和射频无线电波的相似性射频无线电信号入射光反射光透射光光波被测器件入射信号被反射的信号被传输的信号透镜6矢量网络分析仪原理与应用测量结果中既要有幅度信息，也要有相位信息4.时域特性的表征幅度时间5.矢量误差校准误差值测量值真实值2.提供设计匹配电路所需要的阻抗值的复数信息3.提供器件建模所需的复数信息1.完整地表征对线性网络的特性高频晶体管模型集电极基极发射极S21S12S11S227矢量网络分析仪原理与应用内容安排•什么是网络分析?•为什么需要对器件进行测量?•使用网络仪可以测量哪类器件?•光波和无线电波的相似性•矢量网络分析仪的测量原理•传输线理论基础•反射参数和传输参数的测量•S参数•校准•衡量网络分析仪性能的几个关键指标8矢量网络分析仪原理与应用传输线理论低频信号信号波长（甚）大于传输导体的长度电流沿着导体传输，能量的传输简单有效测量到的电压和电流和传输路径上的位置没有关系高频信号信号波长等于或小于传输导体的长度为了有效地传输能量需要使用具有一定特性的传输线为了得到低反射和最大的能量传输，与特征阻抗(Z0)相匹配非常重要测量到的电压包络与在传输线上的位置有关I+-9矢量网络分析仪原理与应用特征阻抗(Zo)•传输线最基本的特性参数•定义电压和电流波形间的关系•由传输线的材料的介电常数和物理构造决定•对大多数射频系统而言，特征阻抗的值要么是50Ω，要么是75Ω的同轴传输线的特征阻抗Zo(Ω)1020304050607080901001.00.80.70.60.50.91.51.41.31.21.1归一化值50Ω标准(大功率应用)衰减处理功率的能力小功率应用10矢量网络分析仪原理与应用功率的传输效率（电阻性负载）RSRL当RL=RS时可以达到传送最大功率的效果RL/RS00.20.40.60.811.2012345678910负载功率归一化值RL=RS=Zo•射频信号传输效率最高的条件11矢量网络分析仪原理与应用传输线的负载阻抗等于Z0的情况对于反射的情况来说,当传输线所接的负载等于Z0的时候，就相当于一个无线长度的传输线，信号永远反射不回来，传输线上只有行波存在，没有形成驻波Zs=Z0Z0(所有入射的能量都被负载吸收)Z0=传输线的特征阻抗V反射=0V入射12矢量网络分析仪原理与应用传输线的负载为短路和开路的情况Zs=Z0对于反射的情况来说，当传输线的负载为开路或着短路时，所有的能量都被反射回来，在传输线上形成了驻波开路同相反射(0o)短路异相反射(180o)V反射=V入射V入射13矢量网络分析仪原理与应用传输线的负载为25W的情况V反射对反射的情况来说，当负载ZL介于开路/短路和Z0之间时，部分能量被反射回来。形成的驻波的形状不同于当传输线负载为开路或短路时的情况，它的最小值不会到0Zs=Z0ZL=25WV入射14矢量网络分析仪原理与应用射频器件的特性可以用反射参数和传输参数表示被传输的信号入射的信号传输参数增益/损耗S参数S21,S12群时延传输系数插入相位被反射的信号入射的信号反射参数SWRS参数S11,S22反射系数阻抗，导纳R+jX,G+jB回波损耗G,rT,tAR=BR=被测器件入射信号被反射的信号被传输的信号15矢量网络分析仪原理与应用反射参数dB没有反射(ZL=Z0)rRL电压驻波比01全反射(ZL=开路,短路)0dB1反射系数=ZL-ZOZL+OZ=V被反射的信号V入射信号=rFG＝G回波损耗(RL)=-20log(r)电压驻波比=E最大E最小=1+r1－rE最大E最小16矢量网络分析仪原理与应用传输参数V被传输的信号V入射信号传输系数T=VV＝tDUT增益(dB)=20Log＝20logt插入损耗(IL)(dB)=-20Log＝-20logt被传输的信号入射信号VV被传输的信号入射信号VV被传输的信号入射信号17矢量网络分析仪原理与应用复数阻抗在坐标图上的表示方法∞0+R+jX-jX复数阻抗的直角坐标∞0o.4.6.2.81.0-900o180o90o极坐标L=LoZ-ZZ+oZVNA测量的反射系数ГГθ18矢量网络分析仪原理与应用史密斯圆图•把阻抗在直角坐标中的值映射到极坐标上=0GZL=Zo等电抗（X）弧线等电阻（R）圆G=±180o1(开路)ZL=(短路)ZL=0G=±0o1•归一化到特征阻抗Zo（50Ω或75Ω）上19矢量网络分析仪原理与应用当测量频率很高时要使用S参数•当频率很高时，再用H、Y和Z参数来表示阻抗已没有实用意义•在测量端口上测量总电压和总电流非常困难•如果用开路或短路测量条件进行测量，极可能会毁坏被测的有源器件•使用S参数的好处•用行波电压定义S参数，容易进行测量•测量结果可以与大家所熟悉的参数，例如增益、损耗、反射等关联起来•无需给被测器件连接有可能导致器件毁坏的额外的负载•多个器件级联之后总的S参数可以通过把每个器件的S参数的测量结果进行级联而得到•很容易把S参数导入EDA电路仿真软件作为仿真所需要的数据来使用20矢量网络分析仪原理与应用为什么要使用S参数?在高频测量范围，相对来说S参数是比较容易得到的使用矢量网络分析仪测量行波电压测量时无需使用可能会导致被测有源器件自激或自毁的短路器件或开路器件S参数可以和大家都比较熟悉的测量参数（例如增益、损耗、反射系数等)关联起来由多个器件组成的系统的S参数可以通过把每个器件的S参数级联起来而得到，比较容易预测整个系统的性能如果需要，可以从S参数计算出H、Y或Z参数可以很容易地把S参数导入并应用在软件仿真工具中入射信号传输信号S21S11反射参数S22反射参数传输信号入射信号b1a1b2a2S12DUTb1=S11a1+S12a2b2=S21a1+S22a2端口1端口221矢量网络分析仪原理与应用测量S参数S11=反射信号入射信号=b1a1a2=0S21=传输信号入射信号=b2a1a2=0S22=反射信号入射信号=b2a2a1=0S12=传输信号入射信号=b1a2a1=0入射信号传输信号S21S11反射参数b1a1b2Z0负载a2=0DUT前向S参数入射信号传输信号S12S22反射参数b2a2ba1=0DUTZ0负载反向S参数122矢量网络分析仪原理与应用S参数所表达的意义S11=前向反射系数（输入匹配）S22=反向反射系数（输出匹配）S21=前向传输系数（增益或损耗）S12=反向传输系数（隔离度）需要注意的是：虽然我们经常会在图形上用对数刻度、在数值上用分贝（dB）来表示S参数，但是，在本质上S参数是复数量，而且是线性参数23矢量网络分析仪原理与应用用矢量网络分析仪进行测量时为什么需要进行误差校准?•在现实情况中制造仪表所需要的器件和部件都不是完美无缺的•如果真的存在不需要进行误差校准的硬件（仪表），那么这样的仪表将会是无比昂贵的•用户最终需要的是：仪表的性能要出色、大多数用户能够买得起、有足够的误差校准技术和方法来提高测量精度24矢量网络分析仪原理与应用测量误差的类型•系统误差•由仪表的硬件的不理想以及测量的设置而导致•被认为是不会随时间的变化而改变（可以预测的误差）•随机误差•随着时间会产生随机性的变化（不可预测的误差）•主要是由仪表的噪声，内部使用的开关和连接器等性能的不稳定性造成•漂移误差•在校准之后系统的性能又发生了变化•主要是由环境的温度发生了变化而导致•通过稳定周围环境温度可以使漂移误差最小25矢量网络分析仪原理与应用什么是矢量误差校准?•校准实际上是一个征各项系统误差的测量过程•对已知性能的标准校准件进行测量•从随后的实际测量结果中减去对校准件进行测量所得到的误差量•1端口校准（反射测量）•只测量定向耦合器的方向性、源阻抗匹配和反射跟踪•2端口充分校准（反射和传输测量）•测量全部12个出差项•对4个校准件（SOLT——开路，短路，负载，直通）进行总共12次测量•校准件的真实值保存在校准件的定义文件中•安捷伦的矢量网络分析仪内包括所有的安捷伦的校准件的定义文件26矢量网络分析仪原理与应用正确地选择所需要的校准方法•进行简单的测量，通常对测量精度没有要求•不能去掉测量误差DUT不进行校准•校准操作容易进行•适用于不要求极高的测量精度的情况•去除频率响应误差直通件频率响应校准DUT•只做反射测量•在测量2端口器件时，需要把在不进行测量的端口上接一个匹配良好的负载才可得到精确的测量结果•能够消除：方向性误差源匹配误差反射跟踪误差1端口校准短路件开路件负载件DUT•测量精度最高•能够消除：方向性误差源匹配误差反射跟踪误差传输跟踪误差串扰误差2端口充分校准直通件DUT•频率响应校准和1端口校准相结•能够在传输测量中消除源适配误差的影响增强型响应校准27矢量网络分析仪原理与应用短路件开路件负载件短路件开路件负载件电子校准件（Ecal）•只需要把校准件与网络仪连接一次即可完成全部校准•减少校准测量所需要的时间•消除因为操作不当引起的误差•把对连接器和校准件的使用磨损降低到最低程度•各种各样的电子校准件•2端口或4端口电子校准件•电子校准件端口连接器的类型可以任选，最多可以有6中组合•不同的测量频率范围使用不同的电子校准件•可以编程的阻抗状态•R提供经过温度变化补偿的性能一致的匹配阻抗•在安捷伦工厂经过校准，可溯源至国际标准28矢量网络分析仪原理与应用什么是矢量网络分析仪矢量网络分析仪(VNA)是•进行激励——响应测试的系统•从正向和反向两个方向表征射频和微波器件对信号影响特性——反射和传输特性（S参数）•定量测试线性幅度和相位信息•可以进行快速的扫描测量•测量的结果可以达到最高的精度S21S12S11S22相位幅度DUT反射信号传输信号29矢量网络分析仪原理与应用矢量网络分析仪的组成结构测量接收机/检测电路信号处理器/显示器射频反射信号(A接收机)射频传输信号(B接收机)射频输入信号(R接收机)信号分离装置射频激励源射频入射信号射频反射信号射频传输信号DUT30矢量网络分析仪原理与应用T/R测量装置与S参数测量装置的不同RF激励信号只能从测量端口1输出测量端口2只能当接收机使用可以做频率响应校准和1端口校准RF激励信号可以从测量端口1或2输出可以做正向和反向参数测量可以做2端口校准传输/反射测量装置测量端口2激励源BRADUT正向S参数测量装置DUT正向反