使用 FieldFox 手持式分析仪 进行时域测量的技巧
应用指南
FieldFox 手持式分析仪时域测量实用技巧
本应用指南将介绍时域和故障点距离（DTF）测量技巧。利用这些技巧，您可以在现场测量时识别断点的位置和相对幅度。本应用指南将介绍频域测量与时域转换之间的关系，以及它们与时间分辨率和量程之间的关系。另外还将介绍对带宽有限器件进行表征的 VNA 配置，例如耦合器、滤波器、天线和波导器件、以及电缆和连接器等宽带设备。本指南还将探讨时域“选通”功能，该功能可以在时域有效隔离断点，如同滤波器在频域中隔离能量一样。最后是使用是德科技公司的FieldFox 矢量网络分析仪进行测量的实例。
引言
通信或雷达系统由器件和系统构成，要对这些器件和系统的功能进行测试并确定其是否合格，常常要求这些器件的电子性能要达到其工作频率范围内的某一规定性能。这些技术指标包括电压驻波比（VSWR）、回波损耗和插入损耗等。当被测器件（DUP）达到或未达到其作为频率函数的性能要求时，这些技术指标将提供一个明确区分。图 1a 所示为某个系统上的测得的 VSWR，在 8.5 至 12 GHz 的测得频率范围内，VSWR 在多个地方超出了技术指标。本例中使用的 Keysight FieldFox 矢量网络分析仪（VNA）使用了限制线配置，以帮助操作人员快速确定被测器件是通过还是未通过测试。
虽然频率测量能够提供系统是否正常工作的有用信息，但只有扫描频率无法提供足够信息来确定问题的根本原因。当系统无法达到技术指标时，进行故障诊断常常很困难，因为此时需要将器件插入或拔出系统直至性能再次达到规定要求。所幸的是，现在有另一种测量技术能够针对此类问题提供详细的位置和大小信息。该技术依赖于时域测量和矢量网络分析仪，例如 Keysight FieldFox，能够显示单端口或两端口元件和系统的时域特征。图 1b 所示为 VSWR 测量的时域转换，同时个别断点的位置显示为时间的函数。在本例中，我们假设时域中的最大峰值与造成系统超出技术指标的元件有关。在了解信号在传输系统中的传播速度后，便能确定故障点的位置，然后快速修复系统。本应用指南将介绍时域和故障点距离（DTF）测量技巧。利用这些技巧，您可以在现场测量时识别断点的位置和相对幅度。
时域测量基础知识
时域分析在观察传输线系统上的失配影响时非常有用。当射频或微波信号沿传输线传播时，一小部分信号会在路径上的任何断点反射回来。使用时域分析法，每个断点的位置可显示了为沿 x 轴的时间函数，而反射信号的幅度，或 S11，则沿 y 轴进行绘制。在了解了沿传输线的传播速度之后，时间测量就能按比例换算为物理距离。另外，它还能检查发射信号的时域响应，或 S21，但这个测量需要在系统的两个端口进行连接。由于现场测量常常限制为只能接入系统的一个端口，本应用指南将会主要针对反射的时域响应，或称 S11 测量。
图 2 所示为一个简单的时域响应示例，测试将两小段同轴线使用适配器连接在一起，并端接一个 50 Ω 的同轴负载。如果对线路的输入施加短脉冲波形激励，则可能观察到从每个断点反射的脉冲响应，该响应与时间有函数关系。在这种情况下，将会出现来自输入连接器 (1)、适配器 (2)和端接 (3) 的反射信号。过大的峰值可能代表这些器件中存在一个或多个问题。另外还能使用阶跃波形来激励传输线，有关该技术的详细信息参见是德科技时域应用指南 1287-12 [1]。
来自任何单端口或双端口设备的测量可在时域和 / 或频域中进行表征。如果测量在一个域中进行，则另一个域可使用众所周知的数学技术——傅立叶变换（FT）来计算。这种变换提供了解决问题的通用方法，让人们可以从一个完全不同的视角来检查特定的测量问题 [2]。如果使用时域方法来记录测量，那么 FT 计算能得出数据的频域表示。反之，如果开始捕获的是频域数据，那么经过反傅立叶变换（IFT），可生成数据的时域表示。实际情况就是相同的数据可同时在时域和频域中显示，打造出一个功能强大的分析和解决问题的工具。现代化的测试仪器，如 VNA，将这个数学转换功能集成为固件的一部分，使用户可以显示时域或频域数据，或同时显示两种数据。例如，图 1a 和 1b 所示为使用 Keysight FieldFox VNA 记录的频率测量和时域转换。
具有时域功能的仪器
有两种基本仪器能够显示单个断点沿传输系统的时域响应：时域反射计（TDR）和矢量网络分析仪（VNA）。时域反射计使用传统方法，发射一个激励或阶跃波形到被测设备，并直接测量作为时间函数的响应 [3]。使用阶跃信号发生器和宽带示波器，如 Keysight 86100D DCA 及 54754A TDR 模块，可将快速边沿发射到传输线路中。入射和反射电压波形可用宽带示波器来监测，每个断点的位置可显示为时间的函数。矢量网络分析仪，如 Keysight FieldFox N9918A VNA，主要是频域测量仪器，能够测量单端口和两端口设备的反射和传输特征。使用在频域内测得的经过误差校。
正的数据，就可以使用 IFT 计算出网络对脉冲或阶跃函数的响应，并且显示为时间函数。如果 VNA 使用的是窄带测量接收机，动态范围通常会高于基于示波器的TDR 系统。另外 VNA 还具有用于测量带宽有限设备的时域功能，称为带通模式，本应用指南将在稍后讨论此功能。最后，FieldFox VNA 有一项被称为电缆和天线（CAT）分析仪的配置，它能执行相同的频域至时域转换，但会将时间测量标度为对应的物理距离，以帮助操作人员在现场快速确定射频和微波传输线路中的故障点位置。
使用喇叭天线的测量实例
在图 3 所示的测试配置中，我们使用一个 X 频段波导喇叭天线和在天线附近放置一个独立的金属板来进行空中频域和时域响应测量。高增益喇叭天线连接至一小段WR-90 波导传输线，然后将传输线连接到波导至同轴适配器以连接 VNA。VNA 在适配器与仪器端口相连接的平面上进行校准以进行 S11 测量。测量将包括图 3 中所示所有部件的响应，还将包括周围环境中其他项目的响应。金属板是一个安装在三角架上的 0.3 平方米的铝板，放置在天线正前方。金属板与天线之间的距离可变化以便检查频率与时间响应的变化。图 4 所示为该系统在三种测试条件下的频率响应；其中两种的金属板靠近天线，另一种不使用金属板。黄色迹线显示的是不使用金属板的测量。由于各种传输线间的交互作用以及周围环境中各项目的反射，测量的 S11 响应有小的纹波。蓝色迹线显示的是金属板距喇叭天线 1.7 米时的频率响应。在这种情况下，S11 与不使用金属板时相比有更大的纹波。橙色迹线显示的是金属板再靠近一些、间距为 1.2 米时的结果。此时，纹波更加明显，因为来自金属板的反射信号有更大的接收幅度。
事实上，放置在天线系统附近的金属结构可能对系统性能产生了负面影响，因为来自这些额外结构的反射所产生的纹波可能大到足以使得性能超出技术指标。如上所述，仅检查频率响应并不足以找出问题的根源。在这些测量条件下的时域响应将在接下来进行检查。
图 5 所示为使用 Keysight FieldFox VNA 及 时域选件时天线系统的时域响应。不采用金属板时的结果如黄色迹线所示，来自周围环境的信号反射的峰值比来自适配器和天线的峰值低。这种类型的测量将为新系统安装提供一个良好基准，并可用作对比，因为本系统周围将会添加更多的天线元件和结构。图 5 还显示了金属板放在天线附近时的时域响应。金属板与天线间距 1.7米时的结果如蓝色迹线所示，其中有一个大的峰值代表来自金属板的反射，右侧的较小峰值代表来自三角支架的反射。当金属板和三角架移近至 1.2 米时，结果如橙色迹线所示，测得的时域响应显示了这些峰值的等效时间偏移。通过这些测量，您会发现与适配器和天线有关的峰值是静态的，因为这些器件在测试过程中未发生改变。另外，当金属板向天线移动时，与金属板有关的峰值幅度有一个明显增加。这种峰值幅度的增加是由于信号现在沿更短的距离进行传播，空间损耗降低造成的。
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