网络分析仪可用于表征射频(RF)器件。尽管最初只是测量 S 参数,但为了优于被测器件,现在的网络分析仪已经高度集成,并且非常先进。

我们先来看一下网络分析的基础知识,再来看看网络分析仪还可以执行哪些高级测量。

什么是网络分析仪?

网络分析仪可用于表征射频(RF)器件。尽管最初只是测量 S 参数,但为了优于被测器件,现在的网络分析仪已经高度集成,并且非常先进。

射频电路需要独特的测试方法。在高频内很难直接测量电压和电流,因此在测量高频器件时,必须通过它们对射频信号的响应情况来对其进行表征。网络分析仪可将已知信号发送到器件、然后对输入信号和输出信号进行定比测量,以此来实现对器件的表征。

早期的网络分析仪只测量幅度。这些标量网络分析仪可以测量回波损耗、增益、驻波比,以及执行其他一些基于幅度的测量。

现如今,大多数网络分析仪都是矢量网络分析仪——可以同时测量幅度和相位。矢量网络分析仪是用途极广的一类仪器,它们可以表征 S 参数、匹配复数阻抗、以及进行时域测量等。

PNA Network Analyzers
比如,其中的 PNA-X 矢量网络分析仪便是一款高端网络分析仪。

这个测量示例的高级框图显示,有一个正向发送的信号通过被测器件的输入端到达了输出端。从器件的输入端到输出端的测量被称为正向测量

网络分析仪的接收端可以测量入射、反射和传输的信号,以便计算正向 S 参数。

General Network Analyzer Block Diagram
通用网络分析仪的方框图

矢量网络分析仪的关键技术指标

矢量网络分析仪既是信号发生器又是接收机,因此它们有大量非常必要的技术指标。在本节中,您将了解到网络分析仪的一些关键技术指标。

最大频率

VNA 的最大频率是指其能够测量的最高频率。网络分析仪的接收端带有模数转换器(ADC),它可将输入信号转换为数字格式。然后,即可对这些信号进行分析和显示。但是 ADC 不具备在射频范围转换信号的能力,因此入射信号必须下变频到它的工作频率。这个工作频率称为中频(IF)。

动态范围

动态范围是指能够测量元器件响应的功率范围。

此图显示了定义动态范围的两种不同方式。系统动态范围是指用于仪器技术指标的值。

  • 系统动态范围是指在不采用升压放大器、不考虑被测器件增益时的仪器功能。仪器的最大源功率是指它的最大功率电平,即 Pref
  • 接收机动态范围是指采用功率放大时的仪器动态范围。与将源功率作为最大功率电平不同,这个技术指标以仪器的接收端能够测量的最大功率 Pmax 为基础
Definition of Dynamic Range
定义动态范围

下方左侧图中显示了带通滤波器 S21 测量的一条迹线,它显示了仪器的动态范围。迹线的上限比较平坦,下限包含一些噪声。让我们来看一下哪些因素决定了这些边界的形状。

动态范围的最大功率电平是由源功率电平的上限和接收机的压缩点决定的。

组成接收机的混频器和放大器在达到饱和之前、或达到最大输出之前,只能处理这么多的功率。当一个器件处于饱和区域时,其输入和输出之间不再存在线性关系。

放大器的饱和可在下方右侧图中看到。在输入功率高于 1W 时,实际输出(红色)会偏离理想输出(绿色)。这种现象称为压缩。接收机无法捕获高于其压缩点的任何器件输出的信号。输入功率的这种限制就构成了动态范围的上限。

网络分析动态范围图片
迹线的动态范围
网络分析增益压缩图
在增益压缩图中,放大器的理想线性传递函数用绿色显示,真实传递函数用红色显示。

输出功率

输出功率反映的是 VNA 的信号发生器和测试仪可将多少功率发射入被测器件。它用 dBm 表示,参考值为 50Ω 阻抗,以便匹配大多数射频传输线的特征阻抗。

高输出功率对于提升测量的信噪比或确定被测器件的压缩限制非常有用。

很多有源器件,例如放大器,都需要进行极富挑战性的超出网络分析仪功率极限的线性和非线性高功率测量。

迹线噪声

迹线噪声是指您所看到的由于系统中的随机噪声而造成的在被测器件的响应上形成的叠加噪声。它能让信号看上去不那么平滑,甚至有些抖动。

迹线噪声可以通过提高测试功率、降低接收机的带宽或取平均值而消除。

矢量网络分析仪校准

射频测量极其敏感。测试电缆、连接器和夹具都会影响测量。我们要表征的是被测器件,而不是被测器件与网络分析仪之间的电缆。

在默认情况下,网络分析仪会把测试端口之外的一切都视为被测器件。这就意味着网络分析仪的参考平面就在测试端口上。超出参考平面的一切都会包含在测量中。

这些图描述了校准前后的参考平面。在校准之前,网络分析仪端口之外的一切,包括电缆和连接器,都包括在测量中。

在校准之后,参考平面已经移动,因此网络分析仪会校正电缆和连接器,仅测量被测器件。在一个非常高的水平来看,对电缆和连接器执行校准类似于在称重时进行皮重归零。

网络分析仪校准图片
校准之前的参考平面
网络分析仪校准之后的参考平面图
校准之后的参考平面

两种常用的校准方法是 TRL(直通、反射、线路)和 SOLT(短路、开路、负载、直通)。这些方法是阻抗和传输测量的不同组合,用于表征电缆和夹具以进行校准。

这些校准技术包括将具有已知属性的标准件连接到测量装置,以便代替被测器件。网络分析仪可以通过将测量值与标准件的值进行比较,对电缆和连接器进行校正。

在传统上,执行校准时会使用机械标准件。操作员需要单独进行每个连接,然后利用仪器执行测量。一次全双端口校准需要七次机械连接。这个过程非常耗时,并且可能会产生人为错误。

电子校准件仅需一次连接,便可通过电气计算来重现不同类型的负载。电子校准具有快速、可重复和减少连接器磨损的优点。

Mechanical Calibration Kit
机械校准套件
Electronic Calibration (eCal) Module
电子校准件

矢量网络分析仪和附件

要进行精确测量就要选择恰当的矢量网络分析仪、电缆和连接器,以便把您的仪器连接到被测器件。

矢量网络分析仪

从简单的 S 参数工具到高度集成的仪器,形式多样的矢量网络分析仪可以代替整个机架的设备。无论是在现场、计量实验室还是针对产品线,都有一款适合的网络分析仪可以提供权衡得当的速度、性能和灵活性。

是德科技提供了非常丰富的网络分析仪型号和款式——从便携式 FieldFox 到高度集成的 PNA。

连接器

仪器和被测器件之间的连接对于进行可靠测量极为关键。射频测量非常灵敏,因此您务必要把连接器的技术指标考虑在内。连接器可以使用三个主要的技术指标来表征:特征阻抗、频率范围和质量。

特征阻抗和频率范围可以大致近似于连接器的导体尺寸。特征阻抗与导体内外径(分别为图中的 d 和 D)的比值存在函数关系。非常重要的是,要将电缆和连接器的特征阻抗与您的被测器件相匹配、以便最大限度降低反射。

频率范围与外部导体(D)的内径有关。同轴电缆的最大频率可用下面的公式进行近似:

最大频率(GHz)= 120/D(mm)

例如,这意味着一个 3.5 mm 导体的最大频率大约为 120 / 3.5 = 34 GHz。务必确保您的硬件能够处理您所需要测试的频率。30 GHz 以上的毫米波频率需要让连接器和电缆使用更小的导体。

在选择连接器时,您需要了解哪个质量等级是您所需要的。质量是衡量连接器优异与否的一个标准。质量等级分为三级:产品级、仪器级和计量级。

  • 产品级:也叫通用级,这些连接器适用于能够接受有限连接和低重复性的经济型应用
  • 仪器级:仪器级连接器主要用于精密型的测试与测量设备,对于这些设备而言,可重复性和长使用寿命是主要的考虑因素
  • 计量级:计量级最适合用来校准,因为校准时对连接器的性能和可重复性要求最高。这些精密的连接器能够在阻抗方面提供最高级别的确定度
Frequency Range Determination
确定频率范围

矢量网络分析仪附件

从频率扩展器到测试仪控制器,网络分析仪附件可以将仪器变成一套完整的解决方案。

硬件附件可以帮助您:

  • 表征介电材料
  • 测试在片器件
  • 测量高功率放大器和混频器

以及更多。

Vector Network Analyzer Accessories

使用矢量网络分析仪执行测量

VAN 的用途是如此广泛,以至于每种测量都足以构建一个单独的网站加以说明;不过我们要来看一下,此处讨论的基本原理如何适用于每种测量。

第一步:设置您的测量

VNA 可以进行所有类型的测量,但您通常需要设置某些类型的扫描。扫描的主要参数是起始频率和终止频率、功率以及中频带宽。

起始频率和终止频率

  • 这些值决定着频率扫描的边界
  • 选择能够全面捕获器件行为的值
  • 如果您知道将要测量的中心在哪里,就要据此来设置中心频率和扫宽

电源

  • 这个值决定着将要发送到被测器件的测试信号的功率电平
  • 对于无源器件(例如滤波器),请使用最大源功率
  • 对于有源器件,则需限制功率,以避免在被测器件或 VNA 上形成压缩
  • 设置一个比较高的功率电平,以便改善信噪比

中频带宽

  • 依据可接受的测量速度来选择所需的分辨率带宽
  • 使用较小的中频带宽可以获得更高的测量分辨率;但其不利影响是会降低测量速度
Measurement Setup

第二步:校准

校准是实现精确测量的必要前提,但首先,您需要对您的测量装置进行测试。

步骤如下:

  1. 连接您的器件,执行未经校准的测量。
  2. 调整频率范围和中频带宽,确认能够捕获到您需要看到的一切。
  3. 确认校准套件拥有与被测器件相同的连接器类型和性别。
  4. 将校准套件连接至您的测量装置,执行校准。
  5. 校准完毕后,一切都已准备就绪;您可以随时重新连接被测器件。
  6. 如果您更改了频率范围或中频带宽,则需要重新进行校准。

技巧:使用扭矩扳手进行连接,以便固定各个导体之间的接触点,而不对其造成损坏。仅旋转连接器上的螺母;避免导体之间彼此扭曲。

Network Analyzer Calibration

第三步:解读结果

VNA 拥有很多软件工具可以帮助您分析测量结果,比如 3 dB 带宽的游标、时域分析功能等。选择正确的软件和功能可让分析工作变得更轻松。

高度集成的网络分析仪(如 PNA)能够配备数十种应用软件,以便进行富有挑战性的测量,例如非线性测量和有源器件表征。

Network Analyzer Software

矢量网络分析仪应用

矢量网络分析仪是一种令人难以置信的多功能仪器。下面是它们的一些应用示例。

频谱分析

为网络分析仪增加频谱分析功能可以极大缩短测试时间,比如可以加快毛刺搜索、消除仪器之间的切换、以及充分发挥 “单次连接、多次测量(SCCM)” 功能的优势等。

网络分析仪可进行频谱分析
SCCM 窗口中包含频谱分析和网络分析测量结果。

脉冲测量

在标准操作中,网络分析仪使用的是连续波(CW)信号。这对于许多应用都是非常有用的,很多特定场景都要优先选择脉冲射频信号,例如:

  • 测试为脉冲工作模式而设计的天线
  • 需要关注连续波信号发热问题的在片测量
  • 时域反射计(TDR)

高级网络分析仪(比如 PNA)可以帮助许多应用执行脉冲-射频测量。

On-Wafer Test Setup for Pulsed Measurement
在片测试装置

有源器件测试

现代射频系统中充满了有源器件,例如放大器、混频器和频率转换器等。在过去,测试这些类型的器件通常需要整个机架的设备。现如今,网络分析仪已经足以非常精密地表征有源器件,而无需再使用额外的硬件。

通过把所有测量都整合到一台仪器中,网络分析仪可以取代传统的射频系统,从而极大地缩短测试时间。使用集成式网络分析仪(如 PNA),可以测试:

  • S 参数
  • 非线性参数(X 参数)
  • 增益压缩
  • 互调失真(IMD)
  • 杂散信号
  • 噪声系数

以及更多。

增益压缩应用软件

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