滤波器测试

一、连接图
网络分析仪
连接电缆 滤波器
二、按键过程
1．按键步骤1：
♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦
PRESET 预置仪器，是仪器处于出厂时的设置状态； MEAS1 选择测试通道1； [Detection Options] 选择信号检测方式； [Broadband Internal] 内部宽带方式； [B*/R*] 是选择传输测量，“*”为宽带检测； FREQ 设置测量的频率范围； [STOP] 设置终止频率（起始频率为缺省值）； 0 0 [MHz] 输入700MHz； SCALE 设置标尺； [ Reference Position ] 设置参考线位置； 1 [ ENTER] 输入10dB。
通带平坦度
2 1
通带平坦度
实验所需器件
♦ 在本节测试中，我们将学习测试滤波器的3dB
带宽和输入驻波比。学习HP871X系列的结果 分析。 ♦ 实验所需器件 ♦ SMA（f）短路器 一个 ♦ SMA（f）标阻 一个 ♦ 随机附带滤波器 一个 ♦ N（m）-- SMA（f）转接头 两个 ♦ SMA（f）-- SMA（f）转接头 两个 ♦ SMA（m）-- SMA（m）电缆 两个
DUT
V incident V reflected V transmitted
回波损耗连接图
回波损耗
♦ 在实际测试中，一般既不是理想的匹配，也不是
完全失配。滤波器是一个典型的器件，在它的通 带内具有较好的匹配，而在通带之外为失配状态。 我们通常在测试滤波器之前实现归一化，这样能 从测量中消除系统的频响。还要采用数学方法进 行矢量误差修正，从被测器件的测量中消除源和 负载的失配、传输和反射频率响应、方向性和串 扰等所有系统误差的影响。 ♦ 在校准时，除了从回波损耗测量中消除了系统误 差外，同时也为阻抗测量建立了参考面。通常， 为了使阻抗测量的不确定度最小，参考面应建立 在尽可能接近被测器件。如下图所示。
阻抗测量参考面的选择
Reference Plane 参考面
DUT
V incident V reflected
阻抗测量参考面的选择
计算参数
♦ 计算参数 计算参数：在滤波器测试中，通常计算
的参数是XdＢ的带宽。此参数的计算步 骤为：先找出最小损耗的点，然后下降 ＸdＢ（将ＸdＢ作为目标值）。将两个 目标值的频率相减就得到滤波器的ＸdＢ 带宽。
微波试验
♦ 滤波器测试
滤波器测试
滤波器是通用的无源、线性、两端口器件。通常采用 扫频传输/反射测试技术来完整的表征他的特性。 虽然滤波器是一种简单的电气元件，但是它的特性在 元件测试系统中的地位是很重要的。一个带通滤波器，要 求它对于指定带宽内的信号具有最小的损耗和失真，而对 通带之外的信号，具有最大的抑制。为了精确地测试这些 特性，要求测量系统的频率和功率电平在很宽的范围内都 要非常精确。 比如对于窄的信道间隔的通讯系统要求滤波器有低的 插入损耗，高的Q值和高的频率选择性，它们必须满足更 严格的频响特性，具有较小的体积，这是对移动通信设备 中的元件最基本的要求。
插入相位测试连接图
DUT Reference φ Transmitted φ
Insertionφ = Transmittedφ ⋅ Re ferenceφ
*
插入相位测试连接图
插入相位： 插入相位：
♦ 下图显示了校准和不校准的滤波器插入相位频
响的测量。两个测量的相位相对于频率响应之 间的差别是由于包含了不校准测量中测试系统 的相位频响。在将滤波器的相位频响从测试系 统中分离出来之后，如何能更精确地测量它的 线性度或非线性度？没有高分辨率的分析仪要 分离相位失真是困难的，但是，在测量相位频 响上简单地提高垂直分辨率到“Zoom-in”将能 显示出绝大多数偏离地相位数据。
插入相位： 插入相位：
频响测量比较
插入相位： 插入相位：
♦ 测量器件地相位相对于频率响应地非线性的方法是将测
量得到的响应分成两个分量：一个线性部分和一个非线 性部分。由于线性相位响应不引起失真，可从整个测量 中消去，仅留下非线性（引起失真）相移。现在可以在 很高分辨率下来分析非线性失真。采用称为电延迟的功 能，通过数学方法，消去被测器件的线性插入相位，从 而可以进行相对于线性相位偏离的测量。 ♦ 表示器件相频特性非线性的第二种方法是群延迟。而相 位斜率技术是一种简单而精确的测量群延迟的方法。它 是一种静态或连续波技术。通过测量两个相近间隔频率 （孔径）之间的相位差，然后计算这些点之间的斜率 （如下图所示）。
扩大动态范围的方法
♦ 用限制接收机的带宽来提高接收机对谐波、杂波 ♦ ♦
♦
♦
抑制度和提高灵敏度，从而提高系统的动态范围。 下图显示了使用宽带二极管检波器和用窄带调谐 式接收机进行同样的测量的比较。 增加信号源输出功率。信号源的输出功率增加 1dB将使系统的动态范围提高1dB，直到接收机进 1dB 1dB 入压缩为止。 平均。即对多次扫描过程的处理，来消除测量中 随机误差的影响。平均的次数越多，动态的范围 也就越大。 减小系统分辨率带宽。这是一种点—点的平均技 术。用来减小测量中的随机噪声的影响。系统的 带宽每减小10倍，动态范围约提高10dB。
动态范围比较图
动态范围比较
插入相位： 插入相位：
♦ 插入相位：通过一个无源线性器件无失真传输 插入相位：
的第二个关键是器件在所用带宽内的相位频响 必须是线性的。由滤波器引起的任何非线性相 位频响将引起信号失真。插入相位是在指定的 频率上，通过器件的相对相位移。它与频率有 关，是电长度的函数。 ♦ 相位测量本质上是一个相对的测量。因此，任 何用于测量相位的测量系统都必须提供一个相 位参考信号，所有的其他测量都是相对于此测 量信号的。
二、按键过程
5．按键步骤3： （1）MEAS1 选择通道1； （2）[Transmission] 选择传输测量。 这时自动地将检测方式选为窄带模式。 6．中间结果讨论3： 这时我们看到什么？ 我们看到了原来这个滤波器有更好的 止带特性，而普通的宽带模式测不到。
二、按键过程
7．按键步骤4： （1） DISPLAY ； （2） [Data] 关掉存储显示，只显示当前数据； （3） FREQ 重复设置测量频率范围； （4） [Center] 1 7 5 [MHz] 中心频率175MHz； （5） [Span] 1 0 0 [MHz] 跨度（扫宽）100MHz； （6） SCALE ； （7） [Scale/Div] 2 [ENTER] 刻度每格2dB； （8） MARKER 调用频标功能； （9） [Marker Search] 调用频标查找功能； （10）[Bandwidth] 查找缺省带宽值（出厂预置为3dB）；
插入相位： 插入相位：
f1 f2
φ1 φ2
Group Delay = t g = − 1 ∆Φ ⋅ 0 360 ∆f
相位斜率技术
插入相位： 插入相位：
♦ 因为矢量网络分析仪具有高的分辨率。相位斜率的频率分
辨率或孔径取决于信号源的频率分辨率，所以这种技术广 泛应用于现代的矢量网络分析仪中。群延迟的范围是频率 源稳定度的函数，一个具有1Hz频率的信号源，其最大延迟 范围约为500ms。 ♦ 变窄孔径可以提高频率分辨率，但不能解决从系统噪声中 提取小的相位变化，这将导致噪声或坏的分辨率的群延迟 轨迹。如图8所示。 ♦ 反之，加大孔径，减小了检相器的分辨率，提高了对于精 细信号和在噪声变化干扰影响的性能。这样能得到更好的 群延迟分辨率。在任何群延迟测量中，频率和群延迟分辨 率之间必须折中。事实上，在进行群延迟数据比较时，必 须保证在测量中采用的孔径条件相同。
无失真传输的关键图
Bandwidth Bandwidth
Magnitude
φ
Constant Amplitude
Linear Phase
无失真传输的关键
基本的概念说明
在滤波器的带宽内偏离固定幅度响应的变化将引起信 号失真。例如，滤波器通带显影的未经修正的测量，相 对于它的中心频率具有的变化，可能引起带宽内信号衰 减的变化为2dB。 在测量滤波器之前，先实现归一化将系统的频响从测 量中消除。在归一化后，滤波器的频响仍然存在波动。 这是由于系统的信号源和负载的匹配特性引起的。 象采用归一化将系统的频响从测量中消除一样，可以 采用矢量误差修正的数学方法，将所有系统误差从被测 件的测量中消除。这些误差是源和负载失配、传输和反 射频响、方向性和串扰。误差修正之后所显示的测量值 是三种测量显示中最精确的一种。
基本的概念说明
♦ 插入损耗 插入损耗：定义为传输电平除以入射电压取对数再乘
以20，以dB表示。是我们无失真传输的关键之一。
DUT V incident
测量入射和传输电压的联结图
V transmitted
插入损耗 = −20 log
Δ
Vtransmitted Vincident
基本的概念说明
上图为测量入射和传输电压的联结图。被测滤波器 特性的测量精度会受到所选用的测量系统（信号源和 接受机）的限制。信号源的精度、分辨率、稳定度和 谐波以及接受机的灵敏度会影响测量。 关于通过无源线性器件无失真的传输有两个关键问 题。首先，器件的幅度响应不许在使用的带宽内为固 定值。这意味着在带段内的所有信号的衰减是恒等的。 其次，器件的相位响应在同样的带宽内必须是线性的。 如下图所示。
二、按键过程
2．中间结果讨论1：
♦ 这时我们在屏幕上看到了滤波器的
幅频曲线，注意我们现在用的是宽 带检测方式，实际上我们在按完 MEAS1 之后，按[Conversion Loss] 也能将网络仪设置为宽带测量模式。
二、按键过程
3．按键步骤2： （1）DISPLAY 设置显示功能； （2）[Data → Mem] 将当前测量结果存入显示存储器； （3）[Data and Memory] 同时显示当前测量结果和显示存 储器中的内容。 4．中间结果讨论2： 我们看到两条几乎重合的曲线，表明两次测量结果的 重复性很好。实际上下面我们是要比较窄带测量模式 的结果。
基本的概念说明
经误差修正后的滤波器通带响应在中心频率周围的变化为。这种 平坦度性能的提高保证了幅度的失真为最小，提高了滤波器设计的可 信度，并且极大地提高了生产量。如下图所示。
经校准消除频响、失配和方向性误差 ຫໍສະໝຸດ Baidu校准消除频响、
基本的概念说明
♦ 带外抑制
带外抑制：用来表征滤波器抑制带外所有信号的性 带外抑制 能。它正比于系统的信噪比以及误码率（BER）。我们 在测量带外抑制时，需要注意的是，仪器的的动态范围 是决定测量带外抑制的关键因素。所以我们要先看看什 么是动态范围。 动态范围定义为：在单次测量期间，接收机的最大 输入电平与它的噪声背景电平之间的差值。动态范围究 竟需要多大，这与所要求的测量精度有关，一般的经验 认为：测量系统提供的动态范围要大于器件的指标。在 测量过程中，可以通过以下的技术来扩大动态范围：
插入相位： 插入相位：
图8 群延迟的孔径
回波损耗
♦ 回波损耗 ： 回波损耗是测试信号反射情况相对于频率的相对测量。它与 回波损耗：
入射（Vincident）和反射（Verflected）测试信号有关。一个理想的匹配 器件应显示无反射信号（Verflected=0），并且回波损耗为0。一个完全失 配 的 器 件 （ 如 短 路 器 ， 开 路 器 ） 显 示 全 反 射 特 性 。 （Verflected=Vincident），并且相应的回波损耗为0dB。回波损耗的连接 图如下图所示。
滤波器参数计算示意图
3dB BW
CF
60dB 60dB BW
滤波器参数计算示意图
计算参数
♦ 滤波器的中心频率 中心频率定义为：位于３dＢ点之间 中心频率
的中心频率。 ♦ 滤波器的品质因数Ｑ值：表示为中心频率和３ 品质因数Ｑ 品质因数 dＢ带宽之比。 ♦ 滤波器的形状因数定 形状因数定义为：该滤波器的６０d 形状因数定 Ｂ带宽和３dＢ带宽之比。 ♦ 通带平坦度 通带平坦度可以通过一系列的统计计算，包括 平均，校准偏差和峰—峰纹波来表示。如图１ ２所示。该图显示出了滤波器的通带纹波的测 量，这些在ＨＰ网络分析仪中回自动进行。
对测试系统要求
为了精确和有效地测量滤波器的特性，对于 专用的测试系统，要求是：
1 1．为了确保频率选择性（通带至阻带跃变）、测 量的精度，要求信号源的频率精确稳定性以及频 谱纯度好。 2．为了确保通带测量具有高的幅度精度，要求有 好的原始和经修正的系统特性。 3．为了进行带外低电平信号的测量，要求具有极 好的接收机灵敏度。