网络分析仪原理及其应用

Time
Time
输入信号
输出信号
Frequency
Frequency
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器件的功率动态范围:
CH1 S21 C2 1og MAG 1 dB/ REF 32 dB 30.991 dB 12.3 dBm
输入1dB压缩点
1 dB compression point: 输入功率增加导致器件增益下降1dB 相对测试 输出1dB压缩点(绝对测试)
反射损耗 = -20 log(),

=
驻波比
Voltage Standing Wave Ratio
Emin
传输信号包络
Emax VSWR = Emin
=
1+
1-
全匹配 (ZL = Zo)
全反射
dB
1
0

RL VSWR
(ZL = 开路,短路 )
1 0 dB

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史密斯圆图 (Smith Chart) 对阻抗和反射的描述
调谐接收机的特点


高灵敏度接收机 ENA 采用混频方式接收机 接收机噪声电平与其接收带宽有关 网络分析仪要求大测试动态范围 对被测件输出杂波/谐波有抑制作用 接收机带宽在测试动态范围和测试速度间 折衷
混频器前端
ADC / DSP
幅度+相位信息
300kHz
8.5 GHz
网络分析仪的测试动态范围
0 1dB
输入1dB压缩点
IF BW 3 kHz START 5dBm SWP 420 msec STOP 15 dBm
测试功率
测试频率
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CW 902 MHz
器件的功率动态范围:
输出1dB压缩点
饱和工作电平
输出信号功率 (dBm)
1dB
压缩工作区
线性工作区 (slope = small-signal gain)
器件相频特性
Phase 45 /Div
o
网络分析仪相位补偿 (Electrical delay )
器件相位非线性
= Phase 1 /Div
o
+
Frequency Frequency
Frequency
测量器件相位特性 难于定量分析相位特性线性
应用:
便于对相位特性线性的分析
应用:
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群时延Group Delay (GD)
接收机带宽:10Hz
接收机带宽 :70kHz
-100dB

接收机噪声电平小,网络 分析测试动态范围大

接收机噪声电平高，网络 分析测试动态范围小
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
输入信号功率 (dBm)
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AM / PM 转换对系统的影响
Amplitude
输入功率对器件相位特性的影响
Power sweep
AM (dB)
Mag(AM in)
DUT
PM (deg)
Time
Test Stimulus
Amplitude
Q
AM (dB)
Mag(AM out)
AM - PM Conversion =
输入
R
反射
输出
B
A
反射特性
Reflected Incident = A R
传输特性
Transmitted = B R
Incident
SWR S参数 S11,S22 反射系数
反射损耗
增益 S参数 S21,S12 相位 Phase
群延时 Delay 传输系数 T,
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,
阻抗 R+jX, G+jB
小电阻区
大电阻区
Z L = 0 (短路点)

ZL =
(开路点) O =1 0
= 1
±180
O
电容区
Z=R+jx
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反射特性的说明
RS RL / 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
Time
输入
DUT
输出
fຫໍສະໝຸດ Baidu
1
Frequency
Time
非线性特性:

输入/输出信号不同频率 产生新的频率成份
f Frequency
1
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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)
系统频率带宽内相频特性为线性
系统频率带宽内幅频特性为常量
Magnitude
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
Return Loss
3 0 6 0 Frequency
Directivity
Device
Data Min Cancel Data 0
Directivity
Data Max Add in Phase
Data = Vector Sum
Zs = R + jX
R L / RS
ZL = Zs* = R - jX
RL = RS: 负载上最大功率传输
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传输特性
V
输入
V
DUT
传输
传输系数 =
T
=
VTransmitted
VIncident
V V
Trans Inc
=


插入损耗 (dB) = - 20 Log
= - 20 log
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)
显示处理单元
Incident Transmitted
DUT
SOURCE Reflected
S参数的定义
a1
输入 反射
S
21
传输
DUT
b2 Z0
Load
正向
S 11 = S 21 =
S 11
b1
a2 = 0
Reflected Incident
Transmitted Incident
b1 = a 1 b = a 1
2
S-parameters
a2 = 0 a2 = 0 S 22 = S 12 =
B R :被测件正向传输特性
信号源
提供被测件激励信号 具备频率和功率扫描功能 合成源实现

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
源 衰减器
Range1 Range2 Range3 ….
ALC Driver
端口稳定点频输出:
SIGNAL SEPARATION
INCIDENT (R) REFLECTED (A) TRANSMITTED (B)
RECEIVER / DETECTOR
PROCESSOR / DISPLAY
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 ………..
Frequency
w
tg
群时延抖动
Dw
Phase
D
aperture
to 平均时延
Group Delay (tg) =
-d dw
Frequency
=
-1 360 o
*
d df
w
in radians
in radians/sec in degrees

网络分析仪通过测试相/频特性得 到器件延迟性能
参考接收机 衰减器
网络分析仪组成
R2
A
B
•信号源 •信号分离装置 •接收机 •处理显示单元
测量接收机
Port 1
反射信号 (A) DUT
传输信号 (B)
Port 2
输入信号
输出信号
网络分析仪测试信号流程
输入源 LO 源
R 输入参考信号
A
N*LO +/- IF
B
输出信号
反射
传输
RF
输入信号
A R :被测件输入端反射特性
Mag(PMout) Mag(AMin)
(deg/dB)
PM (deg)
Mag(PM out)
I
Output Response
Time
AM to PM conversion can cause bit errors
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网络分析仪
网络分析仪测试基本概念


网络分析仪 工作原理
误差和校准 ENA PNA
span=0Hz, max sweep time
ALC = 自动电平控制 (automatic level control)
ALC 检测
信号分离装置
50 W 6 dB

功分器
提供参考信号 宽频率覆盖
Incident Transmitted
50 W
6 dB

DUT
SOURCE Reflected
Main signal
Frequency
Phase
Frequency
幅度/频率特性要求
相位/频率特性要求
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对系统相位特性的描述
网络分析仪的相位补偿处理功能：
• 电延迟功能( Electrical delay）:通过时间补偿消除被测件相频特性中线性部分 • 相位偏移（Phase offset): 被测件相位特性中加入固定偏置 • 端口延伸（Port Extension)：测试仪表端口电延时补偿
定向耦合器连接端点: 反射特性测试点
定向耦合器用于器件反射性能测试
(入射信号泄漏) (被测件反射方向)
(定向耦合器输入端)
Directivity 方向性
反映定向耦合器 分离两个相反传输 方向信号的能力.
定向耦合器
反射方向
0 DUT RL = 40 dB Device
被测件端口 输入方向
Direc tivity Dev ice
增益 (dB) = 20 Log
V V
Trans Inc
= 20 log

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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:

phase shift = to * 360 *f ° f 1 Frequency
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
平衡/非平衡转换
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射频信号在器件中的传播
入射 透射
反射
Lightwave
RF/MW
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网络分析仪测试要讨论的问题
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 ? Gain, Phase, Group delay VSWR, , , Impedance
INCIDENT (R) REFLECTED (A)
SIGNAL SEPARATION
TRANSMITTED (B)
RECEIVER / DETECTOR
Coupled signal
定向耦合器 电桥

PROCESSOR / DISPLAY
方向性 低插入损耗
Detector
Test Port
90
o
.
等反射系数圆
1.0 .8 .6 .4
+jX
半径: 反射大小 相角: 反射相位
0
o
+ 180 0
o
.2
0
+R

-90 o
-jX
电感区
等电抗圆 等电阻圆
Rectilinear impedance plane
=
Z L = Zo 0
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)
f in Hertz (w=2p f)
GD 抖动反映器件相位特性线性 GD平均值反映器件的平均时延
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通过群时延指标反映器件相位线性
Phase
Phase
-d dw
相位抖动相同
f
f
-d dw
Group Delay
Group Delay
群延时不同
f
f
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完整的器件指标描述

反射特性
传输特性
影响器件传输/反射特性的因素 ? 工作频率 信号功率

网络分析仪表显示结果
工作频率; 信号功率
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反射特性的参数定义:
反射系数
(电压比值)

V反射 = V输入
=


F
Emax
=
ZL - ZO Z L + ZO
Z0 : 传输线特性阻抗
Z1 : 传输线终端负载
(功率比值)
Agilent 系列 网络分析仪
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网络分析仪

网络分析仪测试基本概念

网络分析仪 工作原理
误差和校准 ENA PNA



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系统组成及器件功能
LNA SAW 滤波器 平衡/非平衡转换 天线 双功器 功分器 射频前端模块
混频器
LO LC 滤波器
TX IF LC滤波器 隔离器 耦合器 放大器 SAW 滤波器



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• 基本上，网络分析仪的架构可以分成四大部分：一个是信 号的发射源，另一种为用以分离入射、反射及穿透波的信 号分离电路，第三是将射频或微波信号转换至中频信号的 接收器，最后是负责将侦测信号作运算处理的处理器及显 示屏。
网络分析仪组成框图
源 功率分配/开关
R1
参考接收机 衰减器
电压线性值定义
Reflected Incident Transmitted
b2 = a 2 b = a 2
1
a1 = 0
Incident
a1 = 0
a1 = 0 Z0
Load
DUT
S 22
反射 输入
b2
反向
a2
b1
传输
S 12
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器件的非线性失真
Nonlinear Networks
器件饱和,串扰,交调等非线性过程导致传输信号波形失真