网络分析仪培训教材

安捷伦科技安捷伦科技 ENA 产品产品 分销商培训分销商培训 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为什么需要对器件进行测量? ? KPWRFM 97 3 矢量网络分析仪原理与应用 什么是“网络分析”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可以用矢量网络分析仪进行测量的器件种类类 器件的类型器件的类型 有源器件有源器件 无源器件无源器件 器件的集成度器件的集成度 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 低低 高高 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 S21 S12 S11 S22 7 矢量网络分析仪原理与应用 内容安排内容安排 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 特征阻抗特征阻抗( (ZoZo) ) 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 50 ， 要么是 75 的 同轴传输线的特征阻抗Zo () 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1.0 0.8 0.7 0.6 0.5 0.9 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 归一化值 50 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）功率的传输效率（电阻性负载） RS RL 当RL= RS 时可以达到传送最大功率的效果 RL / RS 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 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传输线的负载阻抗等于 Z0 Z0 的情况的情况 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 = Z0 Z0 (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=0 V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 传输线的负载为传输线的负载为 25 W25 W 的情况的情况 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 0 Zs = Z0 ZL = 25 W V入射 14 矢量网络分析仪原理与应用 射频器件的特射频器件的特性可以用反射参数和传输参数表示性可以用反射参数和传输参数表示 被传输的信号被传输的信号 入射的信号入射的信号 传输参数传输参数 增益增益 / / 损耗损耗 S S 参数参数 S21, S12 群时延群时延 传输系数传输系数 插入相位插入相位 被反射的信号被反射的信号 入射的信号入射的信号 反射参数反射参数 SWRSWR S S 参数参数 S S11 11, S , S22 22 反射系数反射系数 阻抗，导纳阻抗，导纳 R+jX, G+jB 回波损耗回波损耗 G, G, r r T,T,t t A A R R = = B B R R = = 被测器件被测器件 入射信号入射信号 被反射的信号被反射的信号 被传输的信号被传输的信号 15 矢量网络分析仪原理与应用 反射参数反射参数 dB 没有反射没有反射 (Z ZL L = = Z Z0 0 ) r r RL 电压驻波比电压驻波比 0 1 全反射全反射 (ZL = 开路开路, , 短路短路) 0 dB 1 反射系数反射系数 = Z L - Z O Z L + O Z = V 被反射的信号 V 入射信号 = r F G G 回波损耗回波损耗 (RL ) = -20 log (r ) 电压驻波比电压驻波比 = E最大 E最小 = 1 + r 1 r E最大 E最小 16 矢量网络分析仪原理与应用 传输参数传输参数 V 被传输的信号 V 入射信号 传输系数 T = V V t DUTDUT 增益 (dB) = 20 Log 20 log t 插入损耗 (IL) (dB) = - 20 Log - 20 log t 被传输的信号 入射信号 V V 被传输的信号 入射信号 V V 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 0 o .4 .6 .2 .8 1.0 -90 0 o 180 o 90 o 极坐标 L = L o Z - Z Z + o Z VNA 测量的反射系数 18 矢量网络分析仪原理与应用 史密斯圆图史密斯圆图 把阻抗在直角坐标中的值映射到极坐标上 = 0 G ZL = Zo 等电抗（X）弧线 等电阻（R）圆 G = ±180o 1 (开路) ZL = (短路) ZL = 0 G = ± 0o 1 归一化到特征阻抗Zo（50或75）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当测量频率很高时要使用S S参数参数 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 为什么要使用为什么要使用S S参数参数? ? 在高频测量范围，相对来说S参数是比较容易得到比较容易得到的 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软件仿真工具中 入射信号 传输信号 S 21 S 11 反射参数 S 22 反射参数 传输信号 入射信号 b 1 a 1 b 2 a 2 S 12 DUT b 1 = S 11 a 1 + S 12 a 2 b 2 = S 21 a 1 + S 22 a 2 端口1 端口 2 21 矢量网络分析仪原理与应用 测量测量S S参数参数 S 11 = 反射信号 入射信号 = b 1 a 1 a 2 = 0 S 21 = 传输信号 入射信号 = b 2 a 1 a 2 = 0 S 22 = 反射信号 入射信号 = b 2 a 2 a 1 = 0 S 12 = 传输信号 入射信号 = b 1 a 2 a 1 = 0 入射信号 传输信号 S 21 S 11 反射参数 b 1 a 1 b 2 Z 0 负载 a 2 = 0 DUT 前向前向S S参数参数 入射信号 传输信号 S 12 S 22 反射参数 b 2 a 2 b a 1 = 0 DUT Z 0 负载 反向反向S S参数参数 1 22 矢量网络分析仪原理与应用 S S参数所表达的意义参数所表达的意义 S11 = 前向反射系数（输入匹配输入匹配） S22 = 反向反射系数（输出匹配输出匹配） S21 = 前向传输系数（增益增益或损耗损耗） S12 = 反向传输系数（隔离度隔离度） 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（、在数值上用分贝（dBdB）来表示）来表示 S S 参数，但是，在参数，但是，在 本质上本质上 S S 参数是复数量，而且是线性参数参数是复数量，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），