雷达天线系统中的测量仪器（三）

本文摘要：（由ai生成）网络分析仪是射频器件表征的关键工具，能测量器件对射频信号的响应，包括幅度和相位。其核心构成包括信号端口、分离模块、接收器检测器、处理器和显示器。为提高测量准确性，需进行校准，如TRL和SOLT方法。选择仪器时，可考虑国产如电科思仪、成都玖锦等，或国外如是德科技的产品。网络分析仪广泛应用于功率传输条件测试、高频器件表征以及全面表征二端口器件的电气特性，通过测量S参数预测系统性能。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。标量和矢量网络分析仪1.网络分析仪的系统构成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。下图显示了 VNA 的最基本模块，包括信号端口、信号分离模块、接收器检测器，最后是处理器和显示器。实际的 VNA 都会复杂得多，但包含这些基本的构建块。网络分析仪的基本框图处理器和显示器充当人机界面，以所需的方式显示结果，包括史密斯圆图、笛卡尔格式、实值和虚值。矢量网络分析仪最常见的输出是史密斯图格式。信号源为射频网络提供激励。这些振荡器包含在 VNA 中，能够扫描测试仪器的频率范围。接收器和检测器：网络分析仪的这一模块接收来自信号分离器的信号，并根据反射波和透射波与入射波相比对其进行处理。这些结果被传递到处理器和显示器中。端口直接连接到被测设备的端口。它们通常有两个连接到 DUT 的连接，一个在输入端，一个在输出端。某些 VNA 可能具有更多端口，可用于多个连接的系统。2.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。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。下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。定义的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。首先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。 动态范围说明输出功率 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。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。 3.网络分析仪的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。校准前后的参考平面上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重归零。 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）。SOLT 是校准射频矢量网络分析仪的最直接方法之一。为了进行这种形式的VNA网络分析仪用户校准，需要短路、开路、精密负载（通常为 50 欧姆）和直通连接的已知标准。由于很难获得开路或负载，这种形式的用户校准不太适合波导测量。TRL：这个缩写代表通过反射线，它是VNA用户校准的一种形式，可用于非同轴系统，如夹具、晶圆探测或波导。TRL技术使用具有相应特性阻抗的线路作为其参考阻抗，取代匹配，理想情况下是空气线路。可以制造出比固定匹配更精确的特征阻抗的空气管路，因此该技术提供了更高的有效方向性，从而改善了测试端口的匹配。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。短路：同轴短路可以构造为具有近乎理想特性的同轴短路，从而能够完全反射入射能量。在短路中，由于参考平面和物理短路之间的距离，长度偏移会很小。在这个短长度上发生的信号损失可以忽略不计，并且可以将物理长度引入的偏移输入到系统中。在某些情况下，可以通过将短长度的寄生电感包含在传递给矢量网络分析仪的数据中来考虑。开路：同轴开路标准必须使用封闭方法来提供屏蔽并避免杂散电磁能量的拾取。在内导体的开端，形成与频率相关的边缘电容。即使物理上可以构建一个长度为零的开放标准，仍然会产生边缘电容。由于容抗，这在较高频率下为 S11 创造了一个负虚部；匹配负载：VNA 校准套件中的匹配负载提供精确的宽带阻抗。阻抗将与系统的特征阻抗相同 - 几乎始终为 50Ω。有几种方法可以实现这一点，但一种方法是将内部导体端接到电阻涂层基板中。然后，可以通过使用激光在基板上打孔来调整实际电阻。直通线：矢量网络分析仪校准套件中使用的另一种主要附件类型是直通连接。这是一个双端口标准，它允许直接连接两个测试端口。这种类型的附件旨在提供最小的损耗和相对较短的长度。损耗和长度通常包含在提供给分析仪本身的特性范围内。如果需要，可以准确确定并手动提供。用户校准是使用射频网络分析仪不可或缺的一部分。通过确保系统得到正确校准，可以消除与被测设备的连接所产生的不确定性。如果没有用户对矢量网络分析仪的校准，引线的长度和设备支架的特性等全部进入系统，被测设备的实际特性就会丢失。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4.网络分析仪的选择国产仪器根据频率范围划分，在本体支持频率超过20G的网络分析仪有电科思仪的3674系列和3672系列等。此外成都玖锦的VNA5000A和VNA1000A系列以及鼎阳科技的SNA5000A系列。（资料来源：前瞻产业研究院）电科思仪 成都玖锦鼎阳科技国外仪器国外仪器基本选用是德科技，目前是德科技提供了经济适用型的E频段网络分析仪系统、ENA矢量网络分析、FieldFox手持射频与微波分析仪、PNA矢量网络分析仪、PXI矢量网络分析仪以及精简系列USB矢量网络分析仪等不同系列的仪器选择。比如N5291APNA Millimeter-wave System, 频率范围为900 Hz to 120 GHz。N5291A PNA Millimeter-wave SystemN5253E3 2-port E-Band VNA S95560BMillimeter-wave Operation with Frequency Extenders for M980xA PXI VNA附录A：功率传输的条件假设源电阻为 RS，负载电阻为RL，为了将最大功率传送到负载，两个器件之间的连接必 须满足理想的匹配条件。无论激励是直流电压源还是射频正弦波源，只要 RL = RS，就能实现这一条件。如果源阻抗不是纯电阻，那么，只有当负载阻抗等于源阻抗的复数共轭时，才能实现最大 功率传送。通过对阻抗虚部取反号，可以满足这一条件。例如，若 RS = 0.6 + j 0.3，则复 数共轭为 RS* = 0.6 – j 0.3。使用高频传输线的主要原因之一是需要高效率地传送功率。如果频率很低（波长非常长），那么简单的导线便足够传导功率。导线的电阻相当小，对低频信号的影响也很小。无论 在导线上何处进行测量，得到的电压和电流值均相同。功率传送在较高频率上，波长与高频电路中导体的长度相当或者更小，而可以认为功率是以行波方式传输的。当传输线以其特性阻抗端接时，传送至负载的功率最大。若端接负载与特性阻抗不相等，则未被负载吸收的那部分信号将被反射回信号源。若传输线的端接负载等于其特性阻抗，则所传输的功率均被负载所吸收，不会产生任何反射信号（见下图）。观察射频信号包络随传输线距离的变化，结果未发现任何驻波，这是 因为没有反射，能量只朝一个方向流动。用 Z0 端接的传输线当传输线用短路端接时（短路不能维持电压，因而耗散功率为零），反射波会沿传输线返回到信号源（见下图）。在负载平面处，反射电压波的幅度必然等于入射电压波幅度，而相位则相差180°。反射波与入射波幅度相等，但方向相反。若传输线以开路端接（开路没有电流），则在负载面上，反射电流波的相位将与入射电流波相差180°，而反射电压波与入射电压波同相。这样可以保证在开路处的电流为0。反射电流波和入射电流波的幅度相等，传播方向相反。无论是短路还是开路，传输线上都会 产生驻波。电压谷值将为0，而电压峰值将为入射电压电平的 2 倍。若在传输线终端接一个 25 Ω 电阻器，使传输线介于全吸收和全反射之间的状态，则一部分 入射功率被吸收，另一部分入射功率被反射。在负载面处，反射电压波的幅度将是入射波幅度的 1/3，且两种波的相位相差180°。驻波的谷值不再为 0，而峰值则小于短路和开路时 的峰值。峰值和谷值之比将为 2:1。以往确定射频阻抗的方法是使用射频探头/检波器、一段开槽传输线和一个 VSWR（电压 驻波比）测试仪来测量 VSWR。当探头沿传输线移动时，测试仪会记下峰值和谷值的相对位置和数值。根据这些测量结果，便可推导出阻抗。可以在不同频率下重复执行此测量步骤。现代矢量网络分析仪能在频率扫描期间直接测量入射波和反射波，然后以多种格式 （包括 VSWR）显示阻抗结果。 短路、开路端接的传输线附录B：矢量网络分析的术语在矢量网络分析仪的术语中，一般用参考通道 (R) 表示入射波的测量结果。A通道负责测量反射波，B通道负责测量传输波。在知道了这些波的幅度和相位信息之后，便能定量描述被测器件 (DUT) 的反射特性和传输特性。反射特性和传输特性可以用矢量（幅度和相位）、标量 （只有幅度）或纯相位表示。例如，回波损耗是反射的标量测量结果，而阻抗则是反射的矢量测量结果。也可以使用比值测量法进行反射和传输测量，这样可以避免受到绝对功率以及源功率随频率变化产生的影响。反射量的比值通常用 A/R 表示，而传输量的 比值为 B/R，它们与仪器中的测量通道有关。 高频器件表征的常用术语表示反射量比值的最常用术语是复反射系数 G 或 gamma（见下图）。G 的幅值称为 r 或 rho。反射系数 是反射信号电压电平与入 射信号电压电平之比。例如，端接特性阻抗 Zo 的传输线将把全部能量传送至负载，所以 Vrefl = 0，r = 0。当负载阻抗 ZL 不等于特性阻抗时， 能量会发生反射，r > 0。当负载阻抗等于短路或开路时，全部能量都被反射，r =1。因此， r 的取值范围为 0至 1。 反射参数回波损耗是以对数形式(dB) 表示反射系数的一种方法。回波损耗是反射信号低于入射信号的dB 数。回波损耗总是为正数，介于无限大（使用特性阻抗负载端接）和 0 dB（开路或短路端接）之间。另一个表示反射的常用术语是电压驻波比 (VSRW)，它定义为射频包络的最大值与最小值之比。它等于 (1 + r)/(1 – r)。VSWR 的数值范围为 1（无反射）到 无限大（全反射）。传输系数的定义为总发射电压除以入射电压（见下图）。若发射电压的绝对值大于入射电压 的绝对值，则意味着被测器件或系统有增益。若发射电压的绝对值小于入射电压的绝对值，则意味着被测器件或系统有衰减或插入损耗。传输系数的相位部分称为插入相位。传输系数通常，直接考察插入相位并不能提供有用信息。这是因为，由于被测器件的电长度，使插入相位相对于频率具有很大的（负）斜率。此斜率与被测器件的电长度成正比。由于 与线性相位的这一偏差是唯一能引起通信系统失真的原因，故要求去掉相位响应的线性 部分，以便对余下的非线性部分进行分析。为此，可以使用矢量网络分析仪的电气时延特性自动抵消被测器件的平均电长度。结果可以得到相位失真或偏离线性相位的高分辨度 显示（见下图）。 线性相位偏移衡量相位失真的另一个有用指标是群时延（见下图）。这个参数测量的是信号通过被测 器件的传输时间随频率的变化。通过对被测器件的相位响应随时间的变化取微分，可以计算出群时延。它将相位响应的线性部分简化为一个恒定值，再将相对线性相位的偏离变换为相对恒定群时延的偏离（这将引起通信系统中的相位失真）。平均时延代表信号 通过被测器件的平均传输时间。群延时附录C：网络表征为了全面表征一个未知的线性二端口器件， 我们必须在不同的条件下进行测量并计算一组参数， 即使源和负载条件与测量时的条件不相同，这些参数也能用来全面描述所测试器件（或网络）的电气特性。低频器件或网络的表征通常是建立在测量H、Y 和Z 参数的基础上，为此，必须测量器件的输入或输出端口上或网络节点上的总电压和总电流， 而且，测量必须在开路状态和短路状态下进行。由于高频总电流或总电压很难测量，故通常用测量S 参数来代替（见下图）。H、Y 和 Z 参数的局限性（为什么使用 S 参数）这些S 参数与我们熟悉的一些测量（如增益、损耗和反射系数）均有联系。它们的测量比较简单，并且无需将多余的负载连接到被测器件上。测得的多个器件的S 参数可以进一步做矩阵运算，预测整个系统的性能。S 参数无论在线性或非线性CAE 电路仿真工具中都很容易使用，而且根据需要还可从S 参数导出H、Y 和Z 参数。一个给定器件的S 参数数量等于端口数的平方。例如，二端口器件有4 个S 参数。S 参数的编号习惯是，S 之后的第一个数字是能量出射的端口，而第二个数字则是能量进入的端口。因此，S21 表示在对端口1 施加射频激励之后，从端口2 输出的功率。当数字相同时（例如S11），便表示为反射测量。测量 S 参数在输出端接入精确等于测试系统特性阻抗的负载后，可以通过测量入射信号、反射信号和传输信号的幅度与相位来确定正向 S 参数。如果是简单的两端口网络，则 S11等效于被测 器件的输入复反射系数或阻抗，而 S21 则是正向复传输系数。将信号源置于被测器件的 输出端口并用理想负载端接输入端口，便能测量另外两个（反向）S 参数。参数 S22 等效于 被测器件的输出复反射系数或输出阻抗，而 S12 则是反向复传输系数（图见上图）。来源：雷达天线站