矢量网络分析仪的基本原理和传输线理论

文摘   2024-10-15 08:02   日本  

设计师和制造商通过网络分析过程,对复杂系统内部的元器件和电路进行电气性能测量。当这些系统传送含有信息内容的信号时,我们最关心的是如何最高效地将信号从一个点传送到另一个点, 并且确保失真最小?矢量网络分析仪通过测量元器件对扫频和扫功率测试信号的幅度和相位的影响,精确表征这些元器件的特性。在本应用指南中,我们将回顾矢量网络分析仪的基本原理和传输线理论。讨论的内容包括可以测量的常用参数, 例如散射参数(S参数)的概念。另外还回顾了传输线和史密斯圆图等射频基础知识。

矢量网络分析仪

通信系统中的测量 

任何通信系统都必须考虑到信号失真的影响。虽然我们通常认为失真是由非线性效应 引起的(例如从有用的载波信号产生的互调产物),不过纯线性系统也会引入信号失真。信号在经过线性系统时,线性系统可能会改变信号频谱分量的幅度或相位关系,从而改变信号的时间波形。 

线性和非线性的区别

1.线性linear,指量与量之间按比例、 成直线的关系,在数学上可以理解为一阶导数为常数的函数;非线性non-linear则指不按比例、 不成直线的关系,一阶导数不为常数。

2.线性的可以认为是1次曲线,比如y=ax+b,即成一条直线。非线性的可以认为是2次以上的曲线,比如y=ax^2+bx+C,(X^2是x的2次方),即不为直线的即可。

3. 两个变量之间的关系是一次函数关系的 ---图象是直线,这样的两个变量之间的关系就是“线性关系”;如果不是一次函数关系的--图象不是直线,就是非线性关系。

4.“线性”与“非线性”,常用于区别函数y=f(x)对自变量x的依赖关系。线性函数即一次函数,其图像为一条直线。其它函数则为非线性函数,其图像不是直线。

线性,指量与量之间按比例、成直线的关系,在空间和时间上代表规则和光滑的运动;而非线性则指不按比例、不成直线的关系,代表不规则的运动和突变。


线性器件会改变输入信号的幅度和相位

图 1. 线性和非线性的区别和对比

进入输入端的正弦波会再次出现在输出端, 频率保持不变。在这个过程中不会产生新的信号。有源和无源非线性器件都可能使输入信号发生频移,或增添其他频率分量,例如谐波和杂散信号。大输入信号会驱动正常情况下呈线性工作的器件进入压缩或饱和区域,表现出非线性特性。

为了实现无失真的线性传输,被测器件 (DUT) 的幅度响应必须平坦,而相位响应在所需带宽上必须呈线性。例如,假设一个包含很大高频分量的方波信号通过一个带通滤波器, 该滤波器会让选定频率通过且衰减极小,而对通带之外的频率施加不同程度的衰减。即使滤波器拥有线性相位性能,但方波的带外分量还是会发生衰减,从而使本例中的输出信号在本质上更接近正弦曲线(图 2)。 

如果同一个方波输入信号通过另一个滤波器,且该滤波器仅反转三次谐波的相位,而不改变谐波幅度,那么输出信号在本质上将更像是脉冲波形(图 3)。尽管本例中的滤波器就是这种情况,不过取决于幅度和相位的非线性特性,输出波形通常总会出现一定的失真。

不同频率下的幅度变化 vs 不同频率下的相位变化

图 2. 不同频率下的幅度变化

图 3. 不同频率下的相位变化

非线性网络

饱和、交叉、互调和其他非线性效应可能会造成信号失真。

图 4. 非线性引起的失真

非线性器件也会带来失真(图 4)。例如,如果对放大器施加的激励过大,那么放大器会达到饱和状态,使输出信号发生削波。输出信号不再是单纯的正弦波,在输入频率的倍频处会出现谐波。无源器件也可能在大功率电平下表现出非线性特性,使用磁芯电感器的 L-C 滤波器就是一个典型的例子。磁性材料通常呈现高度非线性的滞后效应。 

功率的有效传输是通信系统中的另一个基本问题。为了有效地传输、发射或接收射频功率, 传输线、天线和放大器等器件的阻抗必须与信号源匹配。当两个相连器件之间的输入和输出阻抗的实部和虚部不理想时,就会发生阻抗失配。

为什么要矢量测量?矢量测量的重要性

测量信号分量的幅度和相位非常重要,原因有几个。

首先,要想全面表征线性网络并确保无失真的传输,必须要进行这两项测量。为了设计有效的匹配网络,必须测量复阻抗。工程师在为计算机辅助工程 (CAE) 电路仿真程序开发模型时,需要幅度和相位数据才能 建立精确的模型。 

此外,时域表征需要幅度和相位信息,以便执行傅立叶逆变换。矢量误差校正通过消除测量 系统固有误差的影响,可以提高测量精度,但它也需要幅度和相位数据来建立有效的误差 模型。为了达到高精度,甚至是在标量测量(例如回波损耗)中,相位测量功能也非常重要。

如何理解射频或微波信号在器件的工作过程?

入射与反射功率

矢量网络分析的基本形式包括测量沿传输线传播的入射波、反射波和传输波

我们在此使用光波长作为类比,当光照射到透镜上时(入射能量),一部分光会从透镜表面反射回去, 但大部分光会继续穿过透镜(传输能量)(图 5)。如果透镜的表面是镜面的,则大部分光线会反射回去,只有极少或没有任何光线穿过透镜。 

图 5. 光波与高频器件表征的类比

当射频信号输入到某个器件上时,会存在信号的反射和传输。每个器件在工作状态下,其传输和反射信号的大小和相位都是不同的, 而反射和传输的特性决定器件对信号的处理作用。器件及电路的性能就是定量控制器件的反射和传输特性。

射频微波信号

影响一个器件(系统)传输/反射特性的因素很多,作为网络分析仪主要研究器件传输/反射特性与工作频率及功率的关系。简单来讲,网络分析仪显示的结果纵轴可定义为:传输或反射特性,而横轴为功率或频率。

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系统中每个器件的传输反射性能会对整个系统的工作状态有直接影响。

例如:接收系统中由于正向增益很大,当级联放大器中存在反射时,这个反射信号和输入信号传输方向相反,反射信号是输入信号的反馈。当满足相位和幅度要求时,系统的反馈会形成正反馈,造成系统自激振荡,无法正常工作。自激现象是射频系统应该避免的现象。而对于振荡器而言,就需要让振荡电路工作于正反馈状态。

当器件(放大器,混频器等)处于大功率下的非线性工作状态时,会产生非线性失真,使信号产生波形失真,造成信号的调制质量变差和功率变化。所有这些都是实际电路工作状态出现的现象,也是网络分析仪测试要反映的问题。

虽然射频和微波信号的波长不同,但原理是相同的。矢量网络分析仪可以精确地测量入射、 反射和传输的能量,例如发射到传输线上的能量、由于阻抗失配而沿着传输线反射回信号源的能量,以及成功传输到最终设备(例如天线)的能量。

传输线理论

传输线(transmission line)输送电磁能的线状结构的设备。它是电信系统的重要组成部分,用来把载有信息的电磁波,沿着传输线规定的路由自一点输送到另一点。

传输线理论又称长线理论。因为他是在频率(300M~3000GHz)(波长1m~0.1mm)段中用来研究传输线和网络的理论基础。麦克斯韦方程组反映了电能和磁能的交换将在空间产生电磁波的客观规律。假若不希望电磁波在空问传播,而是希望电磁波沿导体或介质的边界传播,从而将信号源的电磁能量以被导引波的形式传送到某一系统或负载中去,则必须引入传输线。对传输线而言,我们通常都要求其传输效率尽可能高,工作频带宽,尺寸小。

网络分析仪在仪表的工作频段内可完成对被测件的传输反射参数的测试。当低频率信号在器件中传播时,信号的波长远大于传输器件的物理长度,信号在传输线传输时,传输线上测试点位置对测量的电压电流读值影响不大。

对于频率高的信号,传输信号的波长等于或小于器件的尺寸,在传输线上不同测试点得到的电压/电流都会不同。

阻抗特性对反射有什么影响?

当传输线终端开路或短路时,所有输入信号功率被反射到入射端,造成全反射。

  • 传输线终端开路时,开路端电流为零,端点反射信号电流与输入信号电流幅度相等。相位相反。而反射信号电压与输入信号电压同相,满足欧姆定理。

  • 传输线终端短路时,开路端电压为零,端点反射信号电压与输入信号电压幅度相等,相位相反。而反射信号电流与输入信号电流同相。满足欧姆定理。

发生全反射时,传输线上同时存在正向输入信号和同功率的反射信号。这两个信号在传输线上失量叠加,形成驻波。驻波的波峰为输入信号电压2倍,谷值为零。

在其它情况下,如传输线终端接 25 ohms电阻时,输入信号的一部分被反射。反射信号和输入信号进行矢量叠加从而引起波形包络起伏变化。

振幅最小的位置成为波节,振幅最大的位置称为波腹。在波形上,波节和波腹的位置始终是不变的,给人“驻立不动”的印象,但它的瞬时值是随时间而改变的。如果这两种波的幅值相等,则波节的幅值为零。
  • 传输线终端开路或短路, 所有传播信号被反射回入射端
  • 传输线上形成驻波

  • 传输线终端其它负载时, 部分传播信号被反射回入射端

  • 传输线上形成行驻波

传输线阻抗匹配

反射现象是器件端口存在的物理现象,减小反射的目的是保证信号能在器件中有效地进行功率传输。下面以传输线为例,研究传输线在不同负载情况下反射特性变化的规律。

传输线终端接匹配负载, 信号传播过程相当于无穷长线传输线上形成行波

当传输线端接负载与传输线特性阻抗相同时,输出到负载上的信号功率最大。传输线上只有正向传输信号,信号波形为衡定包络正弦波,传输效果等效为无穷长传输线。

当复杂系统中由级联电路组成,第2级电路的输入阻抗是第1级电路的负载。在阻抗满足共轭匹配条件时,负载上得到最大功率传输。

当阻抗不匹配时,就会出现反射信号,造成器件端口反射的根本原因是阻抗不匹配,研究器件的反射特性与研究器件的端口阻抗等效。

有时共轭匹配是通过调整源阻抗来完成。例如:发射机功放与天线的匹配,设计工程师必须在天线的整个频率范围内优化放大器的输出阻抗,以保证最大射频功率通过天线发射出去。

Zo - 传输线特性阻抗

传输线特性阻抗(characteristic impedance of transmission line)传输线处于行波传输状态时,同一点的电压电流比。它具有阻抗量纲,其数值只和传输线的结构、材料和频率有关。当传输线为无限长时,传输线的特性阻抗也就是它的策动点阻抗。

提到传输线特性阻抗,对于所有形式的传输线,如:同轴电缆,波导,双绞线,微带线(Microstrip),耦合线等。其特性阻抗反映传输线上信号电压与电流关系。特性阻抗只与传输线物理参数有关。如:同轴线特性阻抗由线缆的内导体外径,外导体内径,介质介电常数(er)等参数决定。而和工作频率及传输线长度无关。

对于低功率工作场合,如:有线电视, 系统要求很小传输损耗,系统特性阻抗规定为75Ω,对于其它射频/微波系统,考虑功率容量和传输损耗的折衷,特性阻抗规定为50Ω

传输线特性阻抗:  Zo

  • Zo 决定信号电压与电流的关系

  • Zo 由传输线物理尺寸及er   决定  

  • 系统中 Zo 为常数 ( e.g. 50 or 75 Ω)


反射特性的参数定义

S11 反映器件的端口1反射特性,工程应用中,可以用其它参数来定量描述器件(系统)的反射特性。

什么是反射系数?
反射系数是反射电压入射信号电压比值,反射系数为矢量,包含幅度和相位信息。分别反映反射信号与入射信号的幅度比值和相位差。
造成反射的根本原因为阻抗不匹配,这个结论通过反射系数的计算公式可以得到直接反映。

反射系数计算公式

什么是反射损耗?
反射损耗是反射信号与输入信号功率比值,为标量,通常反射损耗参速用对数方式定义。

反射系数计算公式    

么是驻波比 VSWR?

驻波比( Voltage Standing Wave Ratio)是通过传输线上信号包络起伏大小来定义,当全匹配时,传输线上只有输入信号,包络恒定,VSWR=1。

驻波比计算公式

矢量网络分析仪作为测试电路器件反射参数的重要仪表,可根据要求测试显示被测电路的这些反射参数

S参数

什么是 S参数?为什么使用 S 参数?

S参数,也就是散射参数。是微波传输中的一个重要参数。S12为反向传输系数,也就是隔离。S21为正向传输系数,也就是增益。S11为输入反射系数,也就是输入回波损耗,S22为输出反射系数,也就是输出回波损耗。

为什么使用 S 参数?

某个器件(系统)完整的参数应包含:反射和传输特性,参数反射参数指标中都应包含幅度和相位信息。对器件(系统)的这些参数描述可采用S参数(散射参数)。

双端口器件的S参数包含四个参数(N端口器件S参数包含N^2个参数)。S参数的定义是基于信号电压比值的参数。所以S参数为矢量。

S参数下标为器件的端口,具体定义为:第一个数字代表信号输出端口,第二个数字代表信号输入端。网络分析仪测试中,被测件与仪表端口1(Port1)连接的端口定义为器件的1端口,与仪表端口2连接的器件端口定义为2端口。

Sab:表示被测件端口b到端口a的传输系数。

例:被测件输入端为:1端口,输出端:2端口。

S11:当被测件输出端接匹配负载,输入端反射系数。

S21:当被测件输出端接匹配负载时,器件 端口1Þ端口2传输系数。

矢量网络分析仪是做什么的?

  • 测量功能‌:矢量网络分析仪能够测量单端口或两端口网络的各种参数幅值和相位,包括输入反射系数、输出反射系数、电压驻波比、阻抗(或导纳)、‌衰减(或增益)、相移和‌群延时等传输参数,以及隔离度和定向度等。

  • ‌宽频带扫描测量‌:能够在宽频带内进行扫描测量以确定网络参量,并对测量结果逐点进行误差修正,换算出其他几十种网络参数。

  • ‌电子延迟功能‌:利用电子延迟功能抵消被测器件的电长度,得到与线性相移的偏差,即相位波动(失真),这对于相位波动的测试非常重要。

  • ‌多种测试功能‌:除了基本的幅值和相位测量外,还可以进行驻波比、‌回波损耗、‌插入损耗、平坦度、‌带外抑制、衰减、增益、隔离度、特性阻抗、输入输出阻抗、相位、延时、1dB压缩点、噪声系数等多种参数的测试。

  • ‌应用广泛‌:矢量网络分析仪适用于各种射频微波元器件和电路的测试,包括‌滤波器、‌放大器、‌混频器、双工器、耦合器、隔离器、环行器等,广泛应用于通信、雷达、电子对抗等领域。

  • ‌高精度和高动态范围‌:矢量网络分析仪具有高精度和高动态范围,能够满足各种复杂测试需求,是射频微波领域不可或缺的测试工具。

综上所述,矢量网络分析仪是一种功能强大、应用广泛的测试设备,对于保证射频微波系统的性能和稳定性具有重要意义。

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史密斯圆图 - 史密斯圆图怎么形成的?

80多年前开发的史密斯圆图乍看起来像一堆几乎难以理解的、杂乱无章的线, 为什么仍被今天的射频设计所用?

典型的史密斯圆图 - 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)

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)

表征器件时,发生的反射数量由入射信号“看到”的阻抗决定。阻抗可以用实部和虚部来表示(R + jX 或 G + jB),因此我们可以在一个称为阻抗复平面的矩形网格上绘制出阻抗。不过,开路(一种常见的射频阻抗)出现在实轴的无穷远处,因此无法显示出来。 

此时我们可以使用极坐标图,因为它能够覆盖整个阻抗面。它不是直接绘制复值反射系数的阻抗图,而是以矢量形式显示。矢量的幅度是其距离显示中心的距离,矢量与从中心点到最右边的直线之间的角度即为相位。极坐标图的缺点是不能直接从显示图中读取阻抗值。由于复阻抗与反射系数之间有一一对应的关系,故阻抗复平面的正实半部分可以映射到极坐标显示图, 结果便形成了史密斯圆图。所有电抗值和从 0 到无限大的所有正电阻值均落在史密斯圆图内(图 6)。 

图 6. 史密斯圆图回顾

在史密斯圆图上,恒定电阻的轨迹表现为圆,而恒定电抗的轨迹表现为圆弧。史密斯圆图上的阻抗始终归一化为所关注的元器件或系统的特征阻抗,对于射频和微波系统来说通常是 50 Ω,对广播和有线电视系统则为 75 Ω。理想的终端位于史密斯圆图的中心。

史密斯圆图的价值

在众多用途中,史密斯圆图都是一种有效的方法,当尝试匹配级间源和负载阻抗时可将设计方案可视化,这在许多电路,尤其是射频设计中是非常重要的考虑因素。这种匹配之所以如此至关重要,具体原因如下:
  • 首先,为了实现从源到负载的最大功率传输,源的复阻抗 RS + jXS 必须等于负载阻抗的共轭复数 RL - jXL。其中 R 是阻抗的电阻(实数)部分,X 是无功(电感或电容)部分。
  • 其次,即使这种功率损失可忽略不计(尽管总是如此),也应进行阻抗匹配,以尽量减少能量从负载反射到源,否则可能会损坏源输出电路。


只要在史密斯圆图上标记了这些复杂的阻抗值,就能确定许多参数,而这些参数对了解射频信号路径或传输线路的情况极为重要,具体包括:

  • 复数电压和电流反射系数。

  • 复数电压和电流传输系数。

  • 功率反射和传输系数。

  • 反射损耗。

  • 回波损耗。

  • 驻波损耗系数。

  • 最大和最小电压和电流,以及驻波比 (SWR)。

  • 形状、位置和相位分布,以及电压和电流驻波。
史密斯圆图還可用来指导分析和设计决策,具体包括:


  • 显示复杂阻抗与频率的关系。

  • 显示网络的 S参数与频率的关系。

  • 评估开路和短路短截线的输入电抗或电纳。

  • 评估并联和串联阻抗对传输线路阻抗的影响。

  • 用于显示和评估谐振和反谐振短截线的输入阻抗特性,包括带宽和 Q。

  • 使用单根或多跟开路或短路短截线、四分之一波线段和块状的集中元件 LC 来设计阻抗匹配网络。


功率传输

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(图 7)。 

图 7. 功率传送

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。

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(图 8)。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。

图 8. 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(图 9)。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。 

图 9. 短路、开路端接的传输线

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。您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。

矢量网络分析仪术语

在掌握了电磁波的基本知识之后, 我们还必须了解测量常用的术语。在矢量网络分析仪术语中,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(图 10)。

图 10. 矢量网络分析仪术语

矢量网络分析仪的反射特性和传输特性

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。我们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。

表示反射量比值的最常用术语是复反射系数 G 或 gamma(图 11)。G 的幅值称为 r 或 rho。 

什么是反射系数?

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。

图 11. 反射参数

什么是回波损耗?

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。

什么是电压驻波比?

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)。 

什么是传输系数?

传输系数的定义为总发射电压除以入射电压(图 12)。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。

图 12. 传输参数

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(图 13)。

图 13. 线性相位偏移 - 使用电时延消除相位响应的线性部分

如何测量群时延?

什么是群时延?如何计算出群时延?

衡量相位失真的另一个有用指标是群时延(图 14)。群时延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。

图 14. 什么是群时延?

依据器件的不同,与线性相位的偏离和群时延都有可能需要测量,因为两者都很重要。规定器件中的最大峰峰相位波动可能不足以全面反映器件的特性,因为相位波动的斜率取决于每单位频率发生的波动次数。群时延则考虑了这种情况,因为它是经微分的相位响应。利用群时延往往更便于说明相位失真的迹象(图 15)

同一个峰峰值相位纹波可以导致不同的群时延


为什么使用 S 参数? H、Y 和 Z 参数的局限性

如何用参数也全面描述所测试器件的电气特性?

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(图 16)。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。

H、Y 和 Z 参数 
– 在高频器件端口,我们很难测量总电压和总电流 
– 有源器件可能会由于短路或开路而产生振荡或自损坏 

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S参数 
– 与增益、损耗、反射系数等相关的测量
– 相对容易测量 
– 可以级联多个器件的 S参数以预测系统性能 
– 便于分析 (CAD程序/流程图分析)
– 如果需要,可以从 S 参数计算出 H、Y 或 Z 参数

图 16. H、Y 和 Z 参数的局限性(为什么使用 S 参数)

如何测量S参数?

图 17. 测量S参数

图片来源:Maxim Integrated

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 17)


是德科技矢量网络分析仪术语表

Accurate measurements 精确测量描述一种测量方法的短语,其中被测器件(DUT)以其基本频率进行表征,通常需要频域测量。

Active components 有源元件电子电路中执行电路基本操作的器件,如放大器、电阻器、电容器和电感器。

Analyzer Module 分析模块用于控制VNA的硬件。该模块可以是更大的PNA或MXA模块化测试系统的一部分。控制器向系统中的其他模块发送命令,以将其移动到位、执行测量和存储数据。例如,分析器模块可以包括用于幅度测量的频谱分析器或用于测量噪声的动态范围分析器。

Antidot arrays 解点阵列一种使用预失真音调发生器阵列在VNA中测量失真的方法。被测器件(DUT)连接到音调发生器阵列,音调发生器阵列的设计使得每个音调发生器具有相等的振幅但相位相反。一个特殊的参考探针将来自该阵列的信号转换回单端信号。需要矢量网络分析仪来分析成对的单端参考探针输出,以确定DUT引起的失真。

Aperture 孔径 - VNA测量脉冲或脉冲组振幅的时间间隔。您可以将孔径配置为对称或不对称,以便分别捕捉上升和下降边缘。

C

Complex transmission components 复杂的传输组件(幅度和相位)- 一种用于确定电路中许多传输元件的幅度和相位的技术。DUT被表示为线性网络以计算其响应。在这种情况下,矢量网络分析仪(VNA)测量可以在不单独测量每个传输组件的振幅或频率响应的情况下进行,从而允许更快速、更容易地分析复杂电路。


Compression 压缩 - 一种减小系统或信号动态范围的技术。例如,在电路中,高输入幅度可能会在信号达到其最终值之前对其进行削波(失真)。可以使用压缩器来减少这种失真。结果是提高了测量的准确性和可重复性,这是大输入信号无法实现的。

Conversion loss 转换损失 - 信号从一种类型转换为另一种类型时的功率损失。例如,当在电路中的模拟信号和数字信号之间进行转换时,在转换过程中总是会损失一些功率。

D

Directional coupler 定向耦合器 - 根据方向图将测量信号分成两个或多个信号的设备


Directivity 方向性 - 天线在期望方向上的最大增益与最小增益之比。

Dynamic range 动态范围 - 最小可检测信号功率与最大指定输入功率(或电压)之间的比率。动态范围还影响振幅精度、噪声下限和信号衰减测量。需要具有高动态范围的仪器来测量具有高精度和低噪声基底的小信号。

E

Error correction 纠错 - 纠错是解决或纠正已传输数据中错误的过程。在矢量网络分析仪中,误差校正用于校正幅度和相位误差。

F

Ferromagnetic material 铁磁材料 - 一种材料,表现出对磁场有强烈的积极影响。铁磁材料用于天线和无线设备,因为它们能够支持高幅度电压摆幅,同时保持低损耗特性。

Few-mode fiber 少模光纤 - 一种特殊类型的光缆,使用极小的孔径来传输光学数据。因其高带宽和大工作波长而被用于许多应用中。


Frequency-dependent 频率相关 -用于描述电子电路或设备的一种行为的术语。例如,如果滤波器的性能取决于工作频率而变化,则滤波器取决于频率。


Frequency extenders 频率扩展器 - 频率扩展器用于添加或扩展 VNA 的频率跨度。


Frequency range 频率范围 - 可应用于网络分析仪而不会对性能规范造成任何限制的总频率范围。例如,矢量网络分析仪VNA 通常被指定用于 DC 和 18 GHz 之间的测量范围。


Frequency resolution 频率分辨率 - 用于指分析仪正确显示紧密间隔频率的能力。例如,频谱分析仪的分辨率约为1/2 Hz。这意味着,2GHz和2.005GHz的两个信号将被视为一个信号,其读数在1.995和2.005GHz之间。

G

Group delay 群延迟 - 一种测试,用于测量信号通过物体、电路或网络或围绕物体、电路和网络传输所需的时间。它被认为是测试和测量行业中最重要的测量之一,因为它提供了关于信号在各种类型的测试对象中传播速度的信息。

H

Holographic mode generation 全息模式生成 - 一种用于创建透射和反射测试设置的方法,可以使用VNA上可用的透射/反射系数进行测量。这种类型的设置使用全息图案发生器来分割透射和反射测试信号,以便同时测量透射和反射系数。

I

IF bandwidth 中频带宽 - 可以通过设备或电路发送而没有显著失真的总频率范围。例如,如果发射机能够在0和100MHz之间的整个频率范围内发送信号而没有显著失真,则发射机被称为具有100MHz的IF带宽。


Impedance 阻抗 - 阻抗是用于描述交流(AC)电路中电流流动方向的通用术语;它结合了幅度和相位信息。它是一个矢量,大小和相位都是分量。


Incident power 事件功率 - 施加到设备、电路或网络的功率。为了测试设备或电路,入射功率必须足以测量该设备或电路。例如,如果使用VNA测试具有已知插入损耗的RF开关,则施加在该RF开关端口的入射功率必须足够大,以便能够成功测量其插入损耗。


Insertion loss 插入损耗 - 在通过网络或设备或在网络或设备周围传输期间丢失的信号功率量。插入损耗描述了由于反射、阻抗失配和其他因素而导致所有信号功率损失的最坏情况。通常使用带有跟踪发生器的矢量网络分析仪对大信号进行测量。


Interferometer 干涉仪 - 一种用于确定物体或电路特性的装置,它将信号分成两部分,分别通过物体或电路或围绕物体或电路发送信号,然后将它们组合成一个信号。


L



Load reflection coefficient 负载反射系数 - 用于描述反射功率除以入射功率的比率的术语。这是可以在矢量网络分析仪中用于传输和反射测量的许多类型的反射系数之一。


Logarithmic sweeps 对数扫描 - 用于测量设备或系统性能的分析方法。对数扫描是以某种方式扫描的频率范围,通常是线性的。结果显示了性能如何随频率和/或输入信号幅度(功率电平)而变化。


Low-dimensional structures 低维结构 - 维度小于三的物体或设备的描述,这意味着它可以被描述为表面(二维)或线(一维)。例如薄膜和电线。


M



Magnetic field 磁场 - 磁性物体影响其他物体的区域。磁场是由流过电线、微波信号和产生微波的设备的电流产生的。


Magnetic force microscopy 磁力显微镜 - 一种显微镜技术,可用于研究物体的磁化强度,包括其方向和强度。它通常用于研究磁性结构,如铁磁体或反铁磁体。


Magnitude 振幅 - 描述信号强度的标量值,通常以电压或功率测量。电磁场的大小可以由其电或磁组件提供。


Maximum frequency 最大频率 - 最高频率可以使用标量矢量网络分析仪。这是标量网络分析仪的关键规格之一,尤其是在测量具有高自谐振的电感器和电容器等组件时。


Measurement accuracy 测量精度 - 量量的结果与真实值或可接受值之间的一致程度。它通常通过一个测试与另一个测试之间的误差差异来量化,这称为重复性。测量精度通常取决于许多因素,包括时间、环境条件、被测部件的类型等。


Measurement application 测量应用程序 - 使用矢量网络分析仪来确定设备或电路的特性,并根据频率提供这些测量值。例如,射频和微波矢量网络分析仪可以通过在一定频率范围内进行S参数测量,用于阻抗、回波损耗和传输线分析。


Measurement plane 测量平面 - 矢量网络分析仪(VNA)中进行测量的虚拟平面。在测量平面的每个点上的测量产生双端口S参数,例如反射和透射。


Microwave frequency 微波频率 - 频率范围从300 MHz到300 GHz,包括用于移动电话传输的频率。它是微波网络分析仪和射频网络分析仪使用的频率范围。


Mode multiplexer 模式多路复用器 - 与矢量网络分析仪一起使用的射频设备,用于从不同的射频信号或射频源中选择单个射频信号。模式复用器使仪器能够测量具有多个端口的设备的射频特性,如功率分配器和定向耦合器。


Mode transfer matrix inversion 模式转移矩阵求逆 - 一种标量网络分析仪测量技术,使用专门开发的模型来计算设备的阻抗。这种方法被称为模式转移矩阵反转,因为它涉及反转模式转移矩阵(M),这将设备的两个端口处的反射系数(S11)值与这些端口的阻抗相关联。


N



Noise floor 噪声下限 - 仪器可检测的最小信号电平。具有低噪声本底测量能力的网络分析仪可以检测比具有高噪声本底能力的网络分析器弱得多的信号。这是因为弱信号的测量值可能会受到噪声的显著影响,从而降低其精度。噪声下限通常被指定为最小可检测功率。


O



Operating frequency 工作频率 - 网络分析仪可用于进行功率测量的频率范围。这是选择网络分析仪进行功率测量时的关键规范之一,尤其是在测量具有高自谐振的电感器和电容器等组件时。


Optical mode transfer matrix 光模转换矩阵 - 一种数学模型,它将两个端口处设备的s参数与两个端口的阻抗联系起来。光学模式转移矩阵用于通过将其反相,然后乘以测量的反射系数来计算阻抗测量(S21,S12)。


Output signal 输出信号 - 从射频源发送到被测设备或被测设备的基本射频信号。输出信号可以被调制以进行调制的频率、相位和电平的测量。


P



Passive components 无源元件 - 不包含有源电子电路的一类电气元件,如二极管和变压器。它们包括电阻器、电容器、电感器、衰减器和定向耦合器。


Phase noise 相位噪声 - RF信号中可能存在的低频噪声分量。这有时被称为“相位抖动”。Rohde Schwarz词汇表解释了相位噪声是由多种不同的现象引起的,如电压温度漂移、电阻器热漂移,甚至电阻器的老化。当通过频谱分析仪设置进行调谐时,这些项目会导致噪声“地板”,或听到整体“嘶嘶声”,该设置允许您查看RF信号。


Phase shift 相移 - 系统中信号的时间位移。两个信号之间的相移可用于描述信号本身之间的差异或失配,和/或一个信号对另一个信号的影响。


Phase synchronization 相位同步 - 使用被测设备的两个单独端口,用一个或多个矢量网络分析仪进行相位测量的一种技术。测量可以基于施加到每个端口的射频信号之间的绝对或相对相位差。


Phase variation 相位变化 - 射频信号的相位变化,以度表示。无论网络分析仪连接到被测设备的一个或两个端口,还是使用绝对或相对测量技术,进行阻抗测量时必须考虑相位变化。


Power sweeps 功率扫频 - 网络分析仪的一种常见测量技术。在仪器的工作频率范围内,通常在许多频率下对被测设备的两个或所有端口进行功率扫频。其结果是一条曲线,显示在每个频率下提供了多少电压和电流。


Precision cables 精密电缆 - 用于连接网络分析仪和被测组件的电缆,这意味着它们必须具有低损耗并保持相位一致性。它们还需要具有非常高的共模抑制比,以便精确测量差模分量。


R



Raw port parameters 原始端口参数 - 用矢量网络分析仪测量的每个端口的单独S参数。然后,使用模式耦合理论将它们转换为总的器件S参数,从而能够在不同的频率下进行导纳测量。


Reduced-reflectometer calibration 减反射计校准 - 一种用矢量网络分析仪进行阻抗测量的技术。用于将一个或多个矢量网络分析仪适配成可产生准确阻抗测量而不需要昂贵校准夹具的缩减反射计。


Reference channel 参考通道 - 矢量网络分析仪中提供稳定校准信号高频路径。为了实现准确的阻抗测量,参考信道路径的功率必须比被测器件高50 dB。由于使用两个或多个端口进行测量可以提高它们的精度,因此可以将参考通道路径与一个或更多个校准端口组合以实现这一点。


Reference multiline 参考多线 - 一种网络分析仪功能,允许用户在时域内的四个不同信号之间轻松切换。具有多个信号也有助于表征被测量的信号是如何相互连接的,或者在解调输出中存在什么信号。


Reflection coefficient 反射系数 - 描述射频信号的多少功率从被测设备反射。反射系数可以用电压或电流来表示,并告诉你入射(正向)和反射(反向)能量之间的比率。它有时被称为SWR(驻波比)。


Reflection measurements 反射测量 - 用于确定被测器件阻抗的测量值。矢量网络分析仪可以使用两种技术之一进行精确的反射测量:绝对技术和相对技术。在这两种情况下,测试设备上两个或多个校准端口的反射都是在不同频率下测量的。相对测量说明了校准端口中的相位和振幅差异,以准确地提供阻抗测量。


Relaxation oscillation frequency 弛豫振荡频率 - 描述测量端口参数时发生振荡的最低频率的值。松弛振荡是由反射测量误差引起的,并且可能使精确测量变得困难或不可能获得。


Residual port parameters 剩余端口参数 - 总设备S参数和原始端口参数测量值之间的差异。随着矢量网络分析仪噪声系数的降低、校准精度的提高、探头匹配的改善、源VSWR的降低或源功率的增加,它们变得更小。


Return Loss 回波损耗 - 由于阻抗不匹配而从被测器件反射的功率的量度。回波损耗以分贝(dB)表示,表示在每个反射界面上损失了多少dB。通常,在单个频率下测量回波损耗,以确定被测器件是否可能被高功率信号损坏。


RF cables 射频电缆 - 用于连接网络分析仪射频端口的电缆。它们由低损耗、高阻抗同轴电缆制成,可将信号损耗降至最低。


S


S-parameters S参数通过指定反射信号的幅度和相位,描述射频信号如何响应设备端口的值。该名称来源于“散射”的S。S参数可以以表格或图形的形式表示,并且是有价值的测量,因为它们可以洞察设备的整体性能和健康状况。


S-parameter measurements S参数测量 - 用于确定射频输入/输出特性、设备稳定性(谐波失真)和效率(回波损耗或噪声系数)的测量。它们可以使用绝对技术或相对技术制作。


Signal source 信号源 - 产生特定波长电磁能的装置。信号源可用于测量诸如频率和幅度的参数数据。用于矢量网络分析仪的信号源包含校准的、明确定义的属性,如噪声系数、输出功率、输出阻抗和频率稳定性。


Simultaneous measurement 同时测量 - 同时测量设备上所有端口的反射系数(S参数)的行为。该测量使用一个或多个校准的射频源进行,这些射频源在其他矢量网络分析仪、测试设备或被测设备之间共享时间。这些测量可以使用绝对技术或相对技术进行。


Slow sensitivity fluctuations 缓慢的灵敏度波动 - 当在被测设备上进行测量时,矢量网络分析仪的噪声系数可能不是恒定的。相反,它可以作为频率和温度的函数而变化。这种故障被称为慢灵敏度波动(SSF),通常由矢量网络分析仪前端的缺陷组件引起。SSF可能由布线不良、探头连接不良、连接器脏污甚至校准波形缺陷或缺失造成。


Smith chart 史密斯圆图 - 一种图表,每个轴代表不同的量,用于使用S参数数据以图形方式计算阻抗。这对于表征元件和电路中的阻抗失配非常有用。在数字计算机上执行复杂的数学运算时,使用史密斯圆图可以最大限度地减少舍入误差。史密斯圆图允许阻抗匹配问题、合成、滤波器设计和电路分析的组件模型的图形表示。


Source match 源匹配 - 调整网络分析仪每个输入端口的电源的方式。由于发射器和接收器必须使用相同的参考,源匹配校准确保满足此要求。在不干扰其他基本条件(如探头匹配)的情况下,应尽量减少源提供的噪声以外的噪声贡献。通常调整源匹配,以使被测设备上所有端口的总反射功率和噪声水平相等。


Standing wave ratio 驻波比 - 沿传输线的任何点测量的同一方向传播的一个波与另一个波的电压之比。该比值表示为开路或短路值,这取决于它是相对于电流(开路驻波)还是相对于电势(短路驻波)测量的。


T


Test-set controller 测试集控制器 - 用于测试和编程系统组件的独立可编程控制器。测试集控制器设计用于支持各种数字发生器和示波器,包括矢量网络分析仪。


Trace noise 迹线噪声 - 矢量网络分析仪所测振幅和相位的随机波动会受到温度、湿度和电力线频率等不同环境条件的影响。这可能会影响矢量网络分析仪进行测量的准确性。


Transmission coefficients 传输系数 - 设备上所有端口的反射系数的乘积。这是用于表征复数阻抗值的一个常见参数。传输系数通常表示为幅度和相位角或实、虚和幅度分量。


Transmission measurements 传输测量 - 在被测设备的所有频率下测量传输系数的过程。透射测量通常通过使用矢量网络分析仪进行反射系数测量来进行。反射系数测量反射信号的幅度和相位角。然后,传输系数提供阻抗匹配的更多细节,因为它们提供幅度和相位分量,而不是仅提供幅度的S参数值。


TRL/LRM calibration TRL/LRM 校准 - 一种校准矢量网络分析仪的方法,通过在两个不同的频率将未知设备与已知参数的设备进行比较。理想情况下,该校准确定参考装置和未知装置之间的线性和非线性(外推)误差。所得数据可以用表表示,也可以用查找表使用外推值表示。


V


Vector Network Analyzer 矢量网络分析仪 - 一种信号分析仪器,提供被测设备的S参数、史密斯圆图和网络表示。通过允许用户测量复杂阻抗测量的幅度和相位分量,矢量网络分析仪可以提供高水平的性能。所得数据可以显示为频率响应列表或史密斯圆图。


Vector Network Analyzer architecture 矢量网络分析仪架构 - 

构成矢量网络分析仪的各种组件和操作所产生的系统。矢量网络分析仪的架构是使其能够测量幅值和相位分量,提供高水平的性能,并以多种形式(如列表格式或史密斯图)显示其数据。它包括诸如信号源、矢量网络分析仪、检测器、计算机辅助测试设备接口和显示器等部件。

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