Agilent 系列 网络分析仪.

Presentation on theme: "Agilent 系列 网络分析仪."— Presentation transcript:

1 Agilent 系列 网络分析仪

2 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 欢迎参加Agilent 公司的网络分析仪技术培训。
本课程内容将涵盖Agilent ENA 系列网络分析仪测试中的操作和器件测试相关概念及理论。 注：本教材内容只可用于Agilent公司用户技术培训，不可用于其它目的。

3 系统组成及器件功能 LNA SAW 滤波器 混频器 LO LC 滤波器 平衡/非平衡转换 天线 双功器 功分器 射频前端模块
按照器件应用于何处，有很多理由说明为什么要求完整地测试电路和其中的各种元件。 一个电子系统是由各种元件所组成，对每个元件及整个系统都有功能和相应性能指标的要求。例如：滤波器的通带带宽；带外抑制；放大器增益；输出功率等。元件制造商和设计工程师需要对每个部件性能进行规划和测，才能保证整个系统能稳定、正常地工作。 TX IF LC滤波器 隔离器 耦合器 放大器 SAW 滤波器 平衡/非平衡转换

4 射频信号在器件中的传播 Lightwave RF/MW 入射 透射 反射
通过说明光在透镜的传输过程可以帮助理解射频或微波信号在器件的工作过程。 当射频信号输入到某个器件上时，会产生相应的反射和传输。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。 器件及电路的设计实际上就是定量控制器件的反射和传输特性。 RF/MW

5 网络分析仪测试要讨论的问题 反射特性 传输特性 工作频率; 信号功率 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 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 反射特性 传输特性 既然器件的反射传输特性非常重要，下面分别对器件的反射/传输特性进行全面分析。 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。 工作频率; 信号功率

6 G 反射特性的参数定义: r F r r G ¥ dB ¥ 驻波比 V Z - + 反射系数 = = = 反射损耗
输入 r F Z L - O + 反射系数 (电压比值) G = = = Z0 : 传输线特性阻抗 Z1 : 传输线终端负载 r 反射损耗 (功率比值) = -20 log(r), G 驻波比 = Emax Voltage Standing Wave Ratio VSWR = Emax Emin = 1 + r 1 - r Emin 传输信号包络 全匹配 (ZL = Zo) 全反射 (ZL = 开路,短路 ) 需要定义定量的参数来精确反映器件(系统)的反射特性。 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。 反射损耗是反射信号与输入信号功率比值，为标量。 驻波比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，驻波比VSWR=1。 r 1 ¥ dB RL 0 dB 1 VSWR

7 Rectilinear impedance plane
史密斯圆图 (Smith Chart) 对阻抗和反射的描述 . 90 o 等反射系数圆 半径: 反射大小 相角: 反射相位 1.0 +R +jX -jX Rectilinear impedance plane .8 .6 .4 180 o + - .2 o ¥ ® -90 o 电感区 Z = Zo 等电抗圆 L G = 等电阻圆 Smith Chart 圆图反映阻抗Z与反射特性的对应关系，所以圆图应定量反映阻抗特性和反射特性。 Smith Chart 圆图就是反射系数和阻抗指标的对应关系的形象反映。 对于确定的阻抗值Z=R+JX，在圆图上有确定的某点位置与之对应，R值对应相应大小等电阻圆，X值对应等电抗圆。等电阻圆和等电抗圆交点为Z.该点半径为阻抗Z对应的反射系数模值，夹角为反射系数相位。 圆图的周期为传输线信号波长/2，圆图旋转一圈代表传输线传输电长度为/2，半圈为/4。 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) Z = (开路点) 小电阻区 大电阻区 L G = 1 O Z = 0 (短路点) L G = 1 ±180 O 电容区 Z=R+jx

8 反射特性的说明 对于复阻抗: 功率最大传输效率条件: RL = RS: 负载上最大功率传输 ZL = ZS* (共轭匹配)
1.2 Zs = R + jX ZL = Zs* = R - jX 1 0.8 Load Power (normalized) 0.6 0.4 0.2 总结前面各种反射现象，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，就会产生发射信号，也就是说：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。50，75 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 RL / RS RL = RS: 负载上最大功率传输

9 传输特性 T V V V V V DUT 传输系数 = = tÐf = - 20 log t 插入损耗 (dB) = - 20 Log
输入 DUT 传输系数 = T = V Transmitted Incident = tÐf V Trans Inc = log t 插入损耗 (dB) = Log 与反射参数的定义相似，可得到传输参数。传输特性为器件输出信号和输入信号的比值。 传输系数为信号电压比值，包含幅度信息和相位信息，为矢量。 对于功率比值，根据器件是对输入信号进行放大还是衰减，功率比值定义为：增益和差损。 增益 (dB) = 20 Log V Trans Inc = 20 log t

10 线性器件与非线性器件 线性特性: 非线性特性: 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 DUT 输入/输出信号不同频率
A * Sin 360 * f ( t - t ) A Time 线性特性: 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 t o Time Sin * f * t Frequency A phase shift = to * 360 * f 1 f 输入 DUT 输出 在对输入信号处理的过程中，许多器件具有线性和非线性特性，不同特性的传输特性当然对输出信号有不同的影响。在说明产生不同类型的信号失真之前，先看看线性系统与非线性系统的不同。 具有线性传输特性的系统对于输入信号只产生幅度和相位的变化，而不会产生新的频率成分。 非线性系统能对输入信号的频率进行搬移，或产生新的频率成份，如谐波和交调。 许多在通常信号条件下具有线性特性的器件可能会表现出非线性，如进入饱和区的放大器。这种情况对于无源器件(电缆;滤波器)和有源器(放大器)都是存在的。 f 1 Frequency 非线性特性: 输入/输出信号不同频率 产生新的频率成份 Time f 1 Frequency

11 满足波形不失真线性系统的条件 V = f(t) V = a f( t - to) 幅度/频率特性要求 相位/频率特性要求 DUT
输入 输出 DUT 系统频率带宽内幅频特性为常量 系统频率带宽内相频特性为线性 Magnitude 当某个电路或模型块用于系统中传输信号时，传输信道电路应保证对输入信号不产生波形变化的失真。非线性系统会产生新的频率成分，肯定会引起输出信号波形变化。 即使是线性系统，在某些情况下也会使输出信号的波形发生变化。 要满足波形在传输过程中不发生失真，则器件传输特性需满足以下条件： 1、幅度/频率特性在工作频率范围内要保持恒定； 2、相位/频率特性在工作频率范围内保持线性。 以上两个条件为保证信号的无失真传输缺一不可。 Phase Frequency Frequency 幅度/频率特性要求 相位/频率特性要求

12 对系统相位特性的描述 + 器件相位非线性 器件相频特性 网络分析仪的相位补偿处理功能： 应用: 应用: 便于对相位特性线性的分析
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 网络分析仪相位补偿 Phase 45 /Div o 器件相位非线性 器件相频特性 Phase 1 /Div o (Electrical delay ) + = 但直接观察器件(系统)的相位/频率特性一般很难定量反映其线性。 解决相频特性线性指标测试问题有两种方法： 方法1：使用网络分析仪电延迟功能抵消掉被测件相/频特性中线性部分(固定时间差),通过对剩余非线性部分进行定量测试， 方法2：群时延(group delay)测量。 Frequency Frequency Frequency 应用: 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

13 群时延Group Delay (GD) f w f w Dw f Df = * 网络分析仪通过测试相/频特性得到器件延迟性能
Phase f Df Frequency Dw w t g 群时延抖动 t o 平均时延 aperture Group Delay (t ) = Frequency g -d f d f -1 = d w o * 360 d f 网络分析仪通过测试相/频特性得到器件延迟性能 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 群时延是定量反映被测件相位失真的指标，群时延是信号在通过被测件的传输时间与工作频率关系的测量。被测件的相位特性为理想线性时，群时延为固定直线。 对群时延的测量关心两个读值： 1、群时延平均值:该值反映信号在器件中的平均传输延时， 2、群时延抖动:反映被测件的相位非线性。 群时延的测量是通过对相位/频率特性（相位的变化随时间取微分）进行数学微分得到，微分过程中定义的计算区间称为：孔径(aperture)。 上图反映孔径取值对群时延测试的影响。 孔径设置为窄时，测试分辨率高，但容易受系统中噪声的影响，测试重复性差。 孔径设置为宽时，微分运算对孔径范围内相位非线性变化具有平均作用，测试分辨率变差，但测试重复性好，可消除系统噪声的随机影响。 基于以上原因，在群时延的测试中，要明确测试孔径的设置。孔径的设置是在测试精度和分辨率间的折衷。 f in radians w in radians/sec f in degrees f in Hertz (w = 2 p f)

14 通过群时延指标反映器件相位线性 相位抖动相同 群延时不同 Phase Group Delay f -d f d w
通过电延迟补偿得到的被测件非线性相位误差和群时延两项指标都可以定量反映被测件的相位非线性。 而群时延指标更能精确反映相位非线性。上图的例子表明：相位波动峰-峰值相同的被测件产生的群时延可能有明显不同，右图中器件群时延抖动较大，会引起更大的信号失真。 群延时不同

15 完整的器件指标描述 R B A 传输特性 反射特性 输入 输出 反射 B Reflected A Transmitted = = R
Incident A R = Transmitted B = Incident R 总结前面的介绍，某个器件(系统)完整的参数应包含：反射和传输特性，两个方面的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)。 群延时 反射损耗 SWR 增益 Delay S参数 阻抗 相位 S11,S22 反射系数 S参数 Phase S21,S12 传输系数 R+jX, G+jB G, r T,t

16 S参数的定义 正向 S-parameters 反向 电压线性值定义 b S a Z S b a = b S = a b S = a a =
输入 21 传输 2 a 1 Z Load S 正向 11 反射 DUT b a = 1 2 S-parameters 电压线性值定义 S 11 = Reflected Incident b 1 a 2 21 Transmitted S 22 = Reflected Incident b 2 a 1 12 Transmitted 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参数下标注的意义是：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，既：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时，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1端口2传输系数。 a = b 1 2 Z Load S 22 反射 DUT 反向 a 2 b 传输 S 12 输入 1

17 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 输入信号 输出信号 Time
Frequency Time 输入信号 输出信号 总结前面的分析结论，我们已经看到，线性网络可以造成信号波形失真，具有非线性特性的器件也会造成信号失真。 对于线性的放大器电路，当输入信号功率过大，使放大器处于非线性的饱和区时，输出信号被限幅，在频率谱上出现新的谐波频率成份。 所以一个器件(系统)的工作特性与其输入信号幅度有直接关系，即使是无源器件也是一样，例如磁芯电感当工作电流过大时会出现磁滞现象。

18 器件的功率动态范围: 输入1dB压缩点 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
CH1 S og MAG dB/ REF 32 dB dB 12.3 dBm C2 1dB 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) 工程中利用1dB压缩点指标来反映被测件的功率动态范围。 1dB压缩点指标通过器件的传输特性来得到定义，如上图所示。随输入功率增加，理想线性器件的S21不会发生变化，而实际器件的增益会减小。这里定义使放大器增益下降1dB的输入功率为被测件输入1dB压缩点。 例子中，被测放大器工作在902M时，输入1dB压缩点为13.8dBm。既当输入信号功率为13.8dBm时，放大器增益会下降1dB。已进入非线性工作区。 输入1dB压缩点 IF BW 3 kHz SWP 420 msec START 5dBm CW 902 MHz STOP 15 dBm 测试功率 测试频率

19 器件的功率动态范围: 输出1dB压缩点 输出信号功率 (dBm) 输入信号功率 (dBm) 饱和工作电平 压缩工作区 线性工作区
同样1现象也可以通过器件输出功率与输入信号功率的关系来得到反映。该关系曲线斜率为器件的增益。 当放大器工作在线性区时,增益为常数并与输入信号功率无关，通常把这个区域的增益称为“小信号增益”。当输入信号功率增加到一定值时，放大器增益下降，也就是放大器出现压缩。在这一非线性条件下，如果输入为CW正弦波形，放大器的输出不再是正弦波形，信号的一部分以谐波形式出现，而不只有基波频率成份。 当输入信号功率进一步增加,放大器输出功率保持不变，放大器进入饱和区，这时，放大器增益实际为零。 通过输出/输入功率关系测量可得到被测件输出1dB压缩点。 线性工作区 (slope = small-signal gain) 输入信号功率 (dBm)

20 AM / PM 转换对系统的影响 输入功率对器件相位特性的影响 Power sweep Q I
Amplitude AM Mag(AM ) (dB) in DUT PM (deg) Time Test Stimulus Amplitude I Q AM AM/PM转换指标也反映被测件的非线性特性。它是被测件输入信号幅度变化引起的输出中出现不希望的相位偏移。 对于许多调相信号(PM;QAM)调制信息包含在信号的相位值中，如果对该信号处理的器件中存在AM/PM现象，就会造成输出信号相位发生偏移，使信号质量变坏。这个过程通过极坐标系上矢量图可以得到形象反映。 (dB) Mag(AM ) out AM - PM Conversion = PM Mag(PM out ) (deg) Mag(PM out ) (deg/dB) Mag(AM in ) Time Output Response AM to PM conversion can cause bit errors

21 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 欢迎参加Agilent 公司的网络分析仪技术培训。
本课程内容将涵盖Agilent ENA 系列网络分析仪测试中的操作和器件测试相关概念及理论。 注：本教材内容只可用于Agilent公司用户技术培训，不可用于其它目的。

22 网络分析仪组成框图 网络分析仪组成 •信号源 •信号分离装置 •接收机 •处理显示单元 输出信号 输入信号
功率分配/开关 网络分析仪组成 •信号源 •信号分离装置 •接收机 •处理显示单元 参考接收机 参考接收机 R1 R2 衰减器 衰减器 A B 测量接收机 Port 1 上图所示为网络分析仪内部组成框图。 为完成被测件传输/反射特性测试，网络分析仪包含以下四个部分： 1、激励信号源， 提供被测件激励输入信号； 2、信号分离装置，含功分器和定向耦合器件，分别完成对被测试件输入和反射信号提取； 3、接收机：对被测件的反射；传输；输入信号进行测试比较； 4、处理显示单元，完成对测试结果进行处理和显示。 反射信号 (A) 传输信号 (B) Port 2 输入信号 DUT 输出信号

23 网络分析仪测试信号流程 输入源 LO 源 R A B RF A B R R 传输 :被测件正向传输特性 :被测件输入端反射特性 输入参考信号
输出信号 N*LO +/- IF 反射特性是被测件反射与输入激励的相对比值，网络分析仪要完成该项测试，需分别得到被测件输入激励信号和测试端口反射信号。 网络分析仪内部信号源负责产生满足测试频率和功率要求的激励信号，信号源输出通过功分器均分为两路信号，一路直接进入R接收机，另一路通过开关输入到被测件相应测试口。所以，R 接收机测试得到被测输入信号信息。 激励信号输入到被测件后会发射反射，被测件端口反射信号与输入激励信号在相同物理路径上传播，定向耦合器负责把同一个物理路径上相反方向传播的信号进行分离，提取的反射信号信息进入A接收机。 A/R： 为被测试件端口反射特性。当需要测试另外端口反射特性时，需网络分析仪内部开关将激励信号转换到相应测试端口。 传输特性是被测件输出与输入激励的相对比值，网络分析仪要完成该项测试，需分别得到被测件输入激励信号和输出信号信息。 被测件输出信号进入网络分析仪B接收机，所以，B接收机测试得到被测件输出信号信息。 B/R：为被测试件正向传输特性.，当完成反向测试测试时，需要网络分析仪内部开关控制信号流程。 传输 反射 RF 输入信号 A B :被测件输入端反射特性 :被测件正向传输特性 R R

24 信号源 源功率控制 端口稳定点频输出: 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 频率合成源 源功率控制部分=
ALC Driver ALC 检测 衰减器 源 ALC = 自动电平控制 (automatic level control) 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 信号源提供被测件激励信号，由于网络分析仪要测试被测件传输/反射特性与工作频率和功率的关系，所以，网络分析仪内信号源需具备频率扫描和功率扫描功能。 为保证测试的频率精度,现在网络分析仪内信号源采用频率合成方法实现。当扫宽设置为零时，输出信号为点频CW信号。 网络分析控制其输出功率依靠ALC和衰减器两个部分完成，ALC保证输入信号功率的稳定和功率扫描控制，由于ALC控制范围有限,需衰减器完成大范围功率调整。 Range1 Range2 Range3 …. 端口稳定点频输出: span=0Hz, max sweep time

25 信号分离装置 功分器 提供参考信号 宽频率覆盖 定向耦合器 电桥 方向性 低插入损耗 定向耦合器连接端点: 反射特性测试点 6 dB
50 W 功分器 提供参考信号 宽频率覆盖 Incident Transmitted DUT SOURCE Reflected Main signal SIGNAL SEPARATION INCIDENT (R) REFLECTED (A) TRANSMITTED (B) RECEIVER / DETECTOR 定向耦合器 电桥 方向性 低插入损耗 PROCESSOR / DISPLAY Coupled signal 网络分析仪内部功分器和定向耦合器分别完成对被测件输入信号和反射信号的提取。其中当要测试被测件某个端口反射特性时，必须将定向耦合器直接连接在该测试端口上。 这两部分统称为信号分离装置,，这部分硬件也通常被测试为“测试座”，在一些特殊测试场合(大功率测试等)可不使用网络分析仪表一体化的内置测试座，而使用外置测试座设备。 Test Port Detector 定向耦合器连接端点: 反射特性测试点

26 定向耦合器用于器件反射性能测试 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. (入射信号泄漏)
(被测件反射方向) 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. (定向耦合器输入端) 被测件端口 定向耦合器 输入方向 反射方向 DUT RL = 40 dB 反射测试中, 定向耦合器对于被测件反射信号而言是正向连接，定向耦合器耦合端输出反映反射信号信息。 网络分析仪测试反射特性时，由于定向耦合器有限的方向性影响，耦合器耦合端会包含泄露的输入激励信号，该信号会与反射信号进行矢量叠加，造成反射指标测试误差。 被测件匹配性能越好，定向耦合器方向性对测试影响越大。 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 Directivity Data Max Device 30 Return Loss Add in Phase Frequency 60 Directivity Device Data Min Cancel Data » 0 Device Data = Vector Sum Directivity

27 Scalar broadband (no phase information)
RECEIVER / DETECTOR PROCESSOR / DISPLAY REFLECTED (A) TRANSMITTED (B) INCIDENT (R) SIGNAL SEPARATION SOURCE Incident Reflected Transmitted DUT 接收机类型 Scalar broadband (no phase information) Diode DC AC RF Tuned Receiver IF Filter IF = F LO F RF ADC / DSP Slide 39 The next portion of the network analyzer we'll look at is the signal-detection block. There are two basic ways of providing signal detection in network analyzers. Diode detectors convert the RF signal level to a proportional DC level. If the stimulus signal is amplitude modulated, the diode strips the RF carrier from the modulation (this is called AC detection). Diode detection is inherently scalar, as phase information of the RF carrier is lost. The tuned receiver uses a local oscillator (LO) to mix the RF down to a lower "intermediate" frequency (IF). The LO is either locked to the RF or the IF signal so that the receivers in the network analyzer are always tuned to the RF signal present at the input. The IF signal is bandpass filtered, which narrows the receiver bandwidth and greatly improves sensitivity and dynamic range. Modern analyzers use an analog-to-digital converter (ADC) and digital-signal processing (DSP) to extract magnitude and phase information from the IF signal. The tuned-receiver approach is used in vector network analyzers and spectrum analyzers. Vector (magnitude and phase)

28 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 网络分析仪中检测信号主要有两种基本方法。 方法1: 二极管检波 二极管检波提取射频信号输入包络电平,输出电压反映输入信号功率。 如果输入信号为连续CW信号，则称为为DC检波。如果输入为幅度调制信号,则称为为AC检波。 二极管检波只反映信号幅度信息，丢失了射频载波信号的相位信息。 方法2: 调谐接收机。调谐接收机将输入信号进行下变频后通过ADC变为数字量后处理。这样可以得到信号的相位和幅度信息。 调谐接收机由于中频信号要通过带通滤波处理，由于检波器带宽测试模式，这种无选频测试会造成大测试噪声带宽(20G)。 而调谐接收机的中频带宽可小至10Hz，这样可保证接收机有很好的测试灵敏度，而且对被测件输出信号中杂波失真成分有很好抑制作用。 调谐接收机灵敏度度与其设置中频滤波器带宽有直接关系，中频带宽越窄，进入接收机噪声能量越少，灵敏度相应提高。但窄带滤波器的响应时间会变长，从而造成网络分析仪测试速度的下降。 窄带接收机网络分析仪中频滤波器带宽为测试基本设置参数之一，其设值是在网络分析仪测试精度和速度间的折衷。 ENA网络仪的接收机采用基于混频方的接收机，具有很好的灵敏度指标。接收机的带宽可在10Hz~100kHz间选择。 300kHz 8.5 GHz

29 网络分析仪的测试动态范围 -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 接收机带宽
:70kHz 接收机带宽:10Hz -100dB 上图的测试结果反映了网络分析仪接收机带宽对测试动态范围影响的规律。 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

30 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 - + phase error magn error
网络分析仪测试精度与仪表接收机性能有关。接收机灵敏度度反映其工作性能，接收机灵敏度越高，网络分析测试精度越高。 上图反映网络仪接收机性能对测试精度影响的规律，坐标横轴是网络分析仪接收机中接 收信号与干扰噪声信号的幅度比值， 纵轴为仪表幅度测试精度和相位测试精度。 从关 系曲线规律看，接收机内部干扰噪声越小，其工作动态范围越大，则测试误差越小。 具体读数时，例如测试精度要求为: 被测件指标动态范围=80dB; 幅度误差<0.1 dB ; 相位误差< degree 为满足该被测件动态范围和测试精度要求，相应仪表接收机内部干扰噪 声信号需比接收信号小 39 dB。 既仪表测试动态范围要求为>80+39=119dB。

31 Transmission/Reflection Test Set
T/R vs S-Parameter Test Sets RF always comes out port 1 port 2 is always receiver response, one-port cal available RF comes out port 1 or port 2 forward and reverse measurements two-port calibration possible Transmission/Reflection Test Set Port 1 Port 2 Source B R A DUT Fwd Transfer switch S-Parameter Test Set Rev Slide 44 There are two basic types of test sets that are used with network analyzers. For transmission/reflection (T/R) test sets, the RF power always comes out of test port one and test port two is always connected to a receiver in the analyzer. To measure reverse transmission or output reflection of the DUT, we must disconnect it, turn it around, and re-connect it to the analyzer. T/R-based network analyzers offer only response and one-port calibrations, so measurement accuracy is not as good as that which can be achieved with S-parameter test sets. However, T/R-based analyzers are more economical. For the 8712, 8753 and 8720 families, Agilent uses the ET suffix to denote a T/R analyzer, and the ES suffix to denote an S-parameter analyzer. S-parameter test sets allow both forward and reverse measurements on the DUT, which are needed to characterize all four S-parameters. RF power can come out of either test port one or two, and either test port can be connected to a receiver. S- parameter test sets also allow full two-port (12-term) error correction, which is the most accurate form available. S-parameter network analyzers provide more performance than T/R-based analyzers, but cost more due to extra RF components in the test set. There are two different types of transfer switches that can be used in an S-parameter test set: solid-state and mechanical. Solid-state switches have the advantage of infinite lifetimes (assuming they are not damaged by too much power from the DUT). However, they are more lossy so they reduce the maximum output power of the network analyzer. Mechanical switches have very low loss and therefore allow higher output powers. Their main disadvantage is that eventually they wear out (after 5 million cycles or so). When using a network analyzer with mechanical switches, measurements are generally done in single-sweep mode, so the transfer switch is not continuously switching. S-parameter test sets can have either a 3-receiver (shown on slide) or 4-receiver architecture. The 8753 series and standard 8720 series analyzers have a 3-receiver architecture. Option 400 adds a fourth receiver to 8720 series analyzers, to allow true TRL calibration. The 8510C family and the PNA Series uses a 4-receiver architecture. More detailed information of the two architecture is available in the appendix.

32 显示处理单元 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 ………..
Incident Transmitted DUT SOURCE Reflected 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 ……….. 网络分析仪的显示处理部分完成对测试结果的处理并按照需要的方式显示测试结果。ENA网络仪表还可对测试结果进行合格判断，内置VBA编程等功能。

33 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 欢迎参加Agilent 公司的网络分析仪技术培训。
本课程内容将涵盖Agilent ENA 系列网络分析仪测试中的操作和器件测试相关概念及理论。 注：本教材内容只可用于Agilent公司用户技术培训，不可用于其它目的。

34 网络分析仪测量误差 系统误差 随机误差 飘移误差 由于测试仪表原理或测试设备引起 变化有规律 能够被定量描述 可通过校准消除 随时间随机变化
不能通过校准消除 引起随机误差的原因: 设备噪声 开关重复性 连接器重复性 飘移误差 校准后仪表性能变化 主要由温度变化造成 通过定期计量消除 测试数据 系统误差 被测件 性能 随机误差 网络分析仪测试过程中的误差主要分为三类：系统误差；随机误差；漂移误差。 系统误差是由于仪表内部测试装置的不理想引起，它是可预示和可重复出现的。假设是不随时间变化的，从而可以定量进行描述。系统误差可在测试过程中通过校准消除。 随机误差是不可预示的，因为它以随机形式存在，会随时间变化，因此不能通过校准消除。随机误差的主要来源为：仪表内部噪声(如：激励源相位噪声；采样噪声；中频接收机本底噪声等)。仪表的开关动作重复性和连接器重复性也属于随机误差。 漂移误差是仪表在校准后测试装置性能漂移。漂移误差主要是由于温度变化造成，可通过进一步校准消除。校准后仪表能够保持稳定精度的时间长短取决与测试环境中仪表的漂移速度。 飘移误差

35 反射参数测试误差分析 DUT A 反射信号 频率响应误差 单端口共 6 项误差 双端口共 12 项误差
R A B 串扰 方向性误差 反射信号 DUT 频率响应误差 反射跟踪误差 传输跟踪误差 网络分析仪校准可消除测试过程中出现的系统误差。 下面具体分析一下反射测试过程中网络分析仪存在的系统误差。 上图明确了当网络分析仪测试器件反射特性时仪表存在的误差内容。 误差项1： 频响误差 网络分析仪在扫频状态下工作，无论是仪表内部设备还是外接的测试电缆等在工作频带范围内其特性都会存在变化，这些与频率变化相关的测试误差称为“ 频响误差”，也被称为“ 跟踪误差”。 误差项2：方向性误差 由于定向耦合器有限方向性造成的误差为方向性误差，方向性误差引起的泄漏信号会叠加在真实的反射信号上，造成测试误差。当被测件端口匹配性能好时，方向性误差对测试影响较大。 误差项3：端口失配误差 反射指标测试过程中，反射信号通过传输路径返回仪端口，仪表端口阻抗与传输线间会存在失配，该失配会造成信号二次入射，最终在传输路径中的信号的多次入射，相应又形成多次反射，这项误差称为源失配误差。被测件匹配性能越差，该项误差对测试的影响越明显。 同样，被测件输出的传输信号也会由于接收端阻抗失配造成反射，该信号会通过被测件的反向传输而叠加在真实反射信号上。从而形成负载失配误差。如果被测件反向传输隔离性能较差，负载失配误差的影响较大。 误差项4：隔离误差 在网络分析仪内部R，A，B接收机应该分别反映测试的输入,反射及传输信号。但这些接收机之间会存在信号串扰，对于高隔离被测件(开关；隔离器； 大范围衰减器)的测试。该项误差影响明显。 上例中，正向测试存在共6项误差，反向测试存在对称的6项测试误差，所以二端口器件测试中共存在12项误差。仪表的二端口校准也被称为12项误差校准。 源失配 负载失配 单端口共 6 项误差 双端口共 12 项误差

36 校准的基本分类 频响校准 (response校准)= 归一化处理(normalization) 矢量校准 简单 需要测试更多校准件
只能消除跟踪误差(频响误差) 相当于归一化处理(Datamem, Data/mem) 矢量校准 需要测试更多校准件 可消除更多误差项目 要求矢量测试能力 thru S 11 M A SHORT OPEN 通过前面的介绍和分析，网络分析仪的校准过程就是通过测试标准件来明确仪表系统误差的过程。根据校准消除误差项性质的不同，网络分析仪校准方式主要可分为频响校准和矢量校准。校准的方法不同，消除误差项目的个数与测试的标准件数目也不相同。 频响校准（Response)只测试一个标准件，其中 反射测试时为全反射校准件，可使用短路校准件（Short)或开路校准件(Open)。一般使用终端短路更接近理想全反射状态。 传输测试时，使用直通校准件（Through)。 频响校准的校准过程较简单。但只可确定频响误差这一项误差。频响校准的过程相当于测试归一化过程。既先将测试结果存入存储器中得到参考线，然后用被测件测试结果与其比较。这样可消除参考线中系统误差影响。 矢量校准要求网络分析仪具有幅度和相位的测试能力，计算误差项的过程中需要联立方程组。矢量校准过程中要求测试多个标准件，从而可消除更多的误差项，保证仪表具有更高的测试精度。 LOAD thru

37 校准的概念 反射测试 校准网络分析仪误差的过程 测量参数已知的标准件,得到误差项 将测试结果中误差项成份消除
SHORT OPEN LOAD 校准网络分析仪误差的过程 测量参数已知的标准件,得到误差项 将测试结果中误差项成份消除 反射测试 存在三项误差:方向性,源失配, 反射通道频率响应 频响校准(推荐标准件: short)消除频响误差 1-port 单端校准 消除3项误差 反射传输测试 存在12项误差 频响校准( 校准件: through) 消除频响误差 full 2 port 双端口校准消除12项误差 cal kit: 定义校准件数据 definition file 用户可定义校准件: 校准件定义必须和实际校准件相符 网络分析仪误差校准是通过已知标准件的测试来得到仪表误差项的过程。 仪表有两个连接端口，每个端口都存在误差。校准方法的类型除可根据消除误差类型可分为标量校准和矢量校准外，还可根据校准的端口数分为单端口校准和双端口校准（多端口校准）。 单端口校准( One Port CAL)可消除被校准端口的所有系统误差(方向性误差； 源失配误差； 反射跟踪误差)。 当校准端口为仪表的端口1时，称为S11单端口校准（S11 One-Port)； 当校准端口为仪表的端口2时，称为S22单端口校准（S22 One-Port)。 单端口校准的类型为矢量校准。 当网络分析仪用于被测试件全部传输/反射性能测试时，仪表需对所有端口和传输连接线进行校准，双端口校准( Two Port CAL)能消除12项系统误差。双端口校准过程中需要使用四种校准件（SOLT），需完成进行7次标准件的连接测试。

38 ENA 支持的校准件方式 机械校准件 电子校准件(Ecal) 校准件多次连接 Shorts, Open, Loads, Thru
Agilent ENA系列网络分析仪除可以使用传统的机械校准件进行校准外，还可以使用电子校准件（E-Cal)。 和机械校准件相比，电子校准件具有以下特点： 1、校准过程简单 电子校准件只需要和网络仪连接一次，既可完成双端口校准所要求的测试项目。而不需要多次的校准件连接。 2、校准速度快 利用电子校准完成双端口校准只需要几秒钟时间，使整个测试过程的效率大大提高。 3、校准过程中不确定因素少 由于不需要多次的连接过程，所以电子校准受到误操作影响的概率会降低。 4、支持混合端口校准 Agilent可提供混合端口形式的电子校准件，如校准件端口1为N型，端口2为3.5mm。这样可保证对许多非插入器件测试的准确性。 Agilent ENA网络分析仪与电子校准件间的通信控制采用USB接口。 校准件多次连接 Shorts, Open, Loads, Thru 单次连接；多端口校准 Single Connection

39 不同的校准方法总结 不校准 2. 频响校准 3. 1-PORT单端校准 4. FULL 2-PORT双端校准 thru thru DUT
SHORT SHORT SHORT thru DUT OPEN OPEN OPEN LOAD LOAD LOAD DUT thru 方便 消除频率相应误差 不要求高精度 传输测试=直通 反射测试=短路 DUT DUT 反射测试 消除测试端口所有误差 Directivity Source match Reflection tracking 校准件: open short load 复杂,校准件多次连接 高精度 消除测试中所有误差: Directivity Source, load match Reflection tracking Transmission tracking Crosstalk 上图为网络分析仪所有校准方式的比较，每种校准方法的校准过程不同，可消除的误差项目及测量精度也不相同。 测试过程中根据测试参数和测试精度要求选择相应校准方式。

40 TRL校准 Thru-Reflect-Line TRL校准的特点: 双端口校准技术
适合非同轴系统测试 (waveguide, fixtures, wafer probing) 与SOLT 校准使用相同的12项误差模型 要求网络分析仪 4 接收机, 3 接收机支持TRL*校准 其它校准方法: Line-Reflect-Match (LRM), Thru-Reflect-Match (TRM) 对于非同轴被测件进行测试，如：波导和晶片等被测件，TRL校准是经常采用的校准方法。 TRL代表“ Through:直通; Reflect:反射; Line:传输线。 采用TRL校准的原因是因为在非同轴和高频率条件下，要实现理想的匹配负载非常困难。 真正完整的TRL校准为确定10项未知误差， 需使用4接收机网络分析仪,，其中2台接收机用于反射信号测试，另两台接收机完成对传输信号的测试。 TRL 校准需进行14次测试。 其它术语如： LRL；LRM；TRM等只是采用其他校准件的同一种基本校准方法。

41 网络仪功率校准确保源功率精度 与ENA兼容的功率计 保证测试端口输出功率准确 不同测试通道和测试端口分别设置
437B (Single ch) 438A (Dual ch) EPM-441A (Single ch) EPM-442A (Dual ch) E4416A (Single ch) E4417A (Dual ch) E4418A (Single ch) E4418B (Single ch) E4419A (Dual ch) E4419B (Dual ch) ENA网络分析仪可以通过功率校准(Power Calibration)来保证其输出信号幅度的准确，功率校准是使用功率计测量网络分析仪的端口信号，ENA可以与Agilent E441X 系列功率计进行连接和校准。 和普通功率计测量过程相同，功率校准过程中需要明确校准中功率探头的校准因子。