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矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀原理

作者:qiuyi   日期:2022-12-27 14:44:04


 

 

 

為完成被測(cè)件傳輸/反射特性測(cè)試,網(wǎng)絡(luò)分析儀包含:

 

1.激勵(lì)信號(hào)源; 提供被測(cè)件激勵(lì)輸入信號(hào)

 

2.信號(hào)分離裝置, 含功分器和定向耦合器件,分別提取被測(cè)試件輸入和反射信號(hào)。

 

3.接收機(jī); 對(duì)被測(cè)件的反射,傳輸,輸入信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。

 

4.處理顯示單元; 對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行處理和顯示。

 

 

1  網(wǎng)絡(luò)分析儀組成框圖

 

 

 

傳輸特性是被測(cè)件輸出與輸入激勵(lì)的相對(duì)比值, 網(wǎng)絡(luò)分析儀要完成該項(xiàng)測(cè)試,需分別得到被測(cè)件輸入激勵(lì)信號(hào)和輸出信號(hào)信息。

 

 

 

網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部信號(hào)源負(fù)責(zé)產(chǎn)生滿足測(cè)試頻率和功率要求的激勵(lì)信號(hào),信號(hào)源輸出通過功分器均分為兩路信號(hào),一路直接進(jìn)入R接收機(jī),另一路通過開關(guān)輸入到被測(cè)件相應(yīng)測(cè)試口,所以,R 接收機(jī)測(cè)試得到被測(cè)輸入信號(hào)信息。

 

 

 

被測(cè)件輸出信號(hào)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)分析儀B接收機(jī),所以,B接收機(jī)測(cè)試得到被測(cè)件輸出信號(hào)信息。B/R為被測(cè)試件正向傳輸特性。當(dāng)完成反向測(cè)試測(cè)試時(shí),需要網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部開關(guān)控制信號(hào)流程。

 

 

 

 

 

2  網(wǎng)絡(luò)分析儀傳輸測(cè)試信號(hào)流程

 

 

 

反射特性是被測(cè)件反射與輸入激勵(lì)的相對(duì)比值, 網(wǎng)絡(luò)分析儀要完成該項(xiàng)測(cè)試,需分別得到被測(cè)件輸入激勵(lì)信號(hào)和測(cè)試端口反射信號(hào)。

 

 

 

網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部信號(hào)源負(fù)責(zé)產(chǎn)生滿足測(cè)試頻率和功率要求的激勵(lì)信號(hào),信號(hào)源輸出通過功分器均分為兩路信號(hào),一路直接進(jìn)入R接收機(jī),另一路通過開關(guān)輸入到被測(cè)件相應(yīng)測(cè)試口,所以,R 接收機(jī)測(cè)試得到被測(cè)輸入信號(hào)信息。

 

 

 

激勵(lì)信號(hào)輸入到被測(cè)件后會(huì)發(fā)射反射, 被測(cè)件端口反射信號(hào)與輸入激勵(lì)信號(hào)在相同物理路徑上傳播,定向耦合器負(fù)責(zé)把同個(gè)物理路徑上相反方向傳播的信號(hào)進(jìn)行分離,提取反射信號(hào)信息,進(jìn)入A接收機(jī)。

 

 

 

A/R 為被測(cè)試件端口反射特性。當(dāng)需要測(cè)試另外端口反射特性時(shí),需網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部開關(guān)將激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換到相應(yīng)測(cè)試端口。

 

 

 

 

3  網(wǎng)絡(luò)分析儀反射測(cè)試信號(hào)流程

 

 

 

信號(hào)源

 

 

 

信號(hào)源提供被測(cè)件激勵(lì)信號(hào),由于網(wǎng)絡(luò)分析儀要測(cè)試被測(cè)件傳輸/反射特性與工作頻率和功率的關(guān)系。所以,網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)信號(hào)源需具備頻率掃描和功率掃描功能。

 

 

 

為保證測(cè)試的頻率精度,現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)信號(hào)源采用頻率合成方法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)掃寬設(shè)置為零時(shí),輸出信號(hào)為點(diǎn)頻CW信號(hào)。

 

 

 

網(wǎng)絡(luò)分析控制其輸出功率依靠ALC和衰減器兩個(gè)部分完成。 ALC保證輸入信號(hào)功率的穩(wěn)定和功率掃描控制,由于ALC控制范圍有限,需衰減器完成大范圍功率調(diào)。

 

 

 

 

 

4  網(wǎng)絡(luò)分析儀中的信號(hào)源

 

 

 

信號(hào)分離裝置

 

 

 

網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部功分器和定向耦合器分別完成對(duì)被測(cè)件輸入信號(hào)和反射信號(hào)的提取。其中當(dāng)要測(cè)試被測(cè)件某個(gè)端口反射特性時(shí),必須將定向耦合器直接連接在該測(cè)試端口上。

 

 

 

這兩部分統(tǒng)稱為信號(hào)分離裝置,這部分硬件也通常被測(cè)試為“測(cè)試座”,在一些特殊測(cè)試場(chǎng)合(大功率測(cè)試等)可不使用網(wǎng)絡(luò)分析儀表一體化的內(nèi)置測(cè)試座,而使用外置測(cè)試座設(shè)備。

 

 

 

 

 

5  網(wǎng)絡(luò)分析儀中的信號(hào)分離裝置

 

 

 

電橋用于反射性能測(cè)試,電橋可覆蓋很寬頻率范圍,電橋的主要缺點(diǎn)是對(duì)傳輸信號(hào)有較大損耗。因此對(duì)于給定的信號(hào)源功率。結(jié)果導(dǎo)致輸入到被測(cè)件的功率損失。

 

 

 

定向耦合器負(fù)責(zé)分離反射測(cè)試中的激勵(lì)信號(hào)和反射信號(hào),這個(gè)功能也可由電橋完成,與定向耦合器相比,電橋可覆蓋更寬的頻率范圍,單其對(duì)測(cè)試的傳輸信號(hào)有較大損耗。

 

 

 

定向耦合器是三端口器件;其三個(gè)端口為; 輸入端,輸出端和耦合端。

 

在反射測(cè)試中之所以需要定向耦合器,是利用定向耦合的定向傳輸特性。當(dāng)把信號(hào)由定向耦合器輸入端接入時(shí),耦合端有耦合輸出,此時(shí)稱為正向傳輸,定向耦合器相當(dāng)于不均分功率分配器。

 

 

 

在正向傳輸中,耦合器耦合輸出與輸入功率比值比定義為耦合度。

 

 

 

 

 

6  定向耦合器正向傳輸特性

 

 

 

對(duì)于理想定向耦合器,當(dāng)信號(hào)由耦合器輸出端接入反向工作時(shí),耦合端沒有輸出。這是因?yàn)檩斎牍β时获詈掀鲀?nèi)部的負(fù)載和主臂終端外接負(fù)載所吸收,這就是定向耦合器的單向傳輸性。

 

 

 

實(shí)際定向耦合器反向工作時(shí),耦合端會(huì)有泄露輸出, 反向工作時(shí)耦合端輸出與輸入信號(hào)功率比定義為定向耦合器隔離度。

 

 

 

 

 

7  定向耦合器反向傳輸特性

 

 

 

對(duì)定向耦合器測(cè)試的重要指標(biāo)為其方向性(Directivity),方向性為定向耦合器反向工作隔離度與正向工作耦合度差值。方向性指標(biāo)反映耦合器分分離正反兩個(gè)方向信號(hào)的能力??梢员灰暈榉瓷錅y(cè)試的動(dòng)態(tài)范圍。

 

 

 

測(cè)量定向耦合器有一種簡(jiǎn)易方法,不需要正向和反向連接測(cè)試。當(dāng)定向耦合器內(nèi)部負(fù)載損耗功率相當(dāng)小時(shí),該方法得到的結(jié)果與真實(shí)值相近。

 

 

 

首先,在主臂輸出端接一個(gè)短路負(fù)載,由于全反射,耦合端輸出反映耦合度,對(duì)該值進(jìn)行規(guī)一化處理后端接匹配負(fù)載。此時(shí)耦合端只是有限隔離度引起的泄露信號(hào)。因?yàn)橐呀?jīng)進(jìn)行了規(guī)一化處理,最后讀值就是耦合器方向性。

 

 

 

反射測(cè)試中,定向耦合器對(duì)于被測(cè)件反射信號(hào)而言是正向連接,定向耦合器耦合端輸出反映反射信號(hào)信息。

 

 

 

網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試反射特性時(shí),由于定向耦合器有限的方向性影響,耦合器耦合端會(huì)包含泄露的輸入激勵(lì)信號(hào),該信號(hào)會(huì)與反射信號(hào)進(jìn)行矢量疊加,造成反射指標(biāo)測(cè)試誤差。

 

 

 

被測(cè)件匹配性能越好,定向耦合器方向性對(duì)測(cè)試影響越大。

 

 

 

網(wǎng)絡(luò)分析儀中的接收機(jī)

 

 

 

由功分器,定向耦合器及輸出端得到的信號(hào)輸入到相應(yīng)接收機(jī)進(jìn)行處理,為對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析,網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)置多臺(tái)接收機(jī)。

 

 

 

網(wǎng)絡(luò)分析儀是一個(gè)包含激勵(lì)源和接收設(shè)備的閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)。

 

 

 

 

 

8  網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機(jī)

 

 

 

網(wǎng)絡(luò)分析儀中檢測(cè)信號(hào)主要有兩種基本方法:

 

 

 

方法1:二極管檢波,二極管檢波提取射頻信號(hào)輸入包絡(luò)電平,輸出電壓反映輸入信號(hào)功率。如果輸入信號(hào)為連續(xù)CW信號(hào),為DC檢波,如果輸入為幅度調(diào)制信號(hào),為AC檢波。二極管檢波只反映信號(hào)幅度信息,丟失了射頻載波信號(hào)的相位信息。

 

 

 

方法2:調(diào)諧接收機(jī)。調(diào)諧接收機(jī)將輸入信號(hào)進(jìn)行下變頻后通過ADC變?yōu)閿?shù)字量后處理。這樣可以得到信號(hào)的相位和幅度信號(hào)。

 

 

 

如果您使用過功率計(jì),就會(huì)了解檢波器測(cè)量信號(hào)的特點(diǎn)。首先檢波器是寬帶功率測(cè)試,既如果檢波器工作頻率范圍是10M至18G,其功率顯示結(jié)果應(yīng)為該頻率范圍內(nèi)存在的所有信號(hào)功率和,而沒有選頻測(cè)試功能。由于這個(gè)原因,使用檢波器的標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀會(huì)對(duì)被測(cè)件輸出端的失真及雜波信號(hào)沒有區(qū)分能力,而會(huì)造成錯(cuò)誤測(cè)試結(jié)果。

 

 

 

 但標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)變頻和非變頻的被測(cè)件使用相同的方法進(jìn)行測(cè)試。

 

檢波器能檢測(cè)的功率范圍是有限的,例如為;-50dBm~10dBm, 這會(huì)限制標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試的動(dòng)態(tài)范圍。

 

 

 

調(diào)諧接收機(jī)由于中頻信號(hào)要通過帶通濾波處理,由于檢波器帶寬測(cè)試模式,這種無選頻測(cè)試會(huì)造成大測(cè)試噪聲帶寬(20G),而調(diào)諧接收機(jī)的中頻帶寬可小至1KHz,這樣可保證接收機(jī)有很好的測(cè)試靈敏度,而且對(duì)被測(cè)件輸出信號(hào)中雜波失真成分有很好抑制作用。

 

 

 

調(diào)諧接收機(jī)靈敏度度與其設(shè)置中頻濾波器帶寬有直接關(guān)系,中頻帶寬越窄,進(jìn)入接收機(jī)噪聲能量越少,靈敏度相應(yīng)提高,但輸出信號(hào)響應(yīng)時(shí)間會(huì)變長(zhǎng),網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試速度會(huì)下降。

 

 

 

窄帶接收機(jī)網(wǎng)絡(luò)分析儀中頻濾波器帶寬為測(cè)試基本設(shè)置參數(shù)之一,其設(shè)值是在測(cè)試精度和速度間折衷。

 

 

 

 

 

9 調(diào)諧接收機(jī)及其特點(diǎn)

 

 

 

這是同一個(gè)被測(cè)件分別利用檢波器和調(diào)諧接收機(jī)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比。

 

 

 

例子中,被測(cè)件為一濾波器, 當(dāng)對(duì)濾波器帶外抑制性能進(jìn)行測(cè)試時(shí), 此時(shí),網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出的激勵(lì)信號(hào)受到濾波器的抑制作用變?yōu)樾⌒盘?hào),

 

濾波器輸出= 輸入信號(hào)功率0dBm -波波器帶外抑制度100dB= -100dBm。

 

如果檢波器靈敏度為-60dBm,  不能檢測(cè)到-100dBm實(shí)際信號(hào),測(cè)試結(jié)果不能真實(shí)反映測(cè)件指標(biāo)。

 

與檢波器相比,調(diào)諧接收機(jī)有很小檢測(cè)帶寬,從而檢測(cè)靈敏度高,可真實(shí)得到被測(cè)試件指標(biāo)。

 

采用調(diào)諧接機(jī)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,可通過增加輸出功率,減小中頻帶寬或利用平均功能(Avg) 來擴(kuò)展測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍。

 

 

 

 

 

10 網(wǎng)絡(luò)分析表動(dòng)態(tài)范圍對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

 

 

 

安捷倫PNA系列網(wǎng)絡(luò)分析儀都是采用調(diào)諧接收機(jī)的高性能矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。其接收機(jī)測(cè)試靈敏度度較高,可滿足各種被測(cè)件測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍要求。

 

 

 

調(diào)諧接收機(jī)可使用混頻器和采樣器兩種方式實(shí)現(xiàn)器前端變頻功能。

 

 

 

采樣器(Sampler)是利用二級(jí)管對(duì)輸入射頻信號(hào)按脈沖進(jìn)行抽取處理,采樣器可以認(rèn)為是內(nèi)部有脈沖發(fā)生器的混頻器,脈沖發(fā)生器產(chǎn)生由本振諧波組成的寬帶頻譜(梳狀譜),輸入射頻信號(hào)與梳狀譜線之一信號(hào)進(jìn)行混頻產(chǎn)生中頻輸出。

 

 

 

采樣器變頻電路要求的本振信號(hào)只需覆蓋較窄的頻率范圍,其缺點(diǎn)為為鎖定不同的梳狀譜線需進(jìn)行復(fù)雜的鎖相處理,而且與混頻電路相比,其所有梳裝譜線的噪聲都會(huì)變換到中頻信號(hào)中,靈敏度要差一些。

 

 

 

網(wǎng)絡(luò)分析儀是綜合激勵(lì)和接收的閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng),采用窄帶調(diào)諧接收機(jī)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀工作時(shí),信號(hào)源產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào),接收機(jī)應(yīng)在相同頻率對(duì)被測(cè)件響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行處理,激勵(lì)源和接收機(jī)工作頻率的變化應(yīng)該是同步變化的。網(wǎng)絡(luò)分析儀是依靠鎖相方法來完成該功能。

 

 

 

R通道接收機(jī)中頻信號(hào)會(huì)與固定參考信號(hào)進(jìn)行鑒相,鑒相誤差輸出用于壓控改變激勵(lì)源輸出頻率,這樣當(dāng)接收機(jī)本振頻率掃描變化時(shí),鎖相環(huán)會(huì)控制激勵(lì)源保持頻率同步變化。當(dāng)R通道接收機(jī)工作不正常時(shí),網(wǎng)絡(luò)分析儀會(huì)出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象。


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