RIGOL技術(shù)站 | 一文讀懂 VNA 進(jìn)階測(cè)試

在無(wú)線世界中，射頻組件測(cè)試的需求是將產(chǎn)品推向市場(chǎng)的關(guān)鍵因素之一。設(shè)備越來(lái)越小，包含的組件越來(lái)越復(fù)雜。運(yùn)用阻抗(或導(dǎo)納)和反射/傳輸參數(shù)的理論知識(shí)，可以使射頻設(shè)備的性能達(dá)到最佳。濾波器、諧振器等射頻元件所用到的電容和電感值可以通過(guò)理論計(jì)算來(lái)獲得，借助仿真軟件微調(diào)元件的屬性值來(lái)優(yōu)化整體設(shè)計(jì)，但是最終射頻元件的性能還需要通過(guò)實(shí)際測(cè)量來(lái)評(píng)估。

相比于標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)說(shuō)，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）不僅可以測(cè)量幅度和頻率等標(biāo)量信息，還可以測(cè)試相位等更加全面的系統(tǒng)特征值。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）是用來(lái)評(píng)估及測(cè)試射頻元件性能的重要設(shè)備，其測(cè)試結(jié)果以矢量（復(fù)數(shù)）形式表征。矢量網(wǎng)絡(luò)分析以反射[S11]和傳輸[S21]因子組成散射矩陣，并可以通過(guò)相位信息對(duì)線纜故障位置進(jìn)行精確計(jì)算。

RIGOL的RSA5000N和RSA3000N（以下稱(chēng)RSAxN）系列VNA解決方案可以執(zhí)行三種不同的測(cè)量：反射[S11]、傳輸[S21]和故障點(diǎn)距離[DTF]測(cè)量。通過(guò)切換測(cè)試模式，工程師可以輕松地獲取被測(cè)物（DUT）的頻率響應(yīng)、相位、SWR（駐波比）等信息，并且可以得到依據(jù)DUT特性繪制的Smith圓圖和極坐標(biāo)圓圖。

一、S11測(cè)量

反射測(cè)量是確定復(fù)雜系統(tǒng)(如無(wú)線通信系統(tǒng))性能的關(guān)鍵，反射系數(shù)指反射波電壓與入射波電壓的比值。進(jìn)行反射測(cè)量最優(yōu)的方式之一是Smith圓圖，因?yàn)樗畔⒆疃?，比?

• 復(fù)阻抗信息、電感/容抗匹配情況以及補(bǔ)償方式

• 復(fù)反射系數(shù)

• 電容或電感的實(shí)際影響

• 頻率范圍的影響及頻率響應(yīng)

• 射頻組件的Q因子

在RSAxN中，史密斯圓圖可以顯示阻抗或?qū)Ъ{圓圖。圖1是一個(gè)通用的Smith圓圖。“通用”是指它可以用于每個(gè)系統(tǒng)阻抗。但最終實(shí)際復(fù)阻抗的計(jì)算須在測(cè)量完成后進(jìn)行。在RSAxN中，可以通過(guò)標(biāo)記和測(cè)量阻抗值來(lái)表征轉(zhuǎn)換后的值。

Smith圓圖和極坐標(biāo)圖是分析特定頻段上復(fù)阻抗和反射系數(shù)的有效工具，其主要目的是做高頻電路的阻抗匹配。阻抗表示電路對(duì)電信號(hào)的阻礙能力，由矢量（復(fù)數(shù)）表征：實(shí)部表示電阻值，虛部表示電抗值（包括容抗和感抗）。在Smith圓圖中，上半部分表示電路偏感性，即虛部是正值；下半部分表示電路偏容性，即虛部是負(fù)值；中間的水平分界線表示電路為純阻性，即阻抗的虛部為0，最左側(cè)為短路點(diǎn)（阻抗為0），最右側(cè)為開(kāi)路點(diǎn)（阻抗為無(wú)窮大），正中心是阻抗匹配點(diǎn)，此時(shí)電路處于最佳狀態(tài)。

圖1: 阻抗區(qū)域的Smith圓圖概述，以50 Ω為例

如下，以對(duì)50歐網(wǎng)絡(luò)的輸入端口測(cè)試為例，Smith圓圖可以顯示復(fù)數(shù)網(wǎng)絡(luò)中不同的可能性。

圖2：DUT中心頻率測(cè)量及阻抗匹配

如圖2，我們的實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)應(yīng)Smith圓圖的A點(diǎn)（First measurement）。對(duì)該端口先串聯(lián)30歐的電阻我們可以讓測(cè)試結(jié)果到達(dá)B點(diǎn)然后再串聯(lián)27歐的感抗，即可實(shí)現(xiàn)在指定頻點(diǎn)的50歐匹配C點(diǎn)。但現(xiàn)實(shí)問(wèn)題是，27歐感抗對(duì)應(yīng)的67pH電感值非常小，很難實(shí)現(xiàn)，且獨(dú)立的電感元件適應(yīng)頻率范圍也不夠高，所以對(duì)于更高的頻率，需要使用其他方法，如微帶傳輸線，用短截線來(lái)補(bǔ)償-j27歐（短路短截線的長(zhǎng)度: I = 0.078λ，開(kāi)路短截線的長(zhǎng)度: I = 0.328 λ）。對(duì)于短截線，需要介電常數(shù)來(lái)評(píng)估正確的波長(zhǎng)。

除了通過(guò)Smith圓圖來(lái)直觀進(jìn)行阻抗匹配計(jì)算，VNA還可以在頻率范圍內(nèi)換算成回波損耗和電壓駐波比VSWR

圖3：S11參數(shù)測(cè)量的四種顯示方式：Smith圓圖、極坐標(biāo)圖、對(duì)數(shù)幅度-頻率、SWR

信號(hào)通過(guò)濾波器、放大器等組件傳輸時(shí)，都會(huì)有延時(shí)現(xiàn)象。如果寬帶信號(hào)經(jīng)過(guò)組件，不同頻率信號(hào)的群時(shí)延不同，會(huì)引起信號(hào)的非線性變化，即導(dǎo)致信號(hào)失真，這不是我們所希望的結(jié)果。如果群時(shí)延在頻率范圍內(nèi)是恒定的，那么所有頻率分量將有相同的相位偏差，在這種情況下，理想系統(tǒng)將沒(méi)有失真，群時(shí)延將是一個(gè)恒定值。

群時(shí)延計(jì)算如下：

圖4：對(duì)數(shù)幅度-頻率、SWR、相位-頻率、群時(shí)延

二、S21參數(shù)測(cè)量

S21參數(shù)可以表征在指定頻率范圍內(nèi)的插入損耗，在經(jīng)過(guò)一個(gè)完整的校準(zhǔn)后可以進(jìn)行高精度的測(cè)量。頻率響應(yīng)的測(cè)量功能可以用于測(cè)量濾波器（見(jiàn)圖5）或放大器的帶寬。

圖5：S11 SWR測(cè)量（左）、S21插入損耗（對(duì)數(shù)刻度）測(cè)量（右）

類(lèi)似于S11測(cè)量，也可以用RSAxN測(cè)量S21的相位、插入損耗和群延遲（見(jiàn)圖6）。

圖6：插入損耗(綠色)、相位(藍(lán)色)和群延遲 (粉色)的S21測(cè)量

三、故障點(diǎn)距離測(cè)量DTF

DTF是S11測(cè)量的擴(kuò)展應(yīng)用，是為了定位線纜故障的距離，在頻域中測(cè)量被測(cè)電纜的反射。DTF首先通過(guò)比較反射信號(hào)和跟蹤源創(chuàng)建的參考信號(hào)來(lái)確定頻段范圍內(nèi)的反射向量，然后執(zhí)行快速傅里葉逆變換（IFFT）。結(jié)合線纜模型的特征，就能夠快速確定反射傳播的距離，準(zhǔn)確定位線纜中的故障點(diǎn)。為了進(jìn)一步提高準(zhǔn)確性，DTF的算法中還考慮補(bǔ)償了傳輸過(guò)程中發(fā)生的衰減損耗。

圖7顯示了DUT的頻率范圍(S11)和DTF測(cè)量結(jié)果(兩根線纜之間有連接器，末端匹配50 Ω)。在S11的一定頻率范圍內(nèi)測(cè)量顯示時(shí)，故障點(diǎn)只能被粗略地捕捉。但在DTF中，很容易得到故障點(diǎn)的精確距離。

圖7：S11對(duì)數(shù)數(shù)量級(jí)（左）、相同組件的DTF時(shí)間視圖（右）

四、校準(zhǔn)

精確測(cè)量的前提是校準(zhǔn)。校準(zhǔn)可以將系統(tǒng)誤差最小化，從而得到更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

S11/DTF校準(zhǔn)

D =方向性誤差：來(lái)自定向耦合器的非理性特性Ms=源匹配誤差:來(lái)自VNA信號(hào)源的阻抗失配TR= 跟蹤誤差:來(lái)自于用于信號(hào)分離器件(如定向耦合器)、混頻器和內(nèi)部檢測(cè)器的元器件的頻率響應(yīng)。以下是一個(gè)單端口測(cè)量的誤差模型極其公式:

圖8：?jiǎn)味丝跍y(cè)量的誤差模型

負(fù)載校準(zhǔn)：使用50Ω阻抗[負(fù)載]時(shí)，S11A為0，S11M = D（測(cè)量定向耦合器的方向性誤差）。VNA可將校準(zhǔn)后的頻率范圍內(nèi)的方向性誤差[D]降至最低。校準(zhǔn)后，RSA5000N的方向性誤差約為-40dB。

短路/開(kāi)路校準(zhǔn)：從DUT的角度看，源[Ms]不匹配，這會(huì)在DUT與系統(tǒng)之間形成反射環(huán)路。當(dāng)DUT顯示不匹配時(shí)，可以看到此誤差。此外，連接器、電纜、內(nèi)部耦合器、檢測(cè)器導(dǎo)致頻率響應(yīng)誤差[TR]。在開(kāi)路（ S11A= 1）和短路（ S11A= 1）校準(zhǔn)下，將產(chǎn)生兩個(gè)含有因子 Ms和 TR的方程式。

開(kāi)路/負(fù)載/短路和直通校準(zhǔn)件應(yīng)該是理想的，例如短路反射系數(shù) = 1，但實(shí)際不是。例如，開(kāi)路包含雜散電容，短路則包含電感。RIGOL的校準(zhǔn)套件CK106A（DC – 6.5 GHz）和CK106E（DC – 1.5 GHz）補(bǔ)償參數(shù)已經(jīng)集成到RSAxN版本中，可以進(jìn)行精確的校準(zhǔn)。如果使用其它校準(zhǔn)套件，則需要根據(jù)所使用的校準(zhǔn)套件參數(shù)自定義。

圖9：帶通濾波器的測(cè)量：端口末校準(zhǔn)測(cè)量（細(xì)線）和直通校準(zhǔn)后測(cè)量（粗線）

對(duì)于DTF測(cè)量，需要綜合電纜的速度因數(shù)（例如70％→0.7）和電纜損耗，以提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。

S21校準(zhǔn)

對(duì)于S21(傳輸系數(shù))測(cè)量，需要進(jìn)行直通校準(zhǔn)以獲得平坦的幅頻響應(yīng)曲線。圖10顯示了校準(zhǔn)前后的曲線。

圖10：帶通濾波器的S21測(cè)量：未直通準(zhǔn)測(cè)量（細(xì)線）和直通校準(zhǔn)后測(cè)量（粗線）

五、總結(jié)

常規(guī)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀價(jià)格非常昂貴，而且體積一般較大，不便于系統(tǒng)搭建和操作。由RIGOL研發(fā)的RSA5000N/3000N系列頻譜分析儀，搭配VNA功能模式，可以提供給您最具性?xún)r(jià)比的矢量網(wǎng)絡(luò)分析解決方案。我們根據(jù)您的需要，配備了高性能和經(jīng)濟(jì)性?xún)煽钤O(shè)備，為您最大可能的優(yōu)化成本配置，供您在技術(shù)研究、生產(chǎn)制造、教育教學(xué)等多種途徑中靈活選擇。

RSA5032N頻譜分析儀

普源精電科技股份有限公司（RIGOL TECHNOLOGIES CO., LTD.）自1998年成立，致力于成為測(cè)試測(cè)量行業(yè)卓越的國(guó)際品牌。RIGOL是業(yè)界領(lǐng)先的從事測(cè)量?jī)x器研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售的高新技術(shù)企業(yè)，所設(shè)計(jì)研發(fā)的產(chǎn)品深受客戶支持與喜愛(ài)，目前已是測(cè)試測(cè)量行業(yè)擁有自主芯片研發(fā)創(chuàng)新能力的品牌。隨著RIGOL國(guó)際化步伐的深入，目前已成為全球測(cè)試測(cè)量行業(yè)的市場(chǎng)創(chuàng)新者。