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1、矢量网络分析仪基础S 参数网络参数网络l l引言引言l l2 2端口端口S S参数网络简介参数网络简介l l反射和传输反射和传输2S 参数网络：参数网络：引言引言网络分析网络分析网络不是计算机网络，指的是电子器件拓扑网络网络不是计算机网络，指的是电子器件拓扑网络矢量不是数字调制中的矢量矢量不是数字调制中的矢量(I/Q)，是指信号具有幅度和相位是指信号具有幅度和相位矢量网络分析仪多半是用来进行矢量网络分析仪多半是用来进行器件器件测量测量3传输能量入射能量传输传输增益/损耗S-参数S21,S12群延迟传输系数插入相位反射能量入射能量反射反射SWRS-参数S11,S22反射系数t阻抗感抗R+jX,G
2、+jB 回波损耗 G,rT,t入射能量反射能量传输能量RBAAR=BR=S 参数网络：参数网络：二端口网络二端口网络DUT4S21 正向传输正向传输S12 反向传输反向传输Port 1Port 2a1b2a2b1S11 正向反射正向反射S22 反向反射反向反射DUTS 参数网络：参数网络：二端口网络二端口网络S参数参数b1=S11 x a1+S12 x a2b2=S22 x a2+S21 x a15S 参数网络：参数网络：二端口网络二端口网络S参数参数传输传输增益增益(dB 或或 V)插入损耗插入损耗(dB 或或 V)插入相位插入相位(度度)实部和虚部实部和虚部(R+jI)电长度电长度(m)电
3、延迟电延迟(s)线性相位的偏移线性相位的偏移(度度)群延迟群延迟(s)6S 参数网络：参数网络：二端口网络二端口网络S参数参数 反射反射回波损耗回波损耗(dB)SWR阻抗阻抗(R+j X)反射系数反射系数距离距离(时域）时域）(傅里叶变换傅里叶变换)7l lS S参数网络参数网络l l传输线理论传输线理论l l线形和非线性线形和非线性l l网络分析仪的内部结构网络分析仪的内部结构l l校准校准l l时域时域内容8传输线理论：传输线理论：传输线理论：传输线理论：传输线类型传输线类型电缆电缆同轴电缆同轴电缆双绞线双绞线微带线微带线微带微带共面共面波导波导9传输线理论：传输线理论：传输线理论：传输线
4、理论：传输线传输线理想的传输线(终端连接 Zo)传输线终端连接负载，无反射信号，相当于无限长的传输线。传输线终端连接负载，无反射信号，相当于无限长的传输线。VincVref =0!(所有入射功率都被负载吸收)Zo=传输线的特性阻抗ZL=ZoZs=Zo10传输线理论：传输线理论：传输线理论：传输线理论：驻波比驻波比VSWR来自激励源的电压来自激励源的电压=Vi低频低频反射信号电压反射信号电压=Vr中频中频高频高频阻抗阻抗不匹配不匹配,不是不是 50 Ohms最大电压值和最小电压值之比最大电压值和最小电压值之比 VSWR=Emax/Emin=(1+r)/(1-r)反射系数：反射系数：G=Vr/Vi
5、;r=1G1EmaxEmin反射系数和阻抗的计算反射系数和阻抗的计算 G=(ZL-Zo)/(ZL+Zo)11传输线理论：传输线理论：传输线理论：传输线理论：回波损耗回波损耗回波损耗回波损耗来自信号源的功率来自信号源的功率=Pi反射正比于阻抗匹配反射正比于阻抗匹配阻抗阻抗不匹配不匹配,不是不是 50 Ohms回波损耗回波损耗 RL =-20Lg（r）反射系数按电压表示：反射系数按电压表示：G=Vr/Vi r=1G1PiPr12传输线理论：传输线理论：传输线理论：传输线理论：反射参数反射参数13 史密斯圆图史密斯圆图为阻抗平面图画在为阻抗平面图画在极坐标圆图上极坐标圆图上0+R+jX-jX阻抗平面
6、图阻抗平面图.-90o0o180o+-.2.4.6.81.090o 0 0极坐标圆图极坐标圆图Z =ZoL=0G常熟 X常熟 R史密斯圆图史密斯圆图GLZ =0=180 O1(短路)Z =L=0 O1G(开路)传输线理论：传输线理论：传输线理论：传输线理论：史密斯圆图史密斯圆图14l lS S参数网络参数网络l l传输线理论传输线理论l l线形和非线性线形和非线性l l网络分析仪的内部结构网络分析仪的内部结构l l校准校准l l时域时域内容15线性表现：线性表现：l输入和输出信号相同输入和输出信号相同l输出频率只在幅度和相位变化输出频率只在幅度和相位变化频率f1时间Sin 360o*f*t频率
7、A相位偏移=to*360o*f1fDUT时间AtoA*Sin 360o*f(t-to)输入输入输出输出时间非线性表现：非线性表现：l输出信号发生畸变输出信号发生畸变l输出信号有附加信号输出信号有附加信号频率f1线性和非线性线性和非线性16 幅度不变幅度不变在指定的带宽内在指定的带宽内幅度相位频率频率相位不变相位不变在指定的带宽内在指定的带宽内线性和非线性：线性和非线性：线性网络线性网络 无失真传输无失真传输17线性和非线性：线性和非线性：电子延迟电子延迟使用电子延迟使用电子延迟(参考面延长参考面延长)去除线性相位延迟去除线性相位延迟示例：信号经过滤波器后的相位变化示例：信号经过滤波器后的相位变
8、化加入电子延迟长度=+频率频率相位响应相位偏移 相位 1 /格O 频率 相位 45 /格O 18线性和非线性：线性和非线性：群延迟群延迟群延迟波动表示相位失真群延迟波动表示相位失真平均延迟是电子延迟平均延迟是电子延迟跨度对测量的影响非常重要跨度对测量的影响非常重要跨度越窄，分辨率越小，但曲线噪声越大跨度越窄，分辨率越小，但曲线噪声越大跨度越宽，分辨率越差，但曲线噪声很小跨度越宽，分辨率越差，但曲线噪声很小频率群延迟波动totg相位PDP频率DF 跨度F19线性和非线性：线性和非线性：为什么测量群延迟？为什么测量群延迟？相位波动相同但群延迟不同相位波动相同但群延迟不同相位相位相位相位群延迟群延迟
9、群延迟群延迟-d d f fd d w w-d d f fd d w wf ff ff ff f20线性和非线性：线性和非线性：有无失真有无失真 网络是否线性的标网络是否线性的标准准饱和、临界、交调、以及其他非线性效应引起的信号失真饱和、临界、交调、以及其他非线性效应引起的信号失真对系统的影响取绝于系统结构和失真类型和总量对系统的影响取绝于系统结构和失真类型和总量频率频率频率频率时间时间时间时间21线性和非线性：线性和非线性：非线性描述非线性描述常见的常见的VNA非线性测量：非线性测量：增益压缩点增益压缩点AM/PM谐波谐波交调产物和截点交调产物和截点22线性和非线性：线性和非线性：非线性描述
10、什么是增益压缩非线性描述什么是增益压缩?放大器的增益为有限的放大器的增益为有限的在某些点，放大器成为非线性在某些点，放大器成为非线性通常通常P1 dB作为放大器的增益压缩点作为放大器的增益压缩点理想放大器理想放大器实际放大器实际放大器 =1 dBClass AClass AB饱和饱和DR输出功率输出功率输入功率输入功率P1 dB噪声底噪声底23线性和非线性：线性和非线性：1dB 压缩点测试方法压缩点测试方法频率扫描增益压缩测量频率扫描增益压缩测量功率扫描增益压缩测量功率扫描增益压缩测量单频率点单频率点多频率点多频率点增益压缩测量精度讨论：增益压缩测量精度讨论：功率测量是绝对测量，不是相对测量功
11、率测量是绝对测量，不是相对测量没有进行矢量校准没有进行矢量校准源和负载匹配误差没有校准源和负载匹配误差没有校准结论：必须用功率计校准结论：必须用功率计校准VNA24线性和非线性：线性和非线性：AM/PM 测量测量AM/PM 测量测量功率扫描测量下的功率扫描测量下的一种测量一种测量反映的是幅度调制反映的是幅度调制产生的相位调制或产生的相位调制或频率变化的相位偏频率变化的相位偏移移25线性和非线性：线性和非线性：多频率点功率扫描压缩测量多频率点功率扫描压缩测量功率扫描测量功率扫描测量自动测试自动测试多达多达10个个 CW 频率点功率扫频率点功率扫描增益压缩测量描增益压缩测量可和功率计测量同样精确可
12、和功率计测量同样精确26线性和非线性：线性和非线性：什么是交调失真什么是交调失真 IMD?两个频率相差不大的信号进入系统产生的一种两个频率相差不大的信号进入系统产生的一种非线性失真非线性失真多见于有源器件多见于有源器件无源器件也有，但电平很低无源器件也有，但电平很低交调产物交调产物三阶、五阶、七阶、九阶三阶、五阶、七阶、九阶交调失真讨论交调失真讨论失真产物信号有可能干扰其它有用信号失真产物信号有可能干扰其它有用信号失真产物信号造成系统的能源损耗失真产物信号造成系统的能源损耗27线性和非线性：线性和非线性：什么是三阶截点什么是三阶截点 TOI截点是推算假定放大器无压缩和交调失真产物的交叉点截点是
13、推算假定放大器无压缩和交调失真产物的交叉点三阶截点计算三阶截点计算PTONE1=PTONE2PTONE1+/2(2/2)PTONE1+(PTONE1-PUPPER)/2(3*PTONE1-PUPPER IMD)/2Upper Tone(3*PTONE1-PUPPER IMD)/2(3*0 dBm-42.120dB)/2+21.06 dBmLower Tone(3*PTONE2-PLOWER IMD)/2(3*0 dBm-41.927 dB)/2+20.96 dBm28l lS S参数网络参数网络l l传输线理论传输线理论l l线形和非线性线形和非线性l l网络分析仪的内部结构网络分析仪的内部结
14、构l l校准校准l l时域时域内容29网络分析仪的内部结构：网络分析仪的内部结构：网络分析仪的内部结构：网络分析仪的内部结构：VNA的基本组成的基本组成三个主要部分三个主要部分:系统信号源系统信号源测试座测试座信号测量器件信号测量器件下变频处理将下变频处理将RF到到 IF 网络分析仪网络分析仪前面板，显示和存前面板，显示和存储器储器分析分析IF的数字和模的数字和模拟硬件拟硬件操作软件操作软件 30网络分析仪的内部结构：网络分析仪的内部结构：网络分析仪的内部结构：网络分析仪的内部结构：VNA的工作原理的工作原理每个接收通道都通过线性频率变换保留了幅度和相位信息每个接收通道都通过线性频率变换保留了
15、幅度和相位信息微波信号源微波信号源DUT3rdL.O.1stL.O.2ndL.O.SYNC.DET.1st I.F.2ND I.F.3RD I.F.31网络分析仪的内部结构：网络分析仪的内部结构：网络分析仪的内部结构：网络分析仪的内部结构：VNAVNA接收机技术接收机技术频率转换频率转换幅度和相位测量幅度和相位测量灵敏度高灵敏度高大动态范围（大动态范围（IF带宽、平均带宽、平均)谐波抑制谐波抑制低噪声低噪声ADC/DSP32l lS S参数网络参数网络l l传输线理论传输线理论l l线形和非线性线形和非线性l l网络分析仪的内部结构网络分析仪的内部结构l l校准校准l l时域时域内容33l l
16、误差分析及其修正误差分析及其修正l l校准方法校准方法l l不定量计算不定量计算校准：校准：校准：校准：内容内容内容内容34校准：校准：校准：校准：随机误差随机误差随时间变化不可预见因此不可校准随时间变化不可预见因此不可校准仪器内的噪声、开关重复性仪器内的噪声、开关重复性测试电缆和接头的重复性测试电缆和接头的重复性环境温度漂移变化环境温度漂移变化频率和相位的漂移变化频率和相位的漂移变化35校准：校准：校准：校准：系统误差系统误差6个正向和个正向和 6个反向构成个反向构成 12 项误差项误差b1源匹配负载匹配隔离度方向性DUT频率响应l反射跟踪 l传输跟踪a136校准：校准：校准：校准：误差修正
17、类型误差修正类型归一化修正归一化修正频率响应频率响应方法：曲线存储加运算（方法：曲线存储加运算（/）优点：方便简单；缺点：误差大优点：方便简单；缺点：误差大矢量误差修正矢量误差修正可将全部或部分系统误差去除可将全部或部分系统误差去除方法：测量多个标准，解误差方程方法：测量多个标准，解误差方程优点：精确；缺点：复杂优点：精确；缺点：复杂全部全部12项（项（Full 12-Term）S11,S21,S12,S22单向（单向（1 Path,2 Port）S21&S11;或或S12&S22反射（反射（Reflection Only）S11;或或S22;或或S11&S2237校准：校准：校准：校准：单端
18、口矢量误差校准单端口矢量误差校准只有只有3个误差修正项：源失配、方向性、反射频响个误差修正项：源失配、方向性、反射频响分别测量分别测量3个标准，得到个标准，得到3个方程，解出个方程，解出3个误差修正项个误差修正项S11MS11AESERTED1RF in 误差模型误差模型S11MS11ARF in理想理想S11M=ED+ERT1-ES S11AS11AED =方向性方向性ERT=反射频响反射频响ES =源失配源失配S11M =测量值测量值S11A =实际值实际值38校准：校准：校准：校准：全双端口全双端口12项矢量误差校准项矢量误差校准有全部有全部12个误差修正项个误差修正项Port 1Por
19、t 2ES11S21S12S22ESEDERTETTELa1b1AAAAXb2正向误差模型正向误差模型Port 1Port 2S11SS12S22ESEDERTETTELa1b1AAAEX21Ab2反向误差模型反向误差模型39校准：校准：校准：校准：全双端口全双端口12项矢量误差校准项矢量误差校准=fwd directivity=fwd source match=fwd reflection tracking=fwd load match=fwd transmission tracking=fwd isolationESEDERTETTELEX=rev reflection tracking=
20、rev transmission tracking=rev directivity=rev source match=rev load match=rev isolationESEDERTETTELEX40校准：校准：校准：校准：误差和校准方法比较误差和校准方法比较无校准无校准 频响校准频响校准 单端口校准单端口校准 全双端口校准全双端口校准l无误差修正无误差修正l误差太大误差太大l无实用价值无实用价值l方便容易方便容易l对精度要求不高对精度要求不高l去除的误差项去除的误差项 传输频响传输频响l仅用于反射测量仅用于反射测量l对双端口器件，需要有高对双端口器件，需要有高精度的终端负载精度的终端负
21、载l去除的误差项：去除的误差项：方向性方向性 源匹配源匹配 反射频响反射频响l最高精度最高精度l去除的误差项：去除的误差项：方向性方向性 源、负载匹配源、负载匹配 反射、传输频响反射、传输频响 隔离度隔离度 DUTDUTDUTDUTthruthru单方向双端口校准单方向双端口校准l单端口和直通单端口和直通2种校准合并种校准合并l注意：没有负载匹配误差修正注意：没有负载匹配误差修正SHORTOPENLOADSHORTOPENLOADSHORTOPENLOAD41我们怎么知道这是一个好的校准我们怎么知道这是一个好的校准?对接测量?最常用、简单易行用已知器件检查，以确保校准良好 定期检查校准（计量）
22、42校准：校准：校准：校准：误差分析误差分析测量误差示例测量误差示例 滤波器测量滤波器测量反射测量不定量反射测量不定量:-20*log(.158+.100+.010)=11.4 dB(-4.6dB)-20*log(.158-.100-.010)=26.4 dB(+10.4 dB)注意：注意：计算中需要转换所有计算中需要转换所有dB值到线性值值到线性值负载匹配负载匹配18 dB(.126).158(.891)(.126)(.891)=.100VNADUT16 dB RL(.158)1 dB loss (.891)方向性方向性 40 dB(.010)43l lS S参数网络参数网络l l传输线理论
23、传输线理论l l线形和非线性线形和非线性l l网络分析仪的内部结构网络分析仪的内部结构l l校准校准l l时域时域内容44l时域测量时域测量l时域门时域门l时域分析应用讨论时域分析应用讨论时域：时域：时域：时域：内容内容内容内容45时域：时域：时域：时域：引言引言域域时域：时域：幅度和时间的关系幅度和时间的关系-示波器示波器x(t)=F-1Xf(f)=Xf(f)ej2 ft df（反傅立叶变换）反傅立叶变换）频域：幅度和频率的关系频域：幅度和频率的关系-频谱分析仪、频谱分析仪、VNA Xf(f)=Fx(t)=x(t)e-j2 ft dt（傅立叶变换）傅立叶变换）-46时域：时域：时域：时域：引
24、言引言对频域数据进行傅立叶反变换：对频域数据进行傅立叶反变换：h(t)=-H(f).e j.2.ft df对于矢量网络分析仪频率域的扫描测量，经对于矢量网络分析仪频率域的扫描测量，经过傅立叶反变换后可以得到时域上的脉冲信过傅立叶反变换后可以得到时域上的脉冲信号号VNA 时域测量就是将频域通过付立叶反变时域测量就是将频域通过付立叶反变换测量得到阻抗的不连续性换测量得到阻抗的不连续性Sitemaster的的DTF（Distant To Fault）功能）功能也是也是VNA时域测量的一部分功能时域测量的一部分功能47时域：时域：时域：时域：时域中的时域中的“门门”功能功能“门门”实际上是时域测量中加
25、滤波器实际上是时域测量中加滤波器可以同时进行加可以同时进行加“门门”和和“门外门外”时域测量时域测量时域的加时域的加“门门”和和“门外门外”变换到频域测量变换到频域测量48时域：时域：时域：时域：时域中的时域中的“门门”功能电缆和连接器测量功能电缆和连接器测量49时域：时域：时域：时域：时域中的时域中的“门门”功能电缆和连接器测量功能电缆和连接器测量50时域：时域：时域：时域：时域中的时域中的“门门”功能电缆和连接器测量功能电缆和连接器测量51时域：时域：时域：时域：时域中的时域中的“门门”功能电缆和连接器测量功能电缆和连接器测量52时域：时域：时域：时域：时域中的时域中的“门门”功能滤波器测量功能滤波器测量时域时域 扫频泄扫频泄漏漏表面波表面波3 次传播次传播射频输出射频输入3 次传播主波泄漏 频域频域Gate onGate offGate声表面波滤波器测量声表面波滤波器测量门功能门功能53时域：时域：时域：时域：滤波器测量滤波器测量谐振腔滤波器测量时域的谐振点调试时域的谐振点调试时时域域频频域域54时域：时域：时域：时域：上升时间测量示例上升时间测量示例55请提问！请提问！56 谢谢各位！各位！57此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢