网络分析仪培训交流教材

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传输特性
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传输特性
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 和插损。
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线性器件与非线性器件
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线性器件与非线性器件
• 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。
• 非线性系统会对入射信号的频率进行搬移，或产 生新的频率成分，如谐波和交调
• 在对输入信号进行处理的过程中，许多器件具有 线性和非线性，不同特性的传输特性当然对输出 信号有不同的影响。即线性系统可能会表现出非 线性，如进入饱和区的放大器。这种情况对于无 源器件（如电缆、滤波器）和有源器件（放大器） 都是存在的。
• 由于传输媒介的不均匀性，电磁波的传播很难畅通无阻，很容易形成 散射。比如，光就经常以散射的方式传播。 S参数即散射参数 （Scattering Parameter）。
• 高频网络分析所关心的(即其研究对象)是电磁能量的传输情况，即功 率传输；以网络的反射系数和传输系数为分析基础。 而 S参数正是网 络的功率匹配特性的量度
• 高频信号的波长等于或小于被件的尺寸，在传输 线上不同测试点得到的电压和电流均会不同，传 输线上的电压和电流随会时间和空间的变化而变 化
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传输线反射特性－全匹配
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传输线反射特性－全匹配
• 传输线终端接匹配负载，信号传输过程相 当于无穷长线，传输线上形成行波
• 在山图中，传输线终端接25欧姆电阻时， 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。
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反射特性—传输效率
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反射特性－功率传输效率
• 当阻抗不匹配时，就会产生反射信号，也 就是说：造成器件（系统）端口反射的根 本原因时阻抗不匹配，研究器件（系统） 的反射特性与研究器件的端口阻抗等效。
• 所以对放大器、滤波器等器件在工作频带范围内 幅/频抖动要严格要求
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相位－频率特性对传输信号的影响
• 在器件（系统）实际工作过程中，传输的信号都是占有一定频率 带宽的的调制信号，如果器件（系统）的相位/频率特性不线性 就会使调制信号发生变化，造成信号失真。
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• 一个电子系统由各种元件组成，对每个元件及整个系统都有功能和相 应指标的要求。例如：滤波器的带通带宽、带外抑制；放大器的增益、 输出功率、平坦度；耦合器的耦合度、方向性、隔离度等。测试人员 需要对每个部件进行规划和测试，才能保证整个系统稳定、正常的工 作。
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网络分析仪测试基本概念
• 若Vin＝f（t），则Vout＝af（t-t0）
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幅度－频率特性对传输信号的影响
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幅度－频率特性对传输信号的影响
• 上面的例子可以反映幅度/频率特性对传输信号的 影响
• 例中，线性网络的输入激励信号为类似方波波形， 该信号在频域上包含三个频率成分：基波、二次 谐波、三次谐波。该信号通过线性网络时，线性 网络具有的幅度/频率特性对基波和三次谐波衰减 最大，使输出信号频谱发生变化，相应时域波形 从方波变为类似的正弦波形
• 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 的重复性差。
• 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，可以消除系统噪声的随机影 响。
• 基于以上原因，在群时延测试时，要根据测试要求设置孔径的设置。 孔径的设置是在测试精度和分辨率间的折衷。
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网络分析仪测试基础知识
• S参数起源于传输线理论，在射频/微波网络的分析和设计中得到广泛 应用。高频情况下，网络的端口电压、电流不能精确测量，失去了意 义；而只能在端口上使用(沿传输线传播的)入射波(incident wave)、 反射波(reflected wave)和传输波(transmitted wave)作为网络端口变量。
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被测件的非线性失真
• 线性网络和非线性网络都可以造成信号波形失真。如上图对于线性 的放大电路，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。
系统相位特性的描述
• 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、群时延测量法。
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群时延GROUP DLAY
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群时延GROUP DLAY
• 造成反射的根本原因是阻抗不匹配，通过上述反 射系数的计算公式可以得到。
• 回波损耗是反射信号与输入信号的功率比值，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
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史密斯圆图
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史密斯圆图
• 注明：这里的孔径设置即为网络分析仪中的平滑设置。
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群时延的测量过程
• 通过群时延指标反映器件相位特性：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；
• 群时延指标更改精确反映相位非线性。下面的例子表明：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。下面右图中被测件群 时延抖动较大，会引起更大的信号失真。
• 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。
• 对群时延的测量应当关心两个读值：1、群时延平均值：该值反映信 号在被测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）
• 传输线终端形成开路或短路，所有传播信号被反射回入 射端
• 传输线上形成驻波
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传输线反射特性－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。信号关系 满足欧姆定律。
• 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。信号关系 满足欧姆定律。
• 当传输线终端接负载Zo ,输出负载上的信号 功率最大。传输线上只有正向传输信号， 没有反射信号，信号波形为恒定包络正弦 波，传输效果等效为无穷长传输线。
• 补充：无线长的的均匀无耗传输线上各点 的电压电流的最大值或有效值都是相等的； 因此他们的阻值也是处处相等的。
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传输线信号反射特性－全反射
• 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值对应相应大小的等电阻圆 (中心座标（r/r+1，0），半径r/r+1)，x对应等电 抗圆(中心坐标（1，1/x），半径1/x)。等电阻圆 和等电抗圆的交点即为Z。该点半径为阻抗Z对应 的反射系数的模值，夹角为反射系数相位。
• 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矢 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。
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传输线信号反射特性－部分反射
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传输线信号反射特性－部分反射
• 传输线终端接其它负载时，部分传播信号 被反射回入射端，传输线上形成行驻波
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被测件功率动态范围－输入1dB压缩点
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被测件的功率动态范围－1dB压缩点
• 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。举例，如果现在输入是CW正弦波形，则 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分。
• 对于低功率场合，如：cable TV，系统要求有很 小的传输损耗，系统特性阻抗规定为75欧姆，但 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50欧姆。
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反射特性参数定义
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反射特性的参数定义
• 反射系数是反射电压与入射信号电压的比值，反 射系数为矢量，包含幅度和相位信息，分别反映 反射信号与如射信号的幅度比值和相位值。
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传输线基础知识
• 低频传输线 • 信号波长>>线长 • 电压/电流测试值大小
与测试位置无关 • 高频传输线 • 信号波长＝or<<线长 • 信号包络电压与传输
线位置有关
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传输线基础知识
• 对于射频电路，保证信号能在器件中有效的进行 功率传输是最大目的。
• 低频信号的波长远大于传输器件的长度，一根简 单的传输线对于传输功率就是很有用的，导线中 的电压和电流是不随时空变化的常数。电流容易 在传输线上进行传播，传输线电压和电流的测量 与测试点的位置无关
• 当复杂中由级联电路组成，第2级电路的输 入阻抗是第一级电路的负载，在阻抗满足 共轭匹配条件时，负载上得到最大功率传 输
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传输线特性阻抗Zo
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传输线特性阻抗Zo
• 说明，对于所有形式的传输线，如：同轴电缆； 波导；双绞线；耦合线等。其特性阻抗反映信号 电压与信号电流的关系。特性阻抗只与传输线物 理参数有关，如“同轴线内导体外径；外导体内 径；介质介电常数，而和工作频率及传输线长度 无关。
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满足波形不失真线性系统的条件
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满足波形不失真线性系统的条件
• 当某个电路或系统用于传输信号时，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。
• 要满足波形在传输过程中不失真，则器件传输特 性需要满足以下条件：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
传输线基础 反射特性 史密斯圆图 传输特性 S参数 1dB压缩点 AM/PM转换指标
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射频信号在器件中的传播
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射频信号在器件中的传播
• 通过说明光在透镜中的传播过程可以帮助 我们理解射频或微波信号在器件（部件、 网络）中的工作过程。
• 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。射频电路的设计实际上 就是定量控制器件的反射和传输特性
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2020/12/13
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教材培训大纲 本培训教材包括两步分 • 一、网络分析仪测试基础知识 • 网络分析仪组成基本原理及校准误差分析
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网络分析仪测试基础知识
什么是网络分析仪？ 任意一个微波元器件或微波电路、部件、整机都可以等效成
一个网络，可用散射参数即S参数来表征微波网络的特性， 等效网络的插损、衰减、隔离度、方向性、相移、群时延、 驻波比、反射系数等参数均可由S参数导出，用于测量网 络S参数的仪器称为网络分析仪 网络分析仪主要研究被测件传输/反射特性与工作频率的关 系 网络分析仪测试的对象是各种元器件及器件组成的系统，要 掌握网络分析仪，需首先正确理解关于器件（系统）相关 的性能指标，明确各项指标具体要求、定义及对系统的影 响。