网络分析仪能测什么？

二维码

什么是网络分析仪 Vector Network Analyzer？

网络分析仪 VNA可用于表征射频RF器件。尽管最初只是测量S参数，但为了优于被测器件，现在的网络分析仪已经高度集成，并且非常先进。
射频电路需要独特的测试方法。在高频内很难直接测量电压和电流，因此在测量高频器件时，必须通过它们对射频信号的响应情况来对其进行表征。网络分析仪可将已知信号发送到器件、然后对输入信号和输出信号进行定比测量，以此来实现对器件的表征。
早期的网络分析仪只测量幅度。这些标量网络分析仪可以测量回波损耗、增益、驻波比，以及执行其他一些基于幅度的测量。现如今，大多数网络分析仪都是矢量网络分析仪——可以同时测量p幅度和相位。矢量网络分析仪是用途极广的一类仪器，它们可以表征 S参数、匹配复数阻抗、以及进行时域测量等。



是德矢量网络分析仪圖片

比如，其中的 PNA-X是德矢量网络分析仪便是一款高端网络分析仪。
这个测量示例的高级框图显示，有一个正向发送的信号通过被测器件的输入端到达了输出端。从器件的输入端到输出端的测量被称为正向测量。网络分析仪的接收端可以测量入射、反射和传输的信号，以便计算正向S参数。



通用网络分析仪的方框图

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矢量网络分析仪原理是什么？

网络分析仪包括信号源和接收机。接收机将会检测器件（或网络）的输出信号的变化，然后与输入该器件的源信号进行比较。为了评测器件对电流和电压的影响，VNA会测量其引起的幅度和相位响应。  由此得到传输和反射测量结果、阻抗和s 参数，测试工程师可以根据这些结果表征他们的被测器件。
矢量网络分析仪的关键技术指标

矢量网络分析仪既是信号发生器又是接收机，因此它们有大量非常必要的技术指标。在本节中，您将了解到网络分析仪的一些关键技术指标。
最大频率

VNA 的最大频率是指其能够测量的最高频率。网络分析仪的接收端带有模数转换器（ADC），它可将输入信号转换为数字格式。然后，即可对这些信号进行分析和显示。但是 ADC 不具备在射频范围转换信号的能力，因此入射信号必须下变频到它的工作频率。这个工作频率称为中频（IF）。
动态范围的具体含义

动态范围是指能够测量元器件响应的功率范围。
此图显示了定义动态范围的两种不同方式。系统动态范围是指用于仪器技术指标的值。

• 系统动态范围是指在不采用升压放大器、不考虑被测器件增益时的仪器功能。仪器的最大源功率是指它的最大功率电平，即 Pref
  
• 接收机动态范围是指采用功率放大时的仪器动态范围。与将源功率作为最大功率电平不同，这个技术指标以仪器的接收端能够测量的最大功率 Pmax 为基础
  

下方图中显示了带通滤波器 S21测量的一条迹线，它显示了仪器的动态范围。迹线的上限比较平坦，下限包含一些噪声。让我们来看一下哪些因素决定了这些边界的形状。

了解如何增加矢量网络分析仪的动态范围，以改进设备的表征而不影响速度或其他参数的表征。

迹线的动态范围

动态范围的最大功率电平是由源功率电平的上限和接收机的压缩点决定的。
组成接收机的混频器和放大器在达到饱和之前、或达到最大输出之前，只能处理这么多的功率。当一个器件处于饱和区域时，其输入和输出之间不再存在线性关系。
放大器的饱和可在下方图中看到。在输入功率高于 1W 时，实际输出（红色）会偏离理想输出（绿色）。这种现象称为压缩。接收机无法捕获高于其压缩点的任何器件输出的信号。输入功率的这种限制就构成了动态范围的上限。




网络分析仪迹线的动态范围


在增益压缩图中，放大器的理想线性传递函数用绿色显示，真实传递函数用红色显示。
输出功率

输出功率反映的是 VNA 的信号发生器和测试仪可将多少功率发射入被测器件。它用 dBm 表示，参考值为 50Ω 阻抗，以便匹配大多数射频传输线的特征阻抗。
高输出功率对于提升测量的信噪比或确定被测器件的压缩限制非常有用。
很多有源器件，例如放大器，都需要进行极富挑战性的超出网络分析仪功率极限的线性和非线性高功率测量。
迹线噪声

迹线噪声是指您所看到的由于系统中的随机噪声而造成的在被测器件的响应上形成的叠加噪声。它能让信号看上去不那么平滑，甚至有些抖动。
迹线噪声可以通过提高测试功率、降低接收机的带宽或取平均值而消除。

迹线噪声-网络分析仪
https://www.zhihu.com/video/1777008566895280128
网络分析仪有什么用途？

矢量网络分析仪可测量各种器件和网络，并针对各种使用场景提供了广泛的测量，例如频谱分析、脉冲测量、功率放大器（PA）表征和有源器件测试。以下指南介绍了如何设置网络分析仪测量，校准测量系统和解释测量结果：《使用矢量网络分析仪执行测量》。
网络分析仪可执行元器件表征测试。 网络分析仪向射频网络或被测器件（DUT）提供经过校准的激励信号，并通过相位和幅度信息测量频率上的矢量响应。 一台 VNA 即可获得传输（传输系数、插入损耗、增益）、反射（反射系数、VSWR、回波损耗）和阻抗测量结果，以及 s参数 S11、S12、S21、S22。
矢量网络分析仪进行哪些测量 ?

VNA 是测量被测件 (DUT) 频率响应的仪器，测量的时候给被测器件输入一个正弦波激励信号，然后通过计算输入信号与传输信号 (S21) 或反射信号(S11) 之间的矢量幅度比 ( 图 2) 得到测量结果 ; 在测量的频率范围内对输入的信号进行扫描就可以获得被测器件的频率响应特性 ( 图 3); 在测量接收机中使用带通滤波器可以把噪声和不需要的信号从测量结果中去掉，提高测量精度。


图 2. 输入信号、反射信号和传输信号示意图。


图 3. 在测量频率范围内扫描正弦波激励信号，就可用 VNA 测得被测器件的频率响应特性。
矢量网络分析仪应用

矢量网络分析仪是一种令人难以置信的多功能仪器。
矢量网络分析仪增加频谱分析
为网络分析仪增加频谱分析功能可以极大缩短测试时间，比如可以加快毛刺搜索、消除仪器之间的切换、以及充分发挥 “单次连接、多次测量（SCCM）” 功能的优势等。



SCCM 窗口中包含频谱分析和网络分析测量结果。

矢量网络分析仪脉冲测量
在标准操作中，网络分析仪使用的是连续波（CW）信号。这对于许多应用都是非常有用的，很多特定场景都要优先选择脉冲射频信号，例如：

• 测试为脉冲工作模式而设计的天线
  
• 需要关注连续波信号发热问题的在片测量
  
• 时域反射计（TDR）
  
• 高级网络分析仪可以帮助许多应用执行脉冲-射频测量。
  

在片测试装置

矢量网络分析仪有源器件测试
现代射频系统中充满了有源器件，例如放大器、混频器和频率转换器等。在过去，测试这些类型的器件通常需要整个机架的设备。现如今，网络分析仪已经足以非常精密地表征有源器件，而无需再使用额外的硬件。通过把所有测量都整合到一台仪器中，网络分析仪可以取代传统的射频系统，从而极大地缩短测试时间。使用集成式网络分析仪（如 PNA），可以测试：

• S参数
  
• 非线性参数（X 参数）
  
• 增益压缩
  
• 互调失真（IMD）
  
• 杂散信号
  
• 噪声系数等
  

增益压缩应用软件


下面是它们的一些网络分析仪应用示例
网络分析仪如何测量功率放大器（5W~100w左右）AM 和PM曲线，P1压缩点？

对功放的P1dB测量是通过网络分析仪的功率扫描下测量增益完成的，当某个输入功率下的增益相比线性增益下降了1 dB，就是功放的P1dB。您的功放功率较大，网络分析仪本身可能无法提供足够的功率使您的功放进入压缩状态，因此可能需要在测试中外加预放。在P1dB点的压缩增益和线性增益的比值称为DeltaGain，如果所有频点都达到了1 dB压缩，那么DeltaGain应该显示为-1。DeltaGain变换到相位就是AM to PM曲线。
网络分析仪如何测量差分运放随频率的变化?

我們可以用4端口网络仪做4端口校准然后测量差分运放的单端S参数，网络仪上的软件能够自动将单端S参数变换到差分S参数。特别注意一点，如果您关注的是差分运放的非线性区，单端和差分S参数是不能相互转换的，这时您需要真正的差分激励下测量差分S参数，Keysight的PNA系列网络分析仪有真差分激励的功能。




平衡参数

差分电路的平衡参数可以通过数学运算进行转换。
如何使用网络分析仪进行时域分析？

在测量一条传输线上各处的阻抗值以及在时间域或距离域中对被测器件中所存在的问题，例如器件特征的不连续性进行检查时，时域分析功能是非常有用的。时域测试结果的显示形式更为直观，直接就可以看到被测器件 (DUT) 的特征；在测量传输线系统的宽带响应特征方面，与其他测试技术相比，时域测试技术通过把每个不连续性的影响显示为时间或距离函数而能给出更富有含义的信息。
传输线理论
我们知道，信号是需要在一定的介质和载体上面传输的。所谓的载体，在我们接触现在所知道的PCB传输线之前，其实有很多其他的表现形式，如下图所示，例如双绞线和同轴。
什么是传输线？
最简单的传输线由一对导体构成，把信号以电磁波的形式从一端送到另一端。比如，PCB上的走线、双绞线、同轴电缆等。下图为传输线结构的示意图，两个导体中一个称为“信号路径”，另一个称为“参考路径”或“返回路径”。两个导体构成了电磁波能够向前传播的物理环境。



当传输线上施加信号时，随着信号向前传播，沿空间分布的电场和磁场也发生变化，信号能量以电磁波的形式传输到末端。变化的电场和磁场产生电流，外在的表现就像电流在发送端从信号路径流入，然后从参考路径回流到发送端一样，这也是参考路径被称为返回路径的原因。
网络分析仪在仪表的工作频段内可完成对被测件的传输反射参数的测试。当低频率信号在器件中传播时，信号的波长远大于传输器件的物理长度，信号在传输线传输时，传输线上测试点位置对测量的电压电流读值影响不大。




低频信号

对于频率高的信号，传输信号的波长等于或小于器件的尺寸，在传输线上不同测试点得到的电压/电流都会不同。




高频信号

当传输线终端开路或短路时，所有输入信号功率被反射到入射端，造成全反射。
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，满足欧姆定理。
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。满足欧姆定理。




阻抗特性对反射的影响

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失量叠加，形成驻波。驻波的波峰为输入信号电压2倍，谷值为零。
在其它情况下，如传输线终端接25ohms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。
振幅最小的位置成为波节，振幅最大的位置称为波腹。在波形上，波节和波腹的位置始终是不变的，给人“驻立不动”的印象，但它的瞬时值是随时间而改变的。如果这两种波的幅值相等，则波节的幅值为零。
传输线反射现象: 全匹配



以传输线为例，研究传输线在不同负载情况下反射特性变化的规律。
当传输线端接负载与传输线特性阻抗相同时，输出到负载上的信号功率最大。传输线上只有正向传输信号，信号波形为衡定包络正弦波，传输效果等效为无穷长传输线。
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，就会出现反射信号，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。




今天我們主要讲述讨论如何使用矢量网络分析仪 (VNA) 进行时域测试分析，希望让具有频域测试知识背景的工程师们能深入了解怎样从频域测试数据 (S参数) 得到时域测试结果，以及怎样将时域测试结果应用到对射频系统中常见问题的分析上。
如何用网络分析仪测试驻波比及反射系数?

用网络分析仪来测试驻波比和反射系数非常简单，反射系数即是S11，参数设置为S11，格式为log mag即为S11的幅度，将格式设置为SWR即可直接得出驻波比。将参数设置好，然后进行校准，然后测量，仪器可以直接以图形的方式给出结果。
如何测试天线连接到PCB上的阻抗?

我理解您的问题是在测量天线阻抗时会受到PCB夹具的影响，如何去除PCB夹具的效应。PNA或PLTS的AFR（Automatic Fixture Removal）功能能够很方便地提取PCB夹具的特性，有了夹具的S参数之后您只需要对天线测试做去嵌入就可以去掉PCB夹具的影响。
白皮书

近年来，数字通信标准的比特率急剧提高，多 Gbps 传输变得司空见惯。例如，USB 3.0 指定的比特率为 5 Gbps。随着比特率的增加，出现了传统数字系统中未见的问题。反射和损耗等问题会导致数字信号失真，从而导致误码。随着器件正常运行的可接受时间裕度减少，信号路径的时序偏差变得至关重要。辐射电磁波和杂散电容引起的耦合会引起串扰，从而导致设备操作错误。随着电路变得更小、更紧凑，这个问题变得更加严重。更糟糕的是，降低电源电压的趋势导致信噪比降低，并且设备操作对噪声更加敏感。尽管这些问题增加了数字电路设计的难度，但缩短开发时间的压力始终存在。

如何对功率放大器进行高精度 EVM测量?

在本应用笔记中，您将学习一种在调制激励条件下表征功率放大器非线性特性的创新方法。
在无线通信系统中，功率放大器 (PA) 占据传输链的最后一级，为天线提供所需的射频功率，如图 1 所示。 PA 在确定通信服务的信号质量和电池寿命方面发挥着重要作用。



功率放大器 (PA) 的重要性

什么是功率放大器？

功率放大器(Power Amplifier) 是一种电子设备，用于将输入信号放大到更大的电压、电流或功率级别，以便驱动更大的负载或产生更大的输出功率。 这种类型的放大器常用于音频、无线电通信、雷达、声呐、医疗设备和其他应用中。
功率放大器的作用是什么?

放大器电路主要是如何把信号按比例进行放大，在放大的过程中，也不是最早的电子传输到最后。以三极管放大电路为例，工作在放大状态下的三极管电路，是基极电流按照比例来带动集电极电流，从而使信号幅度增大，而较早携带信号的电子都已经从发射极出去，集电极的输出电压继续前进。
另一个原则是输出信号的幅度可能大于输入信号，但绝不会大于电源电压。也就是，输出端要输出电压，电压受到输入端控制。而输出电压在电源范围内，和输入电压成比例。
功率放大器PA也是通信系统中 RF质量的最重要贡献者。线性度对于具有高峰均功率 (PAPR) 信号的系统至关重要，就像在使用正交频分复用 (OFDM) 进行数字调制方案的现代无线标准中一样。射频链路的非线性响应直接影响解调误差，导致误码率较差。此外，非线性会产生频谱再生，从而导致其他频段的干扰，因此保持射频链的线性度对于无线通信的质量至关重要。
矢量网络分析仪的材料特性测量

网络分析仪测试精度比用阻抗分析仪高：因为它采用的是谐振腔测量方案去测频率，网络分析仪有比较好的校准技术，所以测谐振频率是比较准确的。
QWED SPDR用于测量层状介电材料的复介电常数，包括LTCC衬底以及沉积在低损耗介电衬底上的铁电薄膜；还可用于测量各种导电材料（如商用电阻层，导电聚合物薄膜或高电阻率半导体）的表面电阻和电导率。这种测量仅适用于Rs> 5kΩ/平方的大型表面电阻样品。QWED SPDR基本的标称频率为：1.1 GHz，1.9 GHz，2.45 GHz，5 GHz，10 GHz和15 GHz。可以根据特殊要求制造其他频率在1.1至15 GHz之间的谐振器。工作温度范围-270 至 110。
厚度为h的样品的测量精度：
Δε/ε=±(0.0015 + Δh/h) Δtanδ=±2*10-5 或 ±0.03*tanδ
整套连接：从网络仪端口出发，夹具两端与网络仪两端连接，被测材料放在夹具上。


注意：要考虑到材料的厚度
如何来验证网络分析仪测量TDR阻抗的精度呢?

您可以用一根NIST标准可以溯源的标准空气线校验件来验证ENA-TDR的阻抗测量精度，在测量之前最好进行一下全端口的校准。
如何改进毫米波网络分析？

毫米波专业知识以及毫米波频率设计、仿真、测试和分析的新解决方案。


毫米波技术的需求正在日益增长

在互连世界中，更快传输更多信息的需求促使设计人员开始使用 30 至 300 GHz的毫米波（mm wave）频率。该范围因为在此类频率上的波长为 1 毫米到 10 毫米而得名。微波的传输速率约为 1 Gbit/s，但毫米波可达到 10 Gbit/s 或更高的传输速率。这在许多商业和研发市场中创造了大量机会。
毫米波技术最突出的应用之一便是 5G，即下一代无线通信技术。目前，越来越多的设备要求在 6 GHz 或 6 GHz 以下的有限蜂窝频段内传输海量数据。5G 的目标是利用毫米波频段来满足日益增多的物联网（IoT）设备的需求。其中一种方式是用较小的热点（称为“蜂窝”）替代大型集中化蜂窝塔。单个蜂窝塔只能支持数量有限的设备，因此增加蜂窝数量将缓解系统流量压力。
毫米波技术的另一个潜在用途是 WiGig。无线吉比特联盟（WiGig）正在努力将使用 60 GHz 频段的 WiFi 器件提速数吉比特/秒。WiGig 器件使用标准的 2.4 和 5 GHz 频段，并增添了一个 60 GHz 频段，可以与其他附近的 WiGig 器件共享使用该频段。 60 GHz 频段在聚焦波束上提供高达 7 Gb/s 的传输速率，且不会互相干扰。
毫米波技术还具备非常低的时延。这一特性对汽车雷达等分秒必争的应用来说至关重要。车道辅助、自适应巡航控制、紧急制动以及许多其他功能都依赖于高频雷达。这些雷达通常在 24 GHz 频段附近工作，但是到 2022 年，它们将完全淘汰 24 GHz 频段，转而使用 77 至 81 GHz 频段。与较低频率的雷达相比，更宽带宽和更短波长将提供更高的分辨率和精度。随着汽车朝自动化方向发展，高精度至关重要。
电子书

毫米波电子书，重点介绍毫米波频率的信号分析，了解如何选择和使用合适的信号分析设备进行毫米波频率测试。不要忽视毫米波技术的基础问题，否则会无法发挥毫米波设备的全部优势。

毫米波在航空航天和国防行业中也有很强的影响力。机场安检使用的毫米波成像设备在 35 至 325 GHz 频段上工作。它们需要达到更高的频率和更宽的带宽来获得更佳分辨率，让潜在的威胁无所遁形。安全的雷达通信也正从拥挤的较低频段转移到较高的毫米波频段。
所有这些应用在测试和应用方面都面临着特殊的挑战。电缆损耗、连接器可重复性以及相移等误差源在射频范围内几乎可以忽略，但是在较高频率上会被放大。高端矢量网络分析仪的最高频率通常可以达到 67 GHz，而许多此类应用需要的测试可能超出大多数硬件的能力极限。不过，现在可以通过新的办法来扩展网络分析仪的频率范围。
滤波器和放大器测量 - 网络分析仪应用指南

对于通信系统而言，元器件的幅度和相位特性是影响性能的重要因素。矢量网络分析仪可提供此类器件的相关信息，包括放大器和晶体管等有源器件，以及电容器和滤波器等无源器件。而且，由于增加了时域功能，网络分析仪还能在测量过程中去除不需要的响应，只留下需要的信息。本应用指南说明了对射频滤波器进行的扫频测量，以及对通信频段放大器进行的扫描功率测量。
滤波器测量

对滤波器的特性进行全面的表征通常可以借助扫频测量来实现。图 1 显示了滤波器的频率响应。在左侧和底部，我们可以看到以对数幅度格式表示的传输响应；在右侧，我们可以看到反射响应（回波损耗）。最常测量的滤波器特性是插入损耗和带宽，如下图所示，其垂直标度经过扩展。另一个经常测量的参数是带外抑制。这项测量用于了解滤波器在其带宽内传输信号，同时在其带宽外抑制信号的能力如何。测试系统的动态范围通常决定了其评测这一特性的能力。
以下回波损耗图显示了典型的无源反射滤波器特征，从图中可见其在阻带中显示为高反射（接近 0 dB），而在通带中表现出良好的阻抗匹配。吸收式滤波器则是一种不同的滤波器，其在阻带和通带中都能很好地匹配，可在广泛的频率范围中提供良好的匹配。




图 1. 通过频率扫描测试滤波器

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