使用网络分析仪进行时域分析.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：6.61M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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是德科技使用网络分析仪进行时域分析应用指南 –1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9时间 (ns)电缆 S (1,1)0.0450.0350.0250.0150.005–0.005频率 (GHz)电缆 S (1,1)1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.00.00.60.40.20.0

2 | Keysight | 使用网络分析仪进行时域分析－应用指南 2 | Keysight | 使用网络分析仪进行时域分析－应用指南目录 1.0 概述 .............................................................................................................................. 3 1.1 关于惯用术语的解释 ............................................................................................... 3 1.2 时域反射测量技术 (TDR) 和时域分析的历史 .......................................................... 3 2.0 时域和网络分析仪 ........................................................................................................ 5 2.1 故障定位 ................................................................................................................... 5 2.2 识别连接器中的阻抗变化 ........................................................................................ 6 2.3 利用选通功能来消除不需要的不连续性的影响 ..................................................... 6 2.4 简化滤波器调谐 ....................................................................................................... 6 3.0 时域的理论问题 ............................................................................................................ 7 3.1 离散采样的影响 ....................................................................................................... 7 3.2 截断频率的影响 ....................................................................................................... 8 3.3 使用窗口功能以减小截断的影响 ............................................................................ 9 3.4 定标和再归一化 ....................................................................................................... 9 4.0 使用矢量网络分析仪的时域模式 ............................................................................... 10 4.1 时域低通模式 ......................................................................................................... 11 4.1.1 对低通反射响应进行分析 .............................................................................. 12 4.2 时域带通模式 ......................................................................................................... 13 4.2.1 带通反射响应 ................................................................................................. 13 4.3 传输响应 (低通和带通) ........................................................................................... 14 4.4 对模式的小结 ......................................................................................................... 15 5.0 窗函数的应用 .............................................................................................................. 16 6.0 选通 ............................................................................................................................. 18 6.1 矢量网络分析仪的选通操作 .................................................................................. 20 6.2 对第一个不连续性进行选通 .................................................................................. 22 6.3 对第二个不连续性进行选通 .................................................................................. 23 7.0 网络内部的遮蔽现象 .................................................................................................. 24 7.1 传输线阻抗变化的遮蔽现象 .................................................................................. 24 7.2 离散不连续性的遮蔽现象 ...................................................................................... 25 7.3 多重不连续性的遮蔽现象 ...................................................................................... 25 7.4 传输线损耗的遮蔽现象 .......................................................................................... 26 8.0 测量范围 ..................................................................................................................... 27 8.1 测量范围计算实例 ................................................................................................. 27 8.2 识别混叠响应 ......................................................................................................... 28 8.3 对测量范围的小结 ................................................................................................. 28 9.0 分辨率 ......................................................................................................................... 29 9.1 响应分辨率 ............................................................................................................. 29 9.2 确定等幅响应的响应分辨率 .................................................................................. 29 9.3 频率宽度对响应分辨率的影响 .............................................................................. 30 9.4 窗操作对响应分辨率的影响 .................................................................................. 31 9.5 转换模式对响应分辨率的影响 .............................................................................. 33 9.6 范围分辨率 ............................................................................................................. 33 10.0 结论 .......................................................................................................................... 35 附录 A: 使用 ENA 进行传输响应测量 ................................................................................ 36 附录 B: 使用 PNA 进行反射响应测量 ................................................................................ 41 参考文献 ............................................................................................................................ 47

3 | Keysight | 使用网络分析仪进行时域分析－应用指南 1.0 概述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。这份资料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。除了这份资料外，是德科技还发表了其他一些相关的文章，详细讲述了如何正确地利用时域测试的结果－使用时域反射计 (示波器) 或矢量网络分析仪 (VNA) 测试得到的数据。详见本文末所列参考文献部分。 1.1 A 关于惯用术语的解释时域一词在不同的应用环境中可能指不同的事情，在这份应用指南中，我们对惯用术语的解释如下: 时域: 指在时间范畴内进行的分析或时域测试结果的显示，这种分析和测试结果显示在 X－Y 曲线上，X 轴表示的是距离 (电长度) 或时间；Y 轴表示的则是幅度信息 (通常为阻抗或电压)。时域反射测量技术 (TDR): 指利用快速阶跃信号发生器和接收机来进行传输或反射的测量方法。TDR 是对具有这种测试能力的示波器的通称。请注意，安装了适当的软件之后，用 TDR 方法测量也可以得到 S 参数 (见图 1)。矢量网络分析仪 (VNA): 指用矢量网络分析仪 (VNA) 进行比值测量的方法，这种方法是用一个反射信号接收机或传输信号接收机对扫频连续波 (CW) 激励源进行跟踪，测试结果通常显示为 S 参数。这份资料主要讲述如何把用矢量网络分析仪测到的 S 参数数据转换成时域测试结果。 1.2 时域反射测量技术 (TDR) 和时域分析的历史时域反射测量技术 (TDR) 是在 20 世纪 60 年代初引入的，采用与雷达相同的工作原理 — 把一个冲激信号送入一条被测电缆 (或其他可能不是良好导体的被测器件或设备)，当该冲激信号到达电缆末端或电缆上的某个故障点时，一部分或全部冲激信号便会被返射回测试仪表。TDR 测量方法就是把一个冲激或阶跃激励信号发送到被测器件，然后观察信号在时域内的响应。测试时，使用一台阶跃信号发生器和一台宽带示波器，把阶跃信号发生器产生的上升沿速度极快的激励信号送进被测传输线，然后用宽带示波器观察传输线上某处入射电压波形和反射电压波形，通过测量入射电压与反射电压之比，便能计算出传输线上这个阻抗不连续点处的阻抗值，而这个阻抗不连续点的位置则可以作为时间函数根据信号沿着传输线传播的速度计算出来。阻抗不连续性的性质 (电容性的或电感性的) 可以根据其信号的响应特征加以识别。

4 | Keysight | 使用网络分析仪进行时域分析－应用指南虽然我们过去惯用的 TDR 示波器作为定性测试工具一直非常有用，但存在一些影响其测试精度和有效性的限制因素: a) TDR 输出的阶跃信号的上升时间—测量结果在空间上的分辨率取决于阶跃信号上升时间的快慢；b) 不是特别理想的信噪比－这是由于示波器宽带接收机的结构引起的。[8] 随后，在 70 年代，研究表明频域与时域之间的关系可以用傅立叶变换进行描述。与频率有关的网络反射系数经过傅立叶变换之后就可以得到随时间变化的反射系数，例如传输线上的距离。这样就有可能先在频域内测量被测器件的响应，然后用数学方法对这些频域数据进行傅立叶逆变换计算从而给出时域响应。现在，一台高性能的矢量网络分析仪可以具有极快的计算功能，因而衍生出一些独特的测量能力。使用在频域内误差经过校正的测试数据就可以计算出被测网络对阶跃或冲激激励信号的响应，并且显示为时间函数。这样就给传统的时域反射测量技术提供了既能进行传输测试又能进行反射测试的功能，并增添了对带宽有限制的网络的测量能力。矢量网络分析仪在时域的测试可以更为精密，因为它能找出多余的网络部件的位置，从而把这些不需要的数据从被测数据去除掉。图 1 显示的是无论是使用时域反射计 (TDR) 示波器还是使用矢量网络分析仪 (VNA) 都可以得到时域和频域 (S 参数) 的显示结果，使用 TDR 或 VNA 得到的测试结果可以在两种显示形式中互相转换。图 1. 时域、频域、TDR 和 VNA 之间的关系。时域频域TDRVNA被测器件测试数据的后处理 — FT 或 IFT

5 | Keysight | 使用网络分析仪进行时域分析－应用指南 2.0 时域和网络分析仪即使矢量网络分析仪提供类似于 TDR 的显示方式，但是传统的 TDR 与基于矢量网络分析仪的时域测试技术之间仍然存在差别。传统 TDR 的测量方法是先把冲激或阶跃激励信号发送至被测器件并用宽带接收机，例如示波器，来观察信号在时域上的响应。虽然矢量网络分析仪的测试数据经过变换之后的时域结果显示与时域反射测量技术相似，但是分析仪进行的是扫频响应测量，是用数学方法把数据转换成像 TDR 一样的显示。在低通模式下，矢量网络分析仪测量各个离散的正频率点，并把测试结果外推到直流分量，并假定负频率响应是正频率响应的共轭，亦即响应为厄米特响应 [2]。在带通模式下，矢量网络分析仪测量处在起始频率和终止频率中间的各个离散的频率点 (这种工作模式适用于任意指定的频率范围)。利用窄带接收机 (在接收机中设计了进行下变频和滤波工作的部分，以便获得中频 (IF) 信号)，矢量网络分析仪可以显著降低系统的噪声电平，这样就使得矢量网络分析仪的信噪比大为改善，因而较之 TDR 有更好的动态范围。这对测试以每秒数千兆比特甚至更高速率工作的器件中极小的串扰信号具有重要意义。总之，时域分析仍然是一种有效的工具，并有着广泛的应用，包括故障定位、识别连接器中的阻抗变化、有选择地消除多余的响应以及简化滤波器调谐过程等等。 2.1 故障定位故障定位是矢量网络分析仪在带通工作模式应用下的一个非常好的实例。如果观察一条电缆的频率响应时，你会发现在显示结果中经常会存在由于电缆内的阻抗失配而产生的纹波，但是却不可能指出电缆内大的反射发生在何处，所看到的是在每个频率点上电缆内所有反射相加在一起的反射，这是整条传输线上所有部分的复合响应。然而，当在时域中观察时，不仅可以清楚地看到那些由于连接器引起的大的反射响应，而且还能看到电缆内由于弯曲或失配引起的任何电感性或电容性的阻抗的不连续处。任何偏离特征阻抗的正反射或负反射均明显可见，这些产生阻抗不连续性的位置和大小也很容易确定，时域分析的直观性即在于此。

6 | Keysight | 使用网络分析仪进行时域分析－应用指南 2.2 识别连接器中的阻抗变化时域分析在观察传输线上的失配响应时非常有用。当测量被测器件的反射系数 ρ 或 S11 时，反射信号的大小与被测器件的输入阻抗成正比。S11 是被测器件的阻抗与测试系统的特征阻抗 Z0 相差大小的量度。一旦频域数据转换成时域数据，便可看到被测器件对阶跃或冲激激励的时域响应。时域响应可以给出各个电路元件的位置和每个元件的实际阻抗。所有这些信息都可以直接从分析仪的显示屏幕上看到。 2.3 利用选通功能来消除不需要的不连续性的影响矢量网络分析仪有一个非常有用的称为选通的功能，选通功能可以灵活地、有选择地去除多余的反射或传输响应。一旦对时域数据使用了选通的功能，这些数据也能转换到频域，这样，经过时间选通的响应也可以在频域中进行评估。这在电缆的设计和故障诊断中十分有用。时间选通的位置可以通过设定选通的中心位置和时间跨度来控制，也可以通过设定时间选通的起始和终止位置来控制。另外，还可以使用若干选通的形状来得到最好的测试结果。在消除由于失配引起的误差方面有不同的方法可用，使用选通就是其中之一，特别是在没有非常精密的校准标准件使用时，选通功能往往是最为简单的消除失配影响的方法。除此之外，对测试夹具的 S 参数进行去嵌入处理、直通－反射－传输线 (TRL) 校准和传输线－反射－匹配 (LRM) 校准都是先进的误差校正技术，在要求很高的低损耗测量中这些误差校正技术都是极其精确的。 2.4 简化滤波器的调谐 [5], [13] 由于时域测量能区别滤波器中各个谐振器的响应和耦合孔径，故滤波器中的每个谐振器可以单独调谐。要想在频域中如此清晰地区分各个谐振器的响应是极其困难的，因为耦合谐振器型滤波器的交互作用属性使得在确定哪个谐振器或耦合元件需要调谐这件工作变得极为困难。使用时域方法的主要好处在于，它可以让缺乏经验的调谐人员只凭简单的操作指导便能顺利地对复杂的滤波器进行调谐。这项技术可以大大简化和加速滤波器的调谐过程。

7 | Keysight | 使用网络分析仪进行时域分析－应用指南 3.0 时域的理论问题 [4] 图 2 显示了用理论分析方式得到的一个 3 级巴特沃斯滤波器的回波损耗的时域变换和用矢量网络分析仪对同样的测试任务所做的时域变换的比较。在理论分析变换中，频率响应是用标准的网络理论进行计算得到的，然后进行傅立叶逆变换 (IFT) 得到时域响应。理论分析变换 (计算 IFT) 和基于矢量网络分析仪的变换之间的差别是由离散数据采样、频率截断、使用窗口功能和再归一化的影响造成的。 C B ) B d ( 耗损波回 20 0 –20 –40 –60 –80 A 理论分析变换 VNA 实际测量结果变换 D A 振铃由频率截断引起 B 宽度差别由开窗口功能引起 (灰色轨迹与黑色轨迹之间) C 有限脉冲由 VNA 的频率范围决定 D 幅度差别由再归一化引起 (灰色轨迹与黑色轨迹之间) –10 –5 0 10 5 时间 (s) 15 20 图 2. 同一测试任务用 IFT 计算 (理论分析变换) 方法得到的时域变换结果和 VNA 实际测试的时域变换结果的比较。 3.1 离散采样的影响傅立叶变换应用于连续函数，而矢量网络分析仪的时域变换则必须应用于离散数据。考察这个问题的一种途径是假定测得的数据为连续响应数据的采样型式。频率采样可以想像为均匀分布在测量频率范围上的一些数据点，如图 3a 所示。频率采样会产生许多和原函数图像一样的、称为混叠的图像，混叠以 1/(频率步长) 的重复间隔出现。图 3b 具体说明了离散数据采样和混叠响应。连续函数采样函数 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 度幅率频连续函数采样函数 0.20 0.15 0.10 度幅间时 0.05 0.00 –1.0 –0.8 –0.6 –0.4 –0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 –100 –80 –60 –40 –20 0 20 40 60 80 100 频率 (Hz) 时间 (s) 图 3a. 连续函数和离散 (采样) 函数。图 3b.由离散采样引起的混叠响应。

8 | Keysight | 使用网络分析仪进行时域分析－应用指南 3.2 截断频率的影响对于现实中的测量而言，可用的数据样本会受到测量设备频率响应的限制。由于矢量网络分析仪是有特定频率范围而非无限大范围的现实仪器，故数据在数据样本的末端被截断，如图 4a 所示 (对原函数与矩形窗口的乘积进行傅立叶逆变换 (IFT) 可以代表矢量网络分析仪在进行时域变换时截断数据所产生的影响)。截断效应在时域中会引起振铃并具有 Sin(x)/x 形式的响应，如图 4b 所示。图 4c 中将截断时间响应与单位阶跃函数进行了比较。 0 –5 –10 –15 –20 截断响应 20 0 –20 –40 –60 –80 应响间时的断截截断函数应响率频断截 ) 1 + s ( / 1 –1.0 –0.5 0.0 频率 (Hz) .05 1.0 –5 0 5 10 时间 (s) 图 4a. 频域中截断响应的样本。图 4b. 截断在时域中引起振铃。截断响应 1/(1 + s) 理论分析上的 IFT 响应 20 0 –20 –40 –60 –80 应响间时 ) 1 + s ( / 1 的断截 –5 0 5 10 时间 (s) 图 4c. 截断时间响应与单位阶跃函数的比较。

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