Network Analysis
精通網路分析基礎，並為進階應用尋找所需專業知識
網路分析儀用於特性化射頻 (RF) 裝置。儘管網路分析儀最初僅用於量測 S 參數，但為了領先於所測試的裝置，它們已變得高度整合且更為先進。
我們將探討網路分析的基本原理、網路分析儀的使用方式，以及可使用網路分析儀進行的一些進階量測。
什麼是網路分析儀？
網路分析儀用於特性化射頻 (RF) 裝置。儘管網路分析儀最初僅用於量測 S 參數，但為了領先於所測試的裝置，它們已變得高度整合且更為先進。
射頻電路需要獨特的測試方法。電壓和電流在高頻下難以直接測量，因此必須根據元件對射頻信號的響應來進行特性分析。網路分析儀透過將已知信號發送到裝置中，並測量輸入和輸出信號之間的比率來進行這些特性分析。
早期的網路分析儀僅測量幅度。這些純量網路分析儀可測量回波損耗、增益、駐波比及其他基於幅度的量測。
現今，大多數網路分析儀都是向量網路分析儀，可同時量測幅度和相位。向量網路分析儀是極其多功能的儀器，可用於特性分析 S 參數、匹配複雜阻抗、進行時域量測等等。
此量測的高階方塊圖顯示訊號從輸入端透過待測裝置 (DUT) 向前傳送至輸出端。透過裝置輸入到輸出的量測稱為正向量測。
網路分析儀的接收器量測入射、反射和傳輸訊號，以計算正向 S 參數。
向量網路分析儀主要規格
向量網路分析儀兼具訊號產生器和接收器的功能，因此需要大量的規格。在本節中，您將瞭解網路分析儀的一些關鍵規格。
最大頻率
向量網路分析儀 (VNA) 的最大頻率是它能測量的最高頻率。網路分析儀接收器包含類比數位轉換器 (ADC)，可將輸入訊號轉換為數位格式。這些訊號隨後可以進行分析和顯示。ADC 無法轉換射頻訊號，因此入射訊號必須下變頻到 ADC 的工作頻率。這個工作頻率稱為中頻 (IF)。
動態範圍
動態範圍是指量測元件響應的功率範圍。
此圖顯示了動態範圍的兩種不同定義方式。系統動態範圍是用於儀器規格的值。
- 系統動態範圍表示儀器在不含增壓放大器且不考慮待測裝置 (DUT) 增益的情況下的能力。儀器的最大源功率是最大功率位準 Pref。
- 接收器動態範圍是指儀器在功率放大下的動態範圍。此規格並非以來源功率作為最大功率位準，而是以儀器接收器可量測的最大功率 Pmax 為基礎。
下圖左側顯示了帶通濾波器 S21 測量的軌跡，展示了儀器的動態範圍。上限平坦，下限則有雜訊。接下來，我們將探討決定這些界限形狀的因素。
訊號源功率位準的上限和接收器的壓縮點決定了動態範圍的最大功率位準。
構成接收器的混頻器和放大器在飽和或達到其最大輸出之前，只能處理有限的功率。當設備處於飽和區時，輸入和輸出之間不再存在線性關係。
放大器的飽和現象可見於下方右圖。當輸入功率超過一瓦特時，實際輸出（紅色）會偏離理想輸出（綠色）。這種現象稱為壓縮。接收器無法擷取超過其壓縮點的任何裝置輸出。這種輸入功率的限制建立了動態範圍的上限。
輸出功率
輸出功率指示 VNA 的訊號產生器和測試裝置可傳送至待測裝置 (DUT) 的功率量。它以 dBm 表示，並參考 50 歐姆阻抗，以匹配大多數射頻傳輸線的特性阻抗。
高輸出功率有助於改善量測的訊號雜訊比，或判斷待測物的壓縮限制。
許多主動元件（例如放大器）需要具挑戰性的線性與非線性高功率量測，而這些量測超出了網路分析儀的功率限制。
跡線雜訊
跡線雜訊是因系統中的隨機雜訊而疊加在待測裝置 (DUT) 響應上的雜訊。它會使訊號看起來不平滑，甚至產生抖動。
跡線雜訊可透過增加測試功率、降低接收器頻寬或平均化來減輕。
向量網路分析儀校驗
射頻量測極其靈敏。測試纜線、連接器和夾具會影響量測結果。您想要特性分析待測裝置 (DUT)，而不是待測裝置與連接到網路分析儀的纜線。
預設情況下，網路分析儀將測試埠以外的所有內容視為待測裝置 (DUT)。這表示網路分析儀的參考平面位於測試埠。參考平面以外的所有內容都包含在量測中。
這些圖說明了校準前後的參考平面。校準前，網路分析儀埠以外的所有項目，包括纜線和連接器，都包含在測量中。
校驗後，參考平面已移動，因此網路分析儀會校正纜線和連接器，僅測量待測裝置 (DUT)。從宏觀角度來看，校正纜線和連接器，類似於將秤歸零以扣除皮重。
最常見的兩種校準方法是直通、反射、線路 (TRL) 和短路、開路、負載、直通 (SOLT)。這些方法是阻抗和傳輸量測的不同組合，用於表徵電纜和夾具以進行校準。
這些校準技術涉及將具有已知特性的標準件連接到量測設定，以取代待測裝置。網路分析儀可以透過將其量測值與標準值進行比較，來對纜線和連接器應用校正。
傳統上，校驗是使用機械標準進行的。操作員會單獨進行每個連接，並讓儀器進行量測。完整的雙埠校驗需要七個機械連接。此過程耗時且容易產生使用者錯誤。
電子校驗模組只需一次連接，即可電子化地模擬不同類型的負載。電子校驗快速、可重複，並可減少連接器磨損。
向量網路分析儀與配件
為了進行精確量測，您需要正確的向量網路分析儀，以及用於將儀器連接到待測裝置 (DUT) 的纜線和連接器。
向量網路分析儀
向量網路分析儀涵蓋了從簡單的 S 參數工具到可取代整套機架設備的高度整合式儀器。無論是在現場、計量實驗室或生產線上，總有一款網路分析儀能提供速度、性能和靈活度的最佳組合。
Keysight 提供最廣泛的網路分析儀型號和外形尺寸 — 從可攜式 FieldFox 到高度整合的 PNA。
連接器
儀器與待測裝置之間的連接對於可靠的量測至關重要。由於 RF 量測非常靈敏，您應務必考量連接器規格。連接器主要由三個規格來表徵：特性阻抗、頻率範圍和品質。
特性阻抗和頻率範圍可透過連接器的導體尺寸來近似。特性阻抗是內外導體直徑（圖中分別為 d 和 D）比率的函數。務必將纜線和連接器的特性阻抗與您的待測裝置 (DUT) 匹配，以將反射降至最低。
頻率範圍與外導體內徑 (D) 有關。同軸電纜的最大頻率可透過以下公式近似計算：
最大頻率 (GHz) = 120/D (mm)
例如，這表示 3.5 mm 導體的最大頻率約為 120 / 3.5 = 34 GHz。您需要確保您的硬體能夠處理您需要測試的頻率。高於 30 GHz 的毫米波頻率需要使用具有較小導體的連接器和纜線。
在尋找連接器時，您需要了解哪種品質等級適合您。品質是衡量連接器生產卓越程度的指標。品質分為三個等級：生產級、儀器級和計量級。
- 生產級：亦稱為通用級，這些連接器適用於經濟型應用，在這些應用中，有限的連接次數和較低的重複性是可以接受的。
- 儀器級：儀器級連接器專為精密測試與量測設備設計，其主要考量為重複性和長壽命。
- 計量級：計量級最適合校驗應用，在這些應用中，需要最高的性能和重複性。這些精密連接器可提供連接器阻抗的最高確定度。
向量網路分析儀配件
從頻率擴展器到測試設定控制器，網路分析儀配件可將儀器轉變為完整的解決方案。
硬體配件可協助您：
- 介電材料特性分析
- 測試晶圓上裝置
- 量測高功率放大器和混頻器
還有更多。
使用向量網路分析儀進行量測
VNA 功能如此多樣，以至於每種量測的詳細說明都需要一個專屬網站，但讓我們來看看這裡討論的基本原理如何應用於每種量測。
步驟 1：設定您的量測
VNA 可執行各種量測，但您通常需要設定某種掃描。掃描的主要參數是起始和結束頻率、功率以及中頻頻寬 (IF Bandwidth)。
起始和停止頻率
- 這些值決定了頻率掃描的範圍。
- 選擇可完整擷取您的裝置行為的值
- 如果您知道量測的中心點位置，請設定掃頻的中心頻率和頻寬。
電源
- 此值決定傳送至待測裝置 (DUT) 的測試訊號功率位準。
- 對於無源元件（例如濾波器），請使用最大源功率。
- 限制功率以避免主動元件在待測裝置 (DUT) 或向量網路分析儀 (VNA) 中發生壓縮
- 透過更高的功率位準來改善您的訊號雜訊比
中頻頻寬
- 選擇可在可接受的速度水準下提供您所需解析度的頻寬
- 使用較小的 IF 頻寬可獲得更好的量測解析度；但代價是量測速度較慢。
步驟 2：校準
校驗對於進行精確量測至關重要，但首先，您需要測試您的量測設定。
步驟：
- 連接您的裝置並進行未校驗的量測。
- 調整您的頻率範圍和中頻頻寬，以確認您已擷取所有需要查看的內容。
- 確認校驗套件具有與您的待測裝置 (DUT) 相同的連接器類型和性別。
- 將校驗套件連接到您的設定以執行校驗。
- 校驗後，即可重新連接您的裝置。
- 如果您更改頻率範圍或中頻頻寬設定，請重新校準。
提示: 使用扭力扳手進行連接，以確保導體之間牢固接觸而不受損。僅旋轉連接器上的螺帽；避免導體相互扭曲。
步驟 3：解讀結果
VNA 具有許多軟體工具可協助您分析量測結果，從 3 dB 頻寬標記到時域分析。為您的量測選擇合適的軟體和功能，讓分析變得輕鬆。
高度整合的網路分析儀 (例如 PNA) 具備數十種軟體應用程式，可應對具挑戰性的量測，例如非線性與主動式元件特性分析。
向量網路分析儀應用
向量網路分析儀是用途極廣的儀器。以下是其部分應用範例。
頻譜分析
將頻譜分析功能整合到您的網路分析儀中，可透過加速雜散搜尋、消除儀器切換，以及利用單一連接、多重測量 (SCCM) 功能，大幅縮短測試時間。
脈衝量測
網路分析儀在標準操作下使用連續波 (CW) 訊號。雖然這對許多應用很有用，但在某些情況下，脈衝射頻 (RF) 訊號更為適用，例如：
- 測試用於脈衝操作的天線
- 連續波 (CW) 訊號熱量會造成影響的晶圓上量測
- 時域反射量測 (TDR)
PNA 等進階網路分析儀支援用於這些及更多應用的脈衝射頻量測。
主動裝置測試
現代 RF 系統充滿了放大器、混頻器和頻率轉換器等主動元件。測試這類元件過去需要整機架的設備。現在，網路分析儀已足夠精密，無需額外硬體即可處理主動元件特性分析。
使用網路分析儀取代傳統的 RF 測試系統，可大幅縮短測試時間，因為所有量測都整合到單一儀器中。使用 PNA 等整合式網路分析儀來測試：
- S 參數
- 非線性參數 (X 參數)
- 增益壓縮
- 互調失真 (IMD)
- 雜散
- 雜訊指數
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