網路分析儀可特色分析射頻裝置。網路分析儀起初只可量測 S 參數,如今已是高度整合且先進的儀器,領先於所測試的裝置。

我們將介紹網路分析基本原理,以及您可使用網路分析儀進行的進階量測。

網路分析儀為何?

網路分析儀可特色分析射頻裝置。網路分析儀起初只可量測 S 參數,如今已是高度整合且先進的儀器,領先於所測試的裝置。

射頻電路需要特殊的測試方法。在高頻率下很難直接量測電壓與電流,因此必須全面分析元件對射頻信號的響應。網路分析儀藉由將已知信號送入裝置,並對輸入及輸出信號進行等比量測,來執行這些分析。

早期的網路分析儀僅量測振幅。這些純量網路分析儀可量測回返損耗、增益、駐波比和其它與振幅相關的量測。

如今,大部分的網路分析儀為向量網路分析儀 - 可量測振幅和相位。向量網路分析儀為多功能儀器,可分析 S 參數、匹配複雜的阻抗,並執行時域量測等。

PNA-X 向量網路分析儀便是高階網路分析儀

此量測方塊圖顯示從待測物輸入端傳送到輸出端的信號。從待測物輸入端到輸出端進行的量測稱為正向量測

網路分析儀的接收器可量測入射、反射和傳輸信號,以計算正向 S 參數。

通用型網路分析儀方塊圖

重要的向量網路分析儀規格

向量網路分析儀既是信號產生器也是接收器,具有許多必要規格。在本節中,您將了解網路分析儀某些重要規格。

最大頻率

VNA 的最大頻率為可進行量測的最高頻率。網路分析儀接收器包含類比數位轉換器(ADC),可將接收到的信號轉換成數位格式,然後分析並顯示這些信號。在射頻頻率下 ADC 無法進行信號轉換,入射信號必須降頻至 ADC 的可操作頻率。此頻率又稱為中頻(IF)。

動態範圍

動態範圍是所量測之元件響應的功率範圍。

圖中顯示定義動態範圍的兩種不同方法。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未增強放大器,並且不考慮待測物增益之下的能力。儀器最大的來源功率為最大功率位準,Pref
  • 接收器動態範圍則為放大功率後的儀器動態範圍。不同於其他使用來源功率作為最大功率位準的方法,此規格基於儀器接收器可量測到的最大功率,Pmax
動態範圍

左下圖顯示帶通濾波器 S21 的量測軌跡以及儀器的動態範圍。上限平坦,而下限嘈雜。讓我們看看決定這些邊界形狀的因素為何?

動態範圍的最大功率位準取決於來源功率位準的上限和接收器的壓縮點。

組成接收器的混頻器和放大器,在它們飽和或是達到功率最大輸出之前,只能處理這麼多的功率。當裝置處於飽和區時,輸入和輸出間不再存在線性關係。

右下圖顯示放大器的飽和狀態。當輸入功率高於 1 瓦,實際的功率輸出(紅)會偏離理想的功率輸出(綠),這種現象稱為壓縮。高於接收器的壓縮點時,則接收器無法擷取任何裝置的輸出。輸入功率的限制造成動態範圍的上限。

動態範圍的軌跡
增益壓縮圖,綠色為放大器的理想線性轉移函數,紅色為實際轉移函數。

輸出功率

輸出功率代表 VNA 信號產生器和測試儀能發送至待測物的功率位準,以 dBm 表示,並以 50 歐姆阻抗為參考,以匹配大多數射頻傳輸線的特性阻抗。

高輸出功率對於提高量測信噪比或是決定待測物的壓縮限制,都有大大的幫助。

許多主動裝置,如放大器,需進行極富挑戰性的線性和非線性高功率量測,這些量測超出了網路分析儀的功率極限。

軌跡雜訊

軌跡雜訊是疊加在待測物響應上的雜訊,來自於系統的隨機雜訊。它會導致信號外觀看起來不平滑甚至出現抖動。

藉由增加測試功率、降低接收器的頻寬,或是透過平均來減少軌跡雜訊。

向量網路分析儀校驗

射頻量測極端敏感,測試纜線、連接器和夾具等,都會影響量測結果。您只想量測待測物;而非待測物和將它連接到網路分析儀的纜線。

預設上,網路分析儀會將測試埠之外的一切視為待測物,亦即網路分析儀的參考平面位於測試埠,而參考平面以外的所有一切,都將納入量測範圍。

這些圖示描繪校驗前後的參考平面。校驗前,量測範圍涵蓋網路分析儀連接埠以外的所有物件,如纜線和連接器。

校驗後,參考平面移動了,因此網路分析儀修正了纜線和連接器,並僅量測待測物。在非常高位準時,纜線和連接器的校驗類似於體重機的歸零校正。

校驗前的參考平面
校驗後的參考平面

「穿透、反射、線路(TRL)」和「短路、開路、負載、穿透(SOLT)」是兩種最常見的校驗方法,它們分別是阻抗和傳輸量測的不同組合,可分析纜線和測試夾具,以進行校驗。

這些校驗技術將已知特性的標準套件連結至待測物目前的量測設定。網路分析儀藉由比較量測值和標準值,對纜線和連接器進行校正。

傳統上是透過機械標準來執行校驗。操作人員需逐一進行與儀器的連接,以便進行量測。完成一次完整的二埠校驗,就需要進行 7 次機械連接,不但耗時而且很容易出現人為疏失。

相較之下,電子校驗模組只需一次連接,便可複製不同類型的負載,是快速且可重複的校驗方式,並可減少連接器的磨損。

機械校驗套件
eCal 模組

向量網路分析儀和配件

為了執行準確的量測,您需選擇合適的向量網路分析儀以及纜線和連接器,以便將儀器連接至待測物。

向量網路分析儀

向量網路分析儀的類型很多,從簡單的 S 參數工具到高整合度的儀器都有,可取代一整個機架的儀器。無論在現場、計量實驗室,或生產線上,網路分析儀可提供速度、效能和靈活性的完美組合。

是德科技提供多樣化的網路分析儀機型和尺寸,從可攜式 FieldFox 到整合式 PNA,應有盡有。

連接器

待測物和儀器之間的連結是可靠量測的關鍵,而射頻量測非常敏感,因此必須將連接器的規格納入考量。連接器有三種主要規格需進行分析:特性阻抗、頻率範圍和品質。

特性阻抗和頻率範圍可透過與連接器導體尺寸進行近似計算來分析,其中特性阻抗是內外導體直徑的比值(在圖中分別為 d 和 D)。將纜線和連接器的特性阻抗與待測物配對十分重要,以減少反射。

頻率範圍與外導體的內徑相關(D)。同軸纜線的最大頻率可使用以下公式進行近似計算:

最大頻率(GHz)= 120/D(mm)

舉例來說,一個 3.5 mm 導體,其最大頻率約為 120 / 3.5 = 34 GHz。您必須確保所使用的硬體可因應測試所需的頻率。大於 30 GHz 的毫米頻率,需要導體較小的連接器和纜線。

在評估連接器時,您須確知什麼樣的品質可滿足您的需求。品質為衡量連接器優質程度的重要指標。連接器品質可分為 3 種等級:生產級、儀器級和計量級。

  • 生產級:(又稱為通用級)這些連接器適用於經濟型應用,可接受有限的連接,重測性低。
  • 儀器級:這類連接器適用於精準的量測儀器,可重測度高、壽命長是首要考量。
  • 計量級:計量級連接器最適合用於校驗,以因應最高效能和可重測度的要求。這些精密的連接器提供最高的連接器阻抗確定性。
頻率範圍判定

向量網路分析儀配件

網路分析儀配件包含從展頻器到測試儀控制器等各式產品,可將儀器變為完整的測試方案。

這些硬體配件可幫助您:

  • 分析介電質
  • 測試晶圓上元件
  • 量測高功率放大器和混頻器

以及更多。

使用向量網路分析儀執行量測

VNA 的款式非常多元,適用於各種不同類型的量測,幾乎需要一個專屬的網站才能清楚解說,接下來我們將介紹適用於每一種量測的基本原理。

步驟 1:設定您的量測

VNA 可執行各種量測,但通常您需設定某種掃描,主要的掃描參數為開始和終止頻率、功率,以及中頻頻寬。

起始與終止頻率

  • 這些值決定了掃描頻率的邊界
  • 請選擇能完全擷取裝置特性的值
  • 如果您知道量測的中心位置,請設定中心頻率和掃描間隔

功率

  • 此值決定了送至待測物之測試信號的功率位準
  • 針對被動元件使用最大信號源功率(如濾波器)
  • 針對主動元件需限制功率,以避免待測物或是 VNA 的壓縮
  • 使用較高的功率位準,以提升信噪比

中頻頻寬

  • 選擇一個在您可接受速度下,提供所需之解析度的頻寬。
  • 使用較小的 IF 頻寬以獲得更好的量測解析度;缺點是量測速度較慢

步驟 2:校驗

校驗為執行準確量測的基礎,但首先您須測試您的量測配置。

步驟:

  1. 連接裝置然後進行一個未校驗的量測。
  2. 調整頻率範圍和 IF 頻寬,以確認擷取到所有需要查看的內容。
  3. 確認校驗套件和待測物使用相同的連接器類型和接頭(公頭或母頭)。
  4. 將校驗套件連接到測試配置並執行校驗。
  5. 校驗後,您可重新連接裝置。
  6. 如果您改變頻率範圍或 IF 頻寬設定,則需重新校驗。

秘訣:使用扭矩扳手進行連接,讓導體牢固地接觸以避免損害。只旋轉連接器上的螺帽,避免導體間扭轉

步驟 3:解讀結果

VNA 有許多軟體工具可協助您分析量測結果,從 3 dB 頻寬標記至時域分析都有。選擇合適的量測軟體和功能,讓分析由繁化簡。

高度整合的網路分析儀,如 PNA,有數十種應用軟體任您挑選,以因應非線性和主動元件特性分析等挑戰性的量測。

向量網路分析儀應用軟體

向量網路分析儀是通用型儀器。以下為某些應用的範例:

頻譜分析

使用網路分析儀進行頻譜分析,可加速突波搜尋、消除儀器間的切換,並可利用單一連接和多重量測(SCCM)功能,進而大幅縮短測試時間。

混合頻譜分析和網路分析量測之 SCCM 視窗

脈衝量測

網路分析儀在標準操作中使用連續波(CW)信號。雖然此信號適用於許多應用,但某些情境則比較適合使用脈衝信號,例如:

  • 測試專為脈衝式操作設計的天線
  • 晶圓上量測,因無法忍受連續波信號的高熱
  • 時域反射(TDR)

進階網路分析儀,如 PNA,支援前述應用所需的脈衝式射頻量測。

晶圓上測試配置

主動元件測試

現代射頻系統多由主動元件組成,如放大器、混頻器和轉頻器。測試這類元件通常需要用到一整個機架的儀器。如今,網路分析儀已精密到無需使用額外的硬體,就能對主動元件進行特性分析。

使用網路分析儀取代傳統的射頻測試系統,可將所有儀器量測功能整合於一機,大幅減少測試時間。整合式網路分析儀,如 PNA,可測試:

  • S 參數
  • 非線性參數(X 參數)
  • 增益壓縮
  • 互調失真(IMD)
  • 突波
  • 雜訊指數

以及更多。

增益壓縮應用

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