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在现场进行精密测量校验的技巧

时间:2019-08-27 作者:是德科技(Keysight Technologies)投稿 阅读:
由于现场测试通常在极端条件下进行,因此测量准确度、校验便捷性、扫描速度和分析仪可移植性都非常重要。

射频和微波系统及元器件的安装、故障排除和维护,都需要在各种室内和室外环境及条件下,对其反射和传输特性进行测量。这类测量通常会以具现场使用校验功能的手持式矢量网络分析仪(VNA)进行。由于测试通常在极端条件下进行,范围可从安装户外信号塔和信号杆的高海拔环境,到轮船、飞机和车辆应用所需的密闭空间,因此测量准确度、校验便捷性、扫描速度和分析仪可移植性都非常重要。所需的测量可通过具有简单用户校验和快速测量扫描功能的VNA轻松进行,这些功能FieldFox手持式分析仪皆可提供。

使用VNA时,测量准确度直接与所选用户校验类型和相关测试配置有关。测试配置包括连接待测设备(DUT)和VNA所需的测试线缆和适配器。FieldFox的可用校验类型包括仪器开启时即可使用的内置校验(CalReady)和较复杂的用户校验,后者需通过一组高质量校验标准进行测量。

选择校验类型(cal type)时通常需在测量准确度、速度和校验过程复杂度之间进行取舍。例如,图1中显示使用两种不同FieldFox校验类型对一小段同轴电缆进行插入损耗测量(S21)的比较。黄色轨迹表示称为QuickCal的创新校验类型进行的线缆测量,蓝色轨迹则代表使用传统全2端口机械校验对相同线缆所进行的测量。用户在全2端口校验过程中需对各种高质量校验标准进行七次连接,执行QuickCal时则无需任何校验标准。如图所示,两种测量结果差异非常小,但QuickCal的校验过程很简单,非常便于现场作业。一般来说,由于各测试配置可能需在FieldFox和DUT之间使用适配器和测试线缆,因此了解FieldFox各种可用校验类型的应用和限制非常重要。本应用说明将探讨VNA校验的新发展,并会比较使用不同校验类型对各种射频和微波器件(包括线缆、滤波器和放大器)进行校验后的测量结果。

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图1:使用Keysight FieldFox VNA提供的全2端口校验(蓝色)和快速QuickCal(黄色)来测量同轴电缆的结果比较。

分析仪硬件配置

本节将介绍各种适用单端口和双端口装置测量的FieldFox硬件配置。FieldFox手持式分析仪包括VNA、线缆和天线测试(CAT)分析仪、频谱分析仪,以及于单一仪器中集成VNA、CAT和频谱分析仪功能的组合分析仪。FieldFox是一款适合于现场使用的精密仪器,符合MIL-PRF-28800F Class 2和MIL-STD-810G、Method 511.5、Procedure 1要求,可在爆炸环境中进行测量(通过类型测试)。Class 2设备专为最恶劣的环境设计,包括不受保护和不受控制的环境条件。采用VNA配置时,FieldFox可以测量复杂的器件参数,如单端口与双端口DUT反射和传输特性的幅度及相位。测量到的复杂参数又称为散射参数(S参数),稍后将于本应用说明中进行讨论。采用CAT分析仪配置时,FieldFox也会测量DUT的反射和传输特性,但只会报告幅度特性。

VNA和CAT两种模式都包含创新的QuickCal,可消除任何与仪器相连接的测试线缆和适配器影响,并修正校验中因温度变化而产生的漂移误差。采用频谱分析仪配置时,FieldFox即为一款高性能接收器,能够测量已知与未知信号、干扰和/或噪声的频率内容。FieldFox频谱分析仪不仅具备桌上型频谱分析仪的功能,更包含一种称为InstAlign的独特功能,开启后便可于-10℃~+55℃间为整个射频和微波频率范围提供更高的振幅精准度。本应用说明会继续将重点放在FieldFox VNA的VNA测量和校验功能。

网络分析仪硬件可决定DUT的测量方式:使用传输/反射(T/R)硬件配置进行正向测量,或使用全2端口配置进行正向与反向测量。图2a显示采用T/R硬件配置的FieldFox VNA输出和输入信号路径。测试信号在T/R配置下会由分析仪的端口1发出,并以输入至DUT的反射信号或通过DUT的传输信号方式进行正向测量。在此配置下,反射信号会在分析仪的端口1测量,正向信号传输测量则在分析仪的端口2进行。使用T/R配置时,进行反向测量必须先中断联机DUT,调转方向,然后再重新联机。图2b则说明采用全2端口硬件配置的VNA。在这种配置中,DUT参数可以正向和反向测量,无需在物理上调转器件。分析仪内部的开关矩阵可在端口1和端口2之间路由入射测试信号。使用全2端口配置不仅便于双向测量DUT,还可对测试系统的大部分系统误差进行特性分析并将其消除,以达最高测量精准度。

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图2:使用配备(a)传输/反射(T/R)硬件和(b)全2端口硬件的分析仪进行DUT测量时的网络分析仪信号路径。

系统误差特性分析会在用户校验过程中进行,而全2端口校验是最精准的VNA校验方式之一。本应用说明将讨论并比较几种校验类型,其中包括全2端口校验、增强响应校验,以及精准度较低但操作非常简单的响应(正规化)校验。采用全2端口硬件配置的FieldFox VNA可执行所有可用校验类型。采用T/R硬件配置的FieldFox则仅可执行增强响应校验和响应(正规化)校验。

系统误差

系统误差由测试线缆、适配器和分析仪元器件的频率响应,分析仪泄露路径(通常位于内部),以及DUT和分析仪之间的多次反射造成。用户校验的功能之一便是对系统误差进行特性分析,并以数学方法将其自测量结果中消除。某些类型的用户校验只能校验一部分误差,使得DUT测量结果精准度降低。图3说明使用全2端口校验(黄色)和增强响应校验(蓝色)对同轴电缆进行传输响应(S21)校验的比较。

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图3:使用FieldFox CalReady 2端口校验和CalReady增强响应校验进行同轴电缆测量的比较。

由于全2端口校验能够修正测试系统中大部分的系统误差,因此其测量精准度最高。若要使用全2端口校验消除所有系统误差,需在校验和DUT测量过程中进行正向和反向扫描。若以增强响应校验类型进行校验和DUT测量则只需扫描正反其中一个方向即可,因此可加快整体测量速度。增强响应校验不能修正全部系统误差,因此精准度比全2端口校验低。如图3所示,以增强响应校验进行的线缆测量因未修正的系统误差而在测量频率范围内出现了涟波。图3中显示的两种测量均采用FieldFox分析仪的创新型CalReady校验来进行。

CalReady是一种随时可用的内置校验,无需用户手动校验。本应用说明将讨论CalReady和FieldFox VNA中其他可用的校验类型,以及如何在精准度、速度及校验复杂度之间进行取舍。

S参数测量和显示格式

如前所述,通常会对VNA进行配置以测量和显示DUT的反射及传输属性,也叫做散射参数(S参数)。S参数即是测量信号和入射信号的比率。FieldFox VNA已包含所有适合测量和计算这些信号比的硬件,因此操作人员只需熟悉S参数的定义,及其与特定装置规格之间的关系即可。图4说明了双端口DUT的S参数定义,单端口装置将有一个S参数,双端口装置则有四个S参数。用户决定以哪个DUT端口为端口1或端口2,通常会与DUT的预定操作有所关联。例如,可以将放大器的输入定义为端口1,输出为端口2。如此一来放大器的正向传输参数就是从端口1到端口2的增益。图4中S11参数被定义为来自DUT端口1的反射。S22被定义为来自DUT端口2的反射参数;S21为端口1到端口2的正向传输参数;S12则为反向传输参数。

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图4:2端口DUT的S参数定义。

对很多无源元件(包括同轴电缆、滤波器、波导元件、耦合器和功率分配器)来说,正向传输参数S21等于反向传输参数S12,即S21=S12。这种类型的DUT被视为具有“互易性”。放大器、环形器,以及大多数含有半导体和铁氧体的有源器件则具有“非互易性”。非互易性器件的正向传输(例如放大器的增益)不等于反向传输(例如放大器的反向隔离),即S21≠S12。了解器件为互易性器件还是非互易性器件,在选择增强响应校验时将变得非常重要,本应用说明稍后会讨论这个问题。

正向反射参数S11和反向反射参数S22在所有器件类型下通常不相等。图5说明对采用全2端口配置的FieldFox VNA进行测量,所得到的四个13GHz带通滤波器S参数。如前所述,全2端口配置可通过单一分析仪联机来测量四个S参数。S11和S22反射参数在5~18GHz测量频率范围内的响应略有不同。S21和S12的响应相同,在无源滤波器等互易性器件中是可预期的结果。有关图5中所显示的测量结果,FieldFox是通过最精准的全2端口校验类型来进行校验。图5中的四个S参数测量值均以典型的“LogMag”格式显示,Y轴则以分贝值(dB)表示。使用VNA测量到的S参数为复数,可以转换为多种显示格式,包括线性振幅、VSWR、史密斯图、极性、相位、群组延迟以及实部和虚部。幸运的是,FieldFox可管理所有必要的计算结果,并适当显示所需格式。

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图5:测得的13GHz带通滤波器的S参数。

众所周知,S参数是相对测量值,理论上不受外加功率水平影响。例如,在测量一条理想短路传输线的S11参数时,反射信号和入射信号的比率具有1或0dB的线性振幅(=20LOG(|S11|))。无论入射信号功率为1皮瓦还是100瓦,短路线路的S11测量值均相同。这一状况符合无源器件的S参数测量。显然在测量放大器时,一旦放大器开始进入饱和状态,S参数便将随入射功率而有所不同。在本应用说明中,假定放大器在小信号或非饱和模式下运作,且增益在一定的入射功率范围内保持恒定。

在测量放大器和其他对输入功率水平敏感的器件时,可以调整FieldFox测试端口功率,以优化测量精准度并避免有源器件和分析仪中出现过载。FieldFox VNA具有三种设定入射(测试端口)功率水平的模式——高输出功率、低输出功率,以及允许操作人员手动设定测试端口功率的设定。

FieldFox的预设设定为高输出功率,可达到最高的测量精准度和动态范围,而低功率或手动设定则适用于测量高增益放大器或任何对驱动功率敏感的器件。图6的测量范例显示了测试端口功率和显示动态范围之间的关系。

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图6:使用FieldFox高输出功率设定(黄色)和低输出功率设定(蓝色)对13GHz带通滤波器响应进行测量的比较。

该图比较了使用高输出功率设定(黄色轨迹)和低输出功率设定(蓝色轨迹)对13GHz带通滤波器S21参数的测量。在此滤波器的中心通带内,S21测量结果是相同的,但当使用低功率设定时,噪声明显比阻带高。FieldFox接收器信号的低信号噪声比会导致噪声水平增加,而滤波器会降低阻带的信号水平。在低SNR条件下可降低FieldFox的中频频宽(IF BW),以改善分析仪的噪声水平。IF BW可在10Hz~100kHz的范围内进行调节。通过高输出功率设定并将IF BW设定为最小值,便可达到最大动态范围和准确度。

在本应用说明的下篇,将仔细说明校验FieldFox测试端口和机械校验的详细步骤。

本文授权转载自EDN姐妹网站EET电子工程专辑台湾版,欲看下篇请前往《在现场进行精密测量校验的技巧(下)

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
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