矢量网络分析仪时域功能及应用

2012-07-14张晓辉

中国测试 2012年2期

刘丽，张晓辉

（中国空空导弹研究院，河南洛阳 471009）

0 引言

通常使用矢量网络分析仪进行频域分析，从而实现被测件S参数：电压驻波比、插入损耗、相位以及延时等的测试。拿反射系数测试来说，测试结果是被测件上多种反射因素在被测端口参考端面的迭加，要想分析出这些因素产生的位置、造成的影响，就要在时域中观察测试结果。时域分析最直接的方法是时域反射计，也可利用矢网时域功能选件完成对被测件的时域分析，而后者相比前者有更大的优势。

1 矢网时域功能介绍

网络特性可以通过时域反射计（TDR）的方法在时域中进行描述和分析。该方法通过一个高速阶跃脉冲发生器和一台取样示波器来实现，脉冲发生器产生射频脉冲作为激励信号，该信号入射至被测端面称为入射波，并被示波器采样，入射波在测件上传输，同时有反射波反射回来，再经示波器采样。这样，从示波器上分别测量入射波和反射波的电压值就能得出入射波与反射波的关系，即激励与响应相对于时间的变化，并可将反射波电压幅度与入射波电压幅度之比定义为电压反射系数，它描述了被测件时域脉冲响应相对于时间的变化。在时域分析中，被测量是时间的函数。对于均匀介质，时间轴等效于距离轴，这就使电长度测试和电缆故障定位成为可能。

矢量网络分析仪也具备时域分析功能，不过与TDR不同的是：矢网的时域功能并不是采用直接测试，而是先测试得到器件的频域响应，即S参数的幅度和相位，然后运用傅里叶逆变换这一数学运算将频域信息转化到时域。众所周知，时域和频域的变换通过傅里叶变换和反傅里叶变化实现[1]，图1总结了二者之间的关系，这是构成网络分析仪时域测量的理论基础。矢网时域分析的实现是从频域到时域的反傅里叶变换，是靠网络分析仪内部的计算机通过傅里叶变换技术来实现的，具体是采用一种称为Chirp-z反变换的算法，它包括2次快速反傅里叶运算和1次卷积。经变换后最终得到的结果是器件的时域响应，它显示了测得参数值随时间的变化，这些参数对应频域中的传输测量或反射测量。相比较而言，矢网时域功能较之TDR有巨大的优势。首先，时域测量需要在整个频带内进行，而频域的测量可以通过窄带方式实现，相比时域内的直接测量，频域测量改善了测量值的信噪比，测试仪器能提供更大的动态范围；其次，由于技术原因，数模转换仅能工作在几个GHz频率以下，而基于外差原理的测试仪器中，A/D转换器只需工作在中频，这样数模转换不再受频率限制，测试也能覆盖更高的频率范围。鉴于以上原因网络分析的测量主要集中于频域测量，而不直接进行时域测量。

图1 时域和频域的对应关系图

2 矢网时域功能应用

2.1 矢网时域功能应用举例

矢网的时域功能通过仪器配置选件来保证，如Agilent的矢网在有选件010的情况下便具备了时域分析功能。在频域选择传输或反射参数测量，选择功能键打开时域功能，就实现了传输或反射参量在时域的表达。下面以同轴传输线反射参量测试为例，介绍其在电长度测试、电缆性能判定[2]、电缆故障定位上的应用。

电磁波在传输线上传输，对于真空介质来说，电磁波传播速度等于光速，对于空气介质传播速度也可近似为光速[3]，而对于其他填充介质根据介质材料不同，都会对电磁波传输形成不同程度的阻碍作用，相应的传输速度会慢于光速，因此电磁波实际的传输距离就不再是传输线的机械程度，而要用电长度来表征。不同介质其固有的有效介电常数不同，有效介电常数用εeff表示，则电长度与物理长度、有效介电常数的关系可表示为

假设被测传输线是均匀介质，那么时间量可相应的变换为距离量。时间t到距离s的变化关系是：s=t·νp，其中 νp称为相速度，它与光速 c 的关系是矢网时域功能打开时，横坐标可直接选择时间或距离为单位，这时测得的距离是传输线的电长度；如果再在矢网中输入传输线的有效介电常数，横坐标即可表示传输线的机械长度，这样就可以通过判断传输线上反射值情况来确定故障点在传输线上的位置，从而实现电缆故障定位。

具体测试方法是：在矢网中设置测试频率，选择反射测量参数S11，进行单端口校准，然后打开时域功能完成频域到时域的转换，矢网Port1测试端接上被测传输线，并开放被测电缆另一端，此时显示的结果就是被测件时域分析的结果。

图2是矢网配置的同相稳幅电缆的时域测试结果，图中横轴表示传输时间，纵轴显示矢网测试端面1端口的反射参量并以回波损耗形式表示。测试曲线上从左至右第1个峰值处所指示位置是输入连接器（包括转接器）处的反射即近端反射，第2个峰值光标Marker1所指示位置是远端反射即电缆输出连接器的反射，两峰值之间的一段是由电缆本身制造公差引起的分布反射[4]。第1个峰值处t=0s，第2个峰值（Marker1）处 t=5.435 ns，换算到距离为c·t=1.63 m，则该被测电缆电长度为c·t/2=0.815 m。

图2 同相稳幅电缆的测试结果

图3 是某普通故障电缆时域测试结果，Marker2指示电缆被测端面，Marker1指示电缆开放端，中间分布反射段出现一个较大峰值Marker4，该位置处回波损耗较大，表明电缆在此处存在故障点。该电缆有效介电常数取1.52，经计算，故障点位置在距离测试端面的机械距离

图3 故障电缆的测试结果

再对图2和图3中分布反射的大小进行对比，图2中大部分分布反射值位于-60 dB以下，换算至反射系数，Γh（t）≤0.001；而图3中除故障点之外，大部分分布反射位于-40 dB以下，则Γh（t）≤0.01。再者，图2测试端面处回波损耗大约-34 dB，图3测试端面处回波损耗-24 dB，说明同向稳幅电缆接头处匹配情况好于普通电缆。通过上述比较，可得图2电缆性能要明显优于图3电缆。

2.2 矢网时域功能测试注意事项

矢网的时域功能有两种测量模式，一种是低通模式，另一种是带通模式，两种模式的主要区别源于频域采样及变换参数的不同。所以矢网频域测量参数如起始终止频率、测量点数的选择与时域变换模式及时域测试范围等有直接的关系。

矢网根据型号不同测量范围也不同，每台设备都具有最小频率fmin和最大频率fmax。进行频域测试前需要对扫频范围和测试点数进行设置，扫频范围是从起始频率fstart至终止频率fstop，测量点数为M，设置这3个参数后就决定了矢网是以fstep为步长进行频率扫描，且满足：。对低通模式，第1个频率采样位于 f0=0，第 2 个位于，如果 f1＜fmin，则将在0～fmin之间通过插值法增补K个频率采样，然后再向频率轴负向进行镜像扩展，时域变换的分辨率由频谱周期决定时域周期由频域采样步长决定对于带通模式，只需要有恒定步长的频率网格，第1个频率采样位于最后一个频率采样位于fstop，带通模式的时域周期与低通模式一致，而时间分辨率为：对比二者可见，相同条件下带通模式的时间分辨率比低通模式降低一倍。为了提高时间分辨率，通常使用低通模式，并且选择尽可能高的终止频率。带通模式主要针对窄带被测件，窄带器件在其中心频率周围有限范围内有响应，要想得到有用的时域结果必须将频率采样置于被测件的通带。