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使用矢量网络分析仪的时域模式

时间:2017-07-08 08:03 作者:admin 分享到:

  矢量网络分析仪测量器件的频率响应,并用数学方法把测得的数据进行时域变换,以便将频域信息变换到时域,用时间作为横轴显示测量结果。矢量网络分析仪采用线性调频-Z 快速傅立叶变换技术进行这一数学计算。

  在反射模式下,网络分析仪测量反射系数随频率的变化。反射系数可以看作是入射电压与反射电压相联系的传递函数,逆变换将反射系数变换为时间函数 (冲激响应)。阶跃响应和冲激响应的结果可以通过把输入的阶跃信号或冲激信号与这个反射系数的冲激响应相卷积计算出来。

  在传输模式下,网络分析仪测量二端口器件的传输函数随频率的变化。逆变换将传输函数变换成二端口器件的冲激响应。阶跃响应和冲激响应的结果可以通过把输入的阶跃信号或冲激信号与冲激响应相卷积计算出来。

  所得到的测量结果是几乎实时显示的被测试器件完全经过校正的时域反射或传输响应。这时,响应值 (纵轴所表示的测试结果) 分别在时间或距离上间隔显示,这样就超越了简单的频率特征范围,对被测器件的特性作更深入的分析。

  图 3a 和 3b 说明了同一条电缆的频域和时域反射响应,频域反射测量 (图 6a) 是在整个被测频率范围内由电缆中存在的不连续性反射的所有信号的组合。估计那些失配的位置是困难的。然而,时域测量 (图 6b) 显示了每个不连续性的影响随着时间 (或距离) 的变化,并轻松地确定失配的位置和大小。


                                                                                             图 3a. 频域中电缆的反射响应。


                                                                                               图 3b. 时域中同一条电缆的反射响应。



  时域低通模式

  时域低通模式是对传统 TDR 测量方法的仿真,并支持阶跃信号和冲激信号两种激励方式。在这种测量模式下对测量的频率范围有一些特殊限制。它要求测试所得到的正数据点要均匀地隔开,这样这些数据点就可以从直流到测试的终止频率都是谐波相关的。在设置测量频率时必须要使测试的终止频率等于起始测试频率与测试点数之积 (从而给出谐波相关的频率)。矢量网络分析仪具有自动完成这一操作的功能。从这里可以看到,上升时间由被测最高频率的最大斜率决定,可是上升时间也会随着窗口系数的大小而变化。此外,由于傅立叶变换包括直流值对频率响应的影响,而矢量网络分析仪是不能测量直流响应的,因此直流值必须用外推的方法得到。在生成阶跃激励时这个直流值是必须的。在传统 TDR 测量方法中也存在这一限制。数据的其余部分可以由原始被测响应的镜像数据算出,这里假定响应为厄米特响应 ,即负频率响应是正频率响应的共轭,因此,时域响应必须是纯粹的实数值 (非复数) 响应。

  低通测试模式所包含的信息在确定不连续性处的阻抗类型 (电阻型、电容型或电感型) 时是非常有用的。由于已经包含了直流值而且数据又是镜像的,故阶跃和冲激低通模式与带通模式相比能产生更好的时域分辨率。

  图 4 说明了使用真实格式的已知不连续性的各种低通响应,图中把每种电路单元都模拟了出来以显示对应的低通时域 S11 响应波形。



                                                                                图 4. 已知的不连续性的低通响应 — 阶跃响应和冲激响应。


  对低通反射响应进行分析

  时域低通测量模式功能真正强大的地方在于它通过其阶跃和冲激激励响应既描述了阻抗不连续性所在的位置,又能告诉您在这些位置上阻抗发生了哪类变化。

  低通测量模式结果显示中的横轴是冲激的双向传播时间。矢量网络分析仪屏幕上的游标功能可以显示出到某个不连续点的时间和距离,并在计算游标所显示的距离读数时自动对双向响应作出解释。所显示的距离是基于假设信号是以光速 2.997925 x 108 m/s (秒)传播的。实际上,在大多数介质,如同轴电缆中,信号的传播速度要比光速慢。矢量网络分析仪中有一个速度换算系数功能,用以调整信号在各种不同介质中的传播速度。常见的速度换算系数是: 聚乙烯介质的速度换算系数是 0.66,聚四氟乙烯介质为 0.7。

  纵轴代表什么信息要看所选择的数据格式。由于频域数据是取自低至直流的谐波相关频率,傅立叶逆变换 (IFT) 的结果就只有实部 (虚部为 0) 信息。因此,最有用的数据格式是显示反射系数 ρ 的实部。在 PNA 中,可以在高级菜单上对默认游标读数进行修改,直接显示阻抗。

  图 5中的电路显示了当阻抗从 Z0 变化到 Z0/2 再变回到 Z0 时的低通阶跃响应和冲激响应。阶跃响应用黑色轨迹显示,冲激响应用灰色轨迹显示。在显示结果上有足够多的信息来确定不连续性所处的位置 (时间) 以及不连续性的类型。第一个连接处的不连续性为传输线阻抗的变化,其中 ZL1 < Z0。第二个不连续性表明 ZL2 = Z0。我们在观察阶跃响应轨迹时,可以发现即使阻抗变回到 Z0,响应也未完全归零。同样对冲激响应轨迹进行分析,也能看出第二个不连续性与第一个不连续性的绝对幅度值并不完全相同。这两种现象都说明网络中存在遮蔽现象。遮蔽现象解释了为什么在第二个不连续性处阻抗会有这样明显的差别。


                                                                    图 5. 显示了当阻抗发生变化时的低通阶跃响应和冲激响应 (上面所示的电路)。


  时域带通模式

  带通模式是矢量网络分析仪更通用的工作模式,它对器件的冲激响应特征进行测试,适用于在任意频率范围上对任何器件进行测试,而且操作比较简单。它特别有利于测量带宽受限的器件和进行故障定位测量。由于带通模式是唯一可用于任意测试起始频率和终止频率的工作模式,故对那些工作频率有一定限制范围的器件十分有用。对测量频率范围没有任何限制是传统 TDR 测量的主要优点 (要求被测器件能够在直流上工作)。由于带通模式未包含直流值,故只提供冲激激励。带通模式是对窄带 TDR 工作方式的仿真,它可以帮助您识别发生阻抗失配的位置,但不能指出失配是电容型、电感型还是电阻型。然而,它适用于显示响应的幅度。在时域带通模式中,傅立叶逆变换 (IFT) 只对测得的数据点进行计算,而不像低通模式中那样将负频率响应视为被测数据的共轭部分。这种计算给出的结果是时域响应的复数值 (包括实部和虚部),响应的幅度 (线性幅度或对数幅度) 是最常见的显示方式。在带通模式下,窗口设置在起始频率和终止频率的中心,IFT 的应用范围是从 -1/2 频率跨度到 +1/2 频率跨度。这样就把两侧的数据都包括在窗口之内,从而增加了冲激宽度并减小了有效带宽。这种以矢量网络分析仪的中心频率为中心的响应产生了一种让正常的时域响应与 "调制" 函数相乘的效果,因而在正常响应的顶部产生了正弦波形。这在带通工作模式测试结果的实部或虚部格式中十分明显,但在对数幅度或线性幅度格式中则不存在。相比之下,在低通模式中,窗函数应用的中心或数据集的第一个数据是在直流部分。因此,与低通模式相比,对于相同的频率跨度和测试数据的点数,带通模式具有两倍的冲激宽度,这可能让间隔比较近的响应变得模糊不清。

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