矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的時域功能在微波開關(guān)故障排除上的應(yīng)用

陳 研

（中國電子科技集團公司第五十一研究所 上海　201802）

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的時域功能在微波開關(guān)故障排除上的應(yīng)用

陳 研

（中國電子科技集團公司第五十一研究所 上海201802）

為了排除微波開關(guān)故障，分析并利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的時域測試功能，測試微波開關(guān)在不同狀態(tài)下低通沖擊響應(yīng)，解決了微波開關(guān)故障排除中只能靠直流狀態(tài)及頻域測試而無法迅速精確定位的難題。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀；時域測試；沖擊響應(yīng)；故障定位

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（以下簡稱矢網(wǎng)）的時域測試功能是模擬時域反射測試（TDR）的一種測試方式，與頻域響應(yīng)測試不同，時域測試反映的是被測件在時域的響應(yīng)，因此可以準確的判斷傳輸線的阻抗不連續(xù)的位置及其容性和感性。而且，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的時域測量功能又有以下幾個特點：

1）分為低通沖擊響應(yīng)、階躍響應(yīng)和帶通沖擊響應(yīng)3種工作模式，測試靈活性較TDR更高；

2）可以在指定頻段內(nèi)掃描，適合帶寬限制的被測件（如濾波器和隔直器）的測量；

3）矢網(wǎng)的窄帶接收機可以測到更微弱的信號，提高測量的動態(tài)范圍。

時域功能測試對被測件的要求是線性時不變網(wǎng)絡(luò)，互易網(wǎng)絡(luò)。文中簡要介紹矢網(wǎng)時域測量原理，并以微波開關(guān)為例，介紹矢網(wǎng)時域功能在微波開關(guān)故障排除上應(yīng)用實例。

1　矢網(wǎng)時域測量原理介紹

1.1原理

矢網(wǎng)［1-2］測試S11時，通過一端口入射波a和反射波b的比值得出，即S11=b/a，通過等步進頻率的掃描，得到整個頻段內(nèi)S11，即S11（freq）。S11是一個復(fù)數(shù)，通常表示為幅度和相位。對S11（freq）進行逆傅里葉變換，得到S11（t）。將S11（t）與沖擊函數(shù)或階躍函數(shù)進行卷積，得到端口反射的沖擊響應(yīng)和階躍響應(yīng)。S22（t）及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臎_擊響應(yīng)和階躍響應(yīng)S21 （t）求結(jié)過程類似。不同的電路狀態(tài)下，其沖擊響應(yīng)和階躍響應(yīng)如圖 1所示［3］，最典型的時域響應(yīng)就是電路在開路和短路狀態(tài)下的沖擊響應(yīng)，分別為正向窄脈沖和負向窄脈沖。

圖1　電路在不同狀態(tài)下的時域響應(yīng)

1.2低通模式

低通測量能夠提供階躍和沖擊兩種激勵方式。在這種模式下，測量結(jié)果不但描述了阻抗不連續(xù)點所在的位置，而且可以表示出阻抗變化的類型。低通模式下的時域響應(yīng)是純實數(shù)，因此將顯示格式設(shè)為Real能更直觀的觀察測量結(jié)果。

低通模式下，根據(jù)傅里葉變換的特點，要求包含被測件的直流響應(yīng)，矢網(wǎng)并不能直接測量直流響應(yīng)，因此需要外插直流項S11（0）。假設(shè)矢網(wǎng)的測量結(jié)果是一個固定頻率步長Δf，頻率點數(shù)為N的復(fù)數(shù)譜

［S11（0），S11（Δf）…S11（（N-1）Δf）］

時域響應(yīng)是是實數(shù)，對應(yīng)頻域信號實部是偶函數(shù)，虛部是奇函數(shù)，將S11擴展到負頻率軸上為點數(shù)M=2N-1的復(fù)數(shù)譜

［S11*（N-1）Δf）…S11*（Δf），S11（Δf），S11（0），S11（Δf）…S11（（N-1）Δf）］

進行逆傅里葉變換后，得到M個點的時域響應(yīng)，對應(yīng)得時域序列只包含實部。設(shè)N=5，則M=9，對應(yīng)的頻域幅度譜、相位譜如圖2（a）、圖2（b）所示，時域響應(yīng)如圖2（c）所示。其中F=（M-1）×Δf。

圖2　N=5的S11頻域響應(yīng)及時域響應(yīng)

1.3最長距離

頻域的離散性Δf對應(yīng)時域的周期性T，時域的周期性又對應(yīng)了最長不模糊距離L，即

其中c0是光速，c0=2.997×108m/s，k是速度因子

如果是測試反射參數(shù)S11（S22），路徑往返，最大測量距離需要l減半，

1.4距離分辨率

時域的時間間隔Δt對應(yīng)頻域的頻譜寬度F，對上式進行求導(dǎo)，得

其中Δl表示最小距離分辨率。

1.5帶通模式

帶通模式［4］不再要求測試頻率從直流開始，頻率點也不具有諧波相關(guān)性，比較適用在一定帶寬內(nèi)工作的器件，如濾波器。帶通模式只有沖擊響應(yīng)，不能顯示的不連續(xù)點是感性還是容性，且在同樣的點數(shù)和頻譜寬度的情況下，比低通沖擊響應(yīng)脈寬寬一倍。帶通模式，頻域響應(yīng)復(fù)數(shù)譜不是共軛對稱，因此時域響應(yīng)顯示格式為Mag方式更為方便。

1.6窗函數(shù)

時域有限信號，對應(yīng)頻譜無窮寬。但是矢網(wǎng)受工作帶寬限制，測量頻率范圍是有限的。測量樣本的截取會造成在測試頻率的起點和終點處產(chǎn)生很陡峭的突變，這會導(dǎo)致在時域中產(chǎn)生振鈴效應(yīng)。振鈴產(chǎn)生很高的旁瓣，有時會淹沒其他信號，并降低測量的動態(tài)范圍。解決辦法就是在進行時域變換之前，對頻域測試樣本加窗函數(shù)。窗函數(shù)可以有效降低旁瓣的幅度，但是卻是以犧牲主瓣寬度為代價的。

1.7門函數(shù)

門函數(shù)在時域測試中是比較有用的，利用門的特性，可以在時域測試時將不希望的響應(yīng)排除在門外，好像這部分響應(yīng)不存在。這樣再轉(zhuǎn)換到頻域進行測試時，看到的幅頻曲線也是不包含門外部分響應(yīng)的。這樣就可以得到不受連接器或者適配器等外部器件影響的被測件特性。

2　判斷開關(guān)故障應(yīng)用實例

PIN開關(guān)射頻電路原理圖［5-8］如圖 3所示。

圖3　開關(guān)原理圖

該開關(guān)的故障現(xiàn)象為，常溫指標正常，+55℃高溫工作下，導(dǎo)通插損增大，輸入輸出駐波惡化。造成該現(xiàn)象的原因很多，如電容C1，C2，C3或串聯(lián)PIN管V1開路等，詳見圖 4開關(guān)故障樹。僅通過開關(guān)頻域的響應(yīng)，很難定位故障原因。PIN開關(guān)屬于線性時不變網(wǎng)絡(luò)，符合時域分析條件。測試所用矢網(wǎng)為Keysight N5244A，工作頻率43.5 GHz，根據(jù)公式3，距離分辨率為2.3 mm，實際顯示時，矢網(wǎng)采用了內(nèi)插值方式，顯示時域時間間隔為1 ps，對應(yīng)距離分辨率為0.1 mm，滿足故障排查精度要求。

開關(guān)電路總長度不超過50 mm，根據(jù)公式2，計算T等于0.5 ns，考慮到兩側(cè)接頭，取T等于1 ns。首先，將開關(guān)的SMA接頭做去嵌入，將矢網(wǎng)的port2端口與開關(guān)所用的SMA接頭連接，并保持SMA接頭懸空（開路）。得到一個反射峰，峰值所在的marker2位置，即開關(guān)傳輸線起始的位置33.51 mm，如圖 5所示。將正常的一路開關(guān)，在不加電狀態(tài)下，接入矢網(wǎng)port2，S22時域圖像上的正向反射峰 marker5位置，距離55.45 mm，對應(yīng)圖1開關(guān)原理圖中V1器件。這是由于開關(guān)在無任何偏置電壓狀態(tài)下，串聯(lián)PIN管等效于很小的電容，對于射頻來說是開路，所以是一個正向的峰，距離輸入端口為20 mm，剛好與實物吻合。

圖4　開關(guān)故障樹

圖5　正常開關(guān)不加電狀態(tài)時域測試曲線

將開關(guān)置于關(guān)斷狀態(tài)，最靠近端口的PIN管芯V5屬于導(dǎo)通狀態(tài)，引起射頻信號的對地短路，因此在marker3位置產(chǎn)生一個短路的負向峰值，如圖 6所示。

圖6　正常開關(guān)關(guān)斷狀態(tài)時域測試曲線

將開關(guān)故障支路接入矢網(wǎng)port2，在關(guān)斷狀態(tài)下其S22的時域圖像與圖 6正常支路無異，但是在導(dǎo)通狀態(tài)下的S22的時域圖像，有一個很明顯的反射峰，如圖7所示。故障點是一個開路故障，位置是marker4，距離開關(guān)輸出端口距離為10.15 mm。與實物比對，故障位置發(fā)生在耦合電容C2和并聯(lián)PIN管V4之間。對故障點局部在高倍顯微鏡下目檢，發(fā)現(xiàn)耦合電容C2與并聯(lián)PIN管V4之間的傳輸線上有裂紋，在高溫下介質(zhì)膨脹，導(dǎo)致開路故障。

圖7　故障開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)下時域測試曲線

3　結(jié)束語

矢網(wǎng)頻域測量反射參數(shù)時，只能表征被測件中若干個不同來源的反射到達測試端口時互相疊加的總效果，而它們疊加時的相位關(guān)系又隨信號頻率的不同有顯著改變。因此，僅測出一個或幾個頻率上總反射的大小和相位，不足以達到分析幾個不同反射點的目的。而時域反射測量，不僅可以測出一個反射的大小，還能確定不連續(xù)點的位置，特別是被測件中包含多個不連續(xù)點時，還能分辨出它們之間的距離和大小，這對于改善和消除各項反射根源有很大幫助。

［1］許純卿，段飛.矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的時域測量［J］.科技信息，2011（11）：463，843.

［2］孫新莉.矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的時域功能在測量中的應(yīng)用［J］.計量技術(shù)，2004（3）：21-23.

［3］Keysignt.PNA series network analyer help［M］.Keysignt.2014.

［4］Network Analysis Solutions Advanced Filter Tuning Using Time Domain Transforms［M］.Keysight，2001.

［5］White J F，王晦光 黎安堯.Semiconductor Control［M］.北京：科學(xué)出版社，1983.

［6］Jbahl，I.Bhartia P原著.顧墨琳等，譯．微波固態(tài)電路設(shè)計［M］．南京：南京信息產(chǎn)業(yè)部第十四研究所，1992.

［7］Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko原著；王子宇等譯．射頻電路設(shè)計-理論與應(yīng)用［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2002.

［8］顧其諍．微波集成電路設(shè)計［M］．北京：人民郵電出版社，1978.

Use the time-domain feature of vector network analyzer on microwave switch trouble shooting

CHEN Yan
（The 51st Institude of CETC，Shanghai 201802，China）

In order to eliminate the failure of microwave switch，to analyse and use the function of time-domain of Vector Network Analyzer，to test microwave switch low-pass impulse response in different condition，to solve the problems of microwave switch troubleshooting can only rely on DC test and frequence-domain.

vector network analyzer；time-domain；impulse response；troubleshooting

TN606

A

1674－6236（2016）09-0119-03

2015-11-04稿件編號：201511042

陳研，（1983—），男，江蘇無錫人，工程師。研究方向：微波接收機，微波系統(tǒng)集成。