如何有效提高矢量网络分析仪的动态范围

news2024/11/15 7:24:48

动态范围是网络分析仪（VNA）接收机的最大输入功率与最小可测量功率（本底噪声）之间的差值，如图所示，要使测量有效，输入信号必须在这些边界内。

如果需要测量信号幅度非常大的变化，例如，滤波器带通和抑制，那么增加动态范围非常重要，此时，网络分析仪的动态范围应大于 DUT 表现出的动态响应。例如，当 DUT 响应至少比本底噪声高 10 dB 时，测量精度会提高。

以下方法可用于增加网络分析仪的动态范围：

1. 增加设备输入功率，以便分析仪可以更准确地检测和测量 DUT 输出功率，但是，功率过大会损坏分析仪接收器或导致信号失真，鉴于分析仪昂贵的购买价格和维修成本，需谨慎使用该功能；

2. 降低接收机本底噪声，可以使用以下技术来降低本底噪声，进而增加分析仪的动态范围：

1）使用扫描平均函数--Sweep Averaging

为了进行平均，VNA使用所谓的“扫描到扫描”平均，因为每个数据点都是根据由用户指定的平均因子加权的连续扫描的指数平均来计算的，每个新的扫描都被平均到轨迹中，直到扫描的总次数等于一个完全平均跟踪的平均因子，跟踪上的每个点都是当前跟踪数据和来自前一次扫描的数据的向量和（参考自文献[1]），由于该算法是一个深入的数学问题，已经超出了本文讨论的范畴，暂不赘述。

平均函数法使用的特点是：一个高的平均因子可以给出最好的信噪比，但增加了VNA测量数据所需的扫描时间；

2）降低中频滤波器带宽--IF Bandwidth（IFBW）

中频带宽(IFBW)是指网络分析仪接收机内部中频滤波器的带宽，是一种数字实现的可变滤波器。设置的IFBW越宽，进入接收机的噪声越多，底噪越高，动态范围（最大端口输出功率和噪底之差）越小，测量轨迹噪声也越大；而设置较窄的IFBW可以改善底噪，动态范围和轨迹噪声，但是扫描速度也会变慢，这是因为滤波器带宽越窄，实现它需要的阶数越高，采样点数就越多，VNA测试速度就越慢。

设置IFBW总的原则是在保证测量所需的动态范围和迹线噪声的情况下，尽可能使用较宽的IFBW，因为，窄的中频带宽同样导致了VNA扫描时间变长。

综上所述，不论是扫描平均法，还是降低中频带宽，其设值的宗旨都是在测试精度和速度之间进行折衷，那么究竟该如何进行选择呢？

给出的参考如下：

根据文献[2]中的描述，大多数VNA中可用的平均函数，平均因子每增加2倍，信噪比就提高3个dB，而中频带宽每降低10倍，本底噪声就降低约10 dB，但其提供的实验数据也表明，如果网络分析仪处于快速扫描模式，使用中频带宽降低来获得增加的动态范围在对测量速度的影响方面比平均法更小，而在慢扫描模式下，这两种方法对测量速度的影响本质上是相同的，总体而言，降低IFBW会比平均函数法在使用上更具有优势。

并且，根据文献[3]中的案例分析数据，我们发现，绝大多数测量场景下，1 kHz的IFBW是较好的折衷方案，除非DUT对测试提出了明确的更高要求，比如1000BASE-T1的Mode Conversion测试，就明确要求IFBW为100Hz，主要原因，就是其最小限制达到了-55dB，比常规的其它测试项对于底噪的要求也就更高。