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如何改善網(wǎng)絡(luò)分析的動(dòng)態(tài)范圍？
表征多種類型的微波設(shè)備時(shí)，實(shí)現(xiàn)盡可能高的網(wǎng)絡(luò)分析儀動(dòng)態(tài)范圍極為重要，在某些情況下，這是確定測量性能的關(guān)鍵因素。要從網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)獲得大的動(dòng)態(tài)范圍，了解動(dòng)態(tài)范圍的本質(zhì)和哪些方法可用于增加動(dòng)態(tài)范圍非常重要。有了這些知識，設(shè)計(jì)人員可以選擇合適的方法獲得結(jié)果，并且把對其他參數(shù)的影響降到小，比如測量速度等。
定義動(dòng)態(tài)范圍
網(wǎng)絡(luò)分析儀的動(dòng)態(tài)范圍本質(zhì)上是系統(tǒng)可以測量的功率范圍，具體為：
–P大值：表示在測量過程中系統(tǒng)發(fā)生不可接受的誤差之前可以測量的輸入功率電平，通常由網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機(jī)的壓縮技術(shù)指標(biāo)來確定。
–P參考值：表示測試端口處、來自網(wǎng)絡(luò)分析儀信號源的標(biāo)稱功率。
–P小值：表示系統(tǒng)可以測量（其靈敏度）的小輸入功率電平，它取決于接收機(jī)的本底噪聲。P小值取決于IF帶寬、平均值和測試配置。
動(dòng)態(tài)范圍的兩個(gè)常用定義是：
–接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍=P大值–P小值
–系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍=P參考值–P小值
圖1.動(dòng)態(tài)范圍定義。
可獲得的動(dòng)態(tài)范圍取決于測量應(yīng)用，如圖1所示。
–系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍：無需放大即可實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)范圍，例如測量衰減器和濾波器等無源元件時(shí)。
–接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍：如果把接收機(jī)看作是一個(gè)系統(tǒng)，那么它就是這個(gè)系統(tǒng)的真實(shí)動(dòng)態(tài)范圍。要實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的全動(dòng)態(tài)范圍，可能需要用到放大器。這可以是被測器件或者是添加到測量系統(tǒng)的外部放大器。
本底噪聲定義
接收機(jī)的本底噪聲是一項(xiàng)重要的網(wǎng)絡(luò)分析儀技術(shù)指標(biāo)，它有助于確定接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍。不幸的是，“本底噪聲”并不是一個(gè)定義明確的術(shù)語，多年以來已經(jīng)有了許多種不同的定義方式。
圖2.各種本底噪聲定義
圖2通過實(shí)驗(yàn)，對比示出了一些常見的本底噪聲的定義。在本實(shí)驗(yàn)中，我們模擬了噪聲功率為-100dBm的高斯隨機(jī)噪聲，并使用四個(gè)定義進(jìn)行了計(jì)算：
–圖中實(shí)線表示噪聲的RMS值，它等于-100dBm的噪聲功率。
–虛線（-101dBm）是噪聲線性幅度的平均值，轉(zhuǎn)換為dBm。
–點(diǎn)線（-102.4dBm）是噪聲對數(shù)幅度的平均值。
–點(diǎn)劃線（-92.8dBm）是噪聲線性幅度的平均值與其三倍標(biāo)準(zhǔn)偏差之和，轉(zhuǎn)換為dBm。
是德科技的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA），如PNA網(wǎng)絡(luò)分析儀或ENA網(wǎng)絡(luò)分析儀系列都是使用RMS值定義接收機(jī)的本底噪聲。這是一個(gè)常用定義，很易于理解，因?yàn)樗墙邮諜C(jī)的等效輸入噪聲功率。
改善動(dòng)態(tài)范圍
在某些測量情況下需要提高網(wǎng)絡(luò)分析儀的動(dòng)態(tài)范圍，使其超過使用默認(rèn)設(shè)置時(shí)獲得的電平。本底噪聲決定了儀器可以測量的小功率電平，從而限制了它的動(dòng)態(tài)范圍。使用平均值或降低系統(tǒng)IF帶寬（IFBW）可以改善本底噪聲。
平滑處理法（Smoothing）是另一種常被認(rèn)為類似于平均值和IFBW調(diào)整的技術(shù)，但它不會(huì)降低本底噪聲。平滑處理法是對格式化數(shù)據(jù)的鄰點(diǎn)進(jìn)行平均，類似于視頻過濾。跡線到跡線（或掃描到掃描）取平均值時(shí)，針對的是預(yù)先格式化的矢量數(shù)據(jù)，因此它實(shí)際上會(huì)降低噪聲功率。這種關(guān)鍵差異導(dǎo)致平滑處理時(shí)無法降低本底噪聲，盡管它確實(shí)在跡線上減少了噪聲峰峰值的微小變化。
平均值
是德科技的VNA和許多其他網(wǎng)絡(luò)分析儀通過對每次掃描的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行指數(shù)加權(quán)平均來執(zhí)行掃描到掃描平均。對數(shù)據(jù)集內(nèi)的樣本進(jìn)行指數(shù)加權(quán)，即使在達(dá)到所需的平均因子之后，也可以在不終止的情況下進(jìn)行平均。對復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行平均就意味著數(shù)據(jù)是矢量平均的。
許多信號分析儀使用標(biāo)量平均，這只會(huì)減少噪聲的方差，不會(huì)影響平均噪聲電平。在矢量意義上進(jìn)行平均時(shí)，如果包含相干信號和無關(guān)噪聲的跡線，噪聲分量將接近于零，所得到的跡線將顯示具有較少噪聲的期望信號。在網(wǎng)絡(luò)分析儀顯示器上以對數(shù)幅度格式觀察時(shí)，可以清楚地看出平均噪聲電平降低并且改善了動(dòng)態(tài)范圍。
使用大多數(shù)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中提供的平均功能，平均值每增加2倍，信噪比改善3dB。這是降低本底噪聲的有效方法。但是，它也會(huì)降低測量速度，因?yàn)樵诒仨毱骄鶅蓷l跡線時(shí)，測量時(shí)間會(huì)加倍。
平均法只能用于比例測量，不適用于使用單個(gè)接收機(jī)信道進(jìn)行的測量。非比例測量不允許進(jìn)行平均，因?yàn)樵诖四Ｊ较孪辔皇请S機(jī)的，平均法（在復(fù)雜域中執(zhí)行）將始終會(huì)導(dǎo)致結(jié)果接近于零。
減少中頻帶寬
系統(tǒng)的中頻帶寬可以通過前面板或遠(yuǎn)程編程進(jìn)行更改，其值將影響對分析儀接收機(jī)中收集的數(shù)據(jù)執(zhí)行的數(shù)字濾波。降低中頻帶寬會(huì)濾除數(shù)字濾波器帶寬之外的噪聲，從而降低本底噪聲。
分析儀接收機(jī)鏈中的低電平噪聲是由電阻電子的熱騷動(dòng)引起的熱噪聲造成的。因此，它與帶寬成正比。熱噪聲電壓的均方值由下式給出：
其中
k是玻爾茲曼常數(shù)（1.38e-23焦耳/開爾文）
T是溫度，單位為開爾文
R是電阻分量，單位為歐姆
B是帶寬，單位為赫茲
傳遞給復(fù)共軛負(fù)載的噪聲功率為
這就是為人熟知的噪聲功率“kTB”關(guān)系2。
噪聲本質(zhì)上是隨機(jī)且被認(rèn)為是不確定的，因?yàn)樗怯尚∈录募弦鸬模尸F(xiàn)出高斯概率分布（可以通過中心極限定理3證明）。
圖3.RMS本底噪聲與中頻帶寬（n=801pts）
對本底噪聲和中頻帶寬之間關(guān)系的高度
自信使得可以通過降低中頻帶寬來準(zhǔn)確計(jì)算本底噪聲降低值。有一項(xiàng)實(shí)證研究使用了是德科技的PNA網(wǎng)絡(luò)分析儀，其中RMS噪聲電平是在5個(gè)不同的CW頻率（1、3、5、7和9GHz）下測量的。掃描中有801個(gè)點(diǎn)，中頻帶寬設(shè)置為1Hz、10Hz、100Hz、1kHz和10kHz。在測試端口沒有信號的情況下測量了PNA的本底噪聲。在圖3中，觀察到的本底噪聲與中頻帶寬之間的關(guān)系表明PNA的RMS本底噪聲非常接近理論預(yù)期。與理論值的偏差可以忽略不計(jì)。
與平均操作一樣，以降低中頻帶寬的方式降低本底噪聲會(huì)也會(huì)減慢測量速度。雖然可以預(yù)期中頻帶寬降低10倍會(huì)使本底噪聲降低10dB，同時(shí)導(dǎo)致測量時(shí)間增加10倍，但這并非總是如此，因?yàn)樵诓煌闹蓄l帶寬中，數(shù)字濾波器的網(wǎng)絡(luò)分析儀形狀可能不同。例如，對是德科技的VNA而言，中頻帶寬減少10倍因子，掃描時(shí)間的增加值少于10倍因子。這意味著為了實(shí)現(xiàn)相同的本底噪聲降低，降低中頻帶寬對測量速度的影響低于平均法。
選擇方法
為了降低本底噪聲，可以提高平均值或降低中頻帶寬。如果測量速度不是重要的考慮因素，那么任何一種方法都同樣有效。獲取和處理跡線數(shù)據(jù)（稱為循環(huán)時(shí)間）所需的時(shí)間不僅包括掃描時(shí)間，還包括回掃時(shí)間、帶交叉時(shí)間和顯示更新時(shí)間。
由于平均法需要多條跡線并每次都更新顯示，因此執(zhí)行平均法通常比降低中頻帶寬需要更長的時(shí)間，特別是需要多次平均時(shí)。切記，影響測量時(shí)間的大部分差異是由對各種中頻帶寬執(zhí)行的數(shù)字濾波引起的。這種效應(yīng)在循環(huán)時(shí)間的掃描時(shí)間分量中體現(xiàn)出來，因此為了確定兩種噪聲降低方法對測量時(shí)間的影響，僅考慮掃描時(shí)間是合適的。
以10kHz中頻帶寬的PNA系列為例。如果在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)需要改善10dB，則可以通過平均10次掃描或?qū)⒅蓄l帶寬設(shè)置為1kHz來實(shí)現(xiàn)。表1顯示了為改善10或20dB的動(dòng)態(tài)范圍而采用的兩種方法對掃描時(shí)間的影響。
此示例采用了相當(dāng)快的中頻帶寬，并且表明在嘗試改善動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，降低中頻帶寬比執(zhí)行平均法更有優(yōu)勢。但是，現(xiàn)在考慮一下較慢的掃描模式（即較低的中頻帶寬）。如果PNA設(shè)置為100Hz的中頻帶寬并且需要降低10dB的本底噪聲，則可以應(yīng)用10次平均，或?qū)⒅蓄l帶寬降低到10Hz。表2顯示了對掃描時(shí)間的影響。
周期時(shí)間的增加與掃描時(shí)間的增加緊密相關(guān)，如果網(wǎng)絡(luò)分析儀處于快速掃描模式，則通過降低中頻帶寬獲得動(dòng)態(tài)范圍的改善對測量速度的影響明顯優(yōu)于執(zhí)行平均法。對于慢掃描模式，兩種方法對測量速度的影響基本相同。
決定在給定測量應(yīng)用中改善動(dòng)態(tài)范圍的方法時(shí)，還可以考慮其他因素。通過平均法降低本底噪聲可讓用戶在進(jìn)行平均時(shí)觀察PNA屏幕上的跡線，一些設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)這些跡線很有用。降低中頻帶寬適用于比例和非比例測量（不同于僅適用于比例模式的平均法），這可能是某些情況下的決定因素。
PNA和ENA系列矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀均可提供大量中頻帶寬供選擇，這使設(shè)計(jì)人員可以靈活選擇期望的本底噪聲降低值，同時(shí)盡可能避免降低測量速度。在許多情況下，通過平均法和調(diào)整中頻帶寬都可以增加動(dòng)態(tài)范圍。
動(dòng)態(tài)范圍、分段掃描和可配置的測試
設(shè)置
對于速度和寬動(dòng)態(tài)范圍都必須優(yōu)化的應(yīng)用，是德科技矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀提供的分段掃描功能非常有用。測量濾波器要同時(shí)表征高功率電平的通帶和極低功率電平的抑制頻帶時(shí)，此功能非常有用。分段掃描允許用戶將頻率掃描分成多個(gè)頻段，每個(gè)頻段都有自己的起始頻率、中頻帶寬、功率電平和點(diǎn)數(shù)。測量濾波器時(shí)，只要高電平跡線噪聲保持足夠小，通帶中的中頻帶寬就可以設(shè)置得更寬，以實(shí)現(xiàn)快速掃描速率。
抑制頻帶中的本底噪聲對測量誤差有顯著影響，因此中頻帶寬可以設(shè)置得足夠低，以實(shí)現(xiàn)期望的平均噪聲水平降低。為了進(jìn)一步提高分析儀的動(dòng)態(tài)范圍，可以將分段掃描與重新配置測試結(jié)合起來（圖4）。反轉(zhuǎn)接收測試端口中的定向耦合器，可以實(shí)現(xiàn)12至15dB的動(dòng)態(tài)范圍增加。
圖4.重新配置測試集以進(jìn)一步增加分析儀的動(dòng)態(tài)范圍。
總結(jié)
網(wǎng)絡(luò)分析儀動(dòng)態(tài)范圍是許多測量情況下關(guān)鍵的參數(shù)，可以通過平均法或降低中頻帶寬來降低本底噪聲。然而，每種方法都有決定其在某些情況下適用性的缺點(diǎn)，并且對測量速度具有各自的影響。除了這兩種方法以外，還可以通過使用分段掃描功能，以及可配置的測試集進(jìn)一步改善動(dòng)態(tài)范圍，并且保持測量速度。
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