矢量网络分析仪的时域功能在微波开关故障排除上的应用

陈 研

（中国电子科技集团公司第五十一研究所 上海　201802）

矢量网络分析仪的时域功能在微波开关故障排除上的应用

陈 研

（中国电子科技集团公司第五十一研究所 上海201802）

为了排除微波开关故障，分析并利用矢量网络分析仪的时域测试功能，测试微波开关在不同状态下低通冲击响应，解决了微波开关故障排除中只能靠直流状态及频域测试而无法迅速精确定位的难题。

矢量网络分析仪；时域测试；冲击响应；故障定位

矢量网络分析仪（以下简称矢网）的时域测试功能是模拟时域反射测试（TDR）的一种测试方式，与频域响应测试不同，时域测试反映的是被测件在时域的响应，因此可以准确的判断传输线的阻抗不连续的位置及其容性和感性。而且，矢量网络分析仪的时域测量功能又有以下几个特点：

1）分为低通冲击响应、阶跃响应和带通冲击响应3种工作模式，测试灵活性较TDR更高；

2）可以在指定频段内扫描，适合带宽限制的被测件（如滤波器和隔直器）的测量；

3）矢网的窄带接收机可以测到更微弱的信号，提高测量的动态范围。

时域功能测试对被测件的要求是线性时不变网络，互易网络。文中简要介绍矢网时域测量原理，并以微波开关为例，介绍矢网时域功能在微波开关故障排除上应用实例。

1　矢网时域测量原理介绍

1.1原理

矢网［1-2］测试S11时，通过一端口入射波a和反射波b的比值得出，即S11=b/a，通过等步进频率的扫描，得到整个频段内S11，即S11（freq）。S11是一个复数，通常表示为幅度和相位。对S11（freq）进行逆傅里叶变换，得到S11（t）。将S11（t）与冲击函数或阶跃函数进行卷积，得到端口反射的冲击响应和阶跃响应。S22（t）及网络传输的冲击响应和阶跃响应S21 （t）求结过程类似。不同的电路状态下，其冲击响应和阶跃响应如图 1所示［3］，最典型的时域响应就是电路在开路和短路状态下的冲击响应，分别为正向窄脉冲和负向窄脉冲。

图1　电路在不同状态下的时域响应

1.2低通模式

低通测量能够提供阶跃和冲击两种激励方式。在这种模式下，测量结果不但描述了阻抗不连续点所在的位置，而且可以表示出阻抗变化的类型。低通模式下的时域响应是纯实数，因此将显示格式设为Real能更直观的观察测量结果。

低通模式下，根据傅里叶变换的特点，要求包含被测件的直流响应，矢网并不能直接测量直流响应，因此需要外插直流项S11（0）。假设矢网的测量结果是一个固定频率步长Δf，频率点数为N的复数谱

［S11（0），S11（Δf）…S11（（N-1）Δf）］

时域响应是是实数，对应频域信号实部是偶函数，虚部是奇函数，将S11扩展到负频率轴上为点数M=2N-1的复数谱

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

进行逆傅里叶变换后，得到M个点的时域响应，对应得时域序列只包含实部。设N=5，则M=9，对应的频域幅度谱、相位谱如图2（a）、图2（b）所示，时域响应如图2（c）所示。其中F=（M-1）×Δf。

图2　N=5的S11频域响应及时域响应

1.3最长距离

频域的离散性Δf对应时域的周期性T，时域的周期性又对应了最长不模糊距离L，即

其中c0是光速，c0=2.997×108m/s，k是速度因子

如果是测试反射参数S11（S22），路径往返，最大测量距离需要l减半，

1.4距离分辨率

时域的时间间隔Δt对应频域的频谱宽度F，对上式进行求导，得

其中Δl表示最小距离分辨率。

1.5带通模式

带通模式［4］不再要求测试频率从直流开始，频率点也不具有谐波相关性，比较适用在一定带宽内工作的器件，如滤波器。带通模式只有冲击响应，不能显示的不连续点是感性还是容性，且在同样的点数和频谱宽度的情况下，比低通冲击响应脉宽宽一倍。带通模式，频域响应复数谱不是共轭对称，因此时域响应显示格式为Mag方式更为方便。

1.6窗函数

时域有限信号，对应频谱无穷宽。但是矢网受工作带宽限制，测量频率范围是有限的。测量样本的截取会造成在测试频率的起点和终点处产生很陡峭的突变，这会导致在时域中产生振铃效应。振铃产生很高的旁瓣，有时会淹没其他信号，并降低测量的动态范围。解决办法就是在进行时域变换之前，对频域测试样本加窗函数。窗函数可以有效降低旁瓣的幅度，但是却是以牺牲主瓣宽度为代价的。

1.7门函数

门函数在时域测试中是比较有用的，利用门的特性，可以在时域测试时将不希望的响应排除在门外，好像这部分响应不存在。这样再转换到频域进行测试时，看到的幅频曲线也是不包含门外部分响应的。这样就可以得到不受连接器或者适配器等外部器件影响的被测件特性。

2　判断开关故障应用实例

PIN开关射频电路原理图［5-8］如图 3所示。

图3　开关原理图

该开关的故障现象为，常温指标正常，+55℃高温工作下，导通插损增大，输入输出驻波恶化。造成该现象的原因很多，如电容C1，C2，C3或串联PIN管V1开路等，详见图 4开关故障树。仅通过开关频域的响应，很难定位故障原因。PIN开关属于线性时不变网络，符合时域分析条件。测试所用矢网为Keysight N5244A，工作频率43.5 GHz，根据公式3，距离分辨率为2.3 mm，实际显示时，矢网采用了内插值方式，显示时域时间间隔为1 ps，对应距离分辨率为0.1 mm，满足故障排查精度要求。

开关电路总长度不超过50 mm，根据公式2，计算T等于0.5 ns，考虑到两侧接头，取T等于1 ns。首先，将开关的SMA接头做去嵌入，将矢网的port2端口与开关所用的SMA接头连接，并保持SMA接头悬空（开路）。得到一个反射峰，峰值所在的marker2位置，即开关传输线起始的位置33.51 mm，如图 5所示。将正常的一路开关，在不加电状态下，接入矢网port2，S22时域图像上的正向反射峰 marker5位置，距离55.45 mm，对应图1开关原理图中V1器件。这是由于开关在无任何偏置电压状态下，串联PIN管等效于很小的电容，对于射频来说是开路，所以是一个正向的峰，距离输入端口为20 mm，刚好与实物吻合。

图4　开关故障树

图5　正常开关不加电状态时域测试曲线

将开关置于关断状态，最靠近端口的PIN管芯V5属于导通状态，引起射频信号的对地短路，因此在marker3位置产生一个短路的负向峰值，如图 6所示。

图6　正常开关关断状态时域测试曲线

将开关故障支路接入矢网port2，在关断状态下其S22的时域图像与图 6正常支路无异，但是在导通状态下的S22的时域图像，有一个很明显的反射峰，如图7所示。故障点是一个开路故障，位置是marker4，距离开关输出端口距离为10.15 mm。与实物比对，故障位置发生在耦合电容C2和并联PIN管V4之间。对故障点局部在高倍显微镜下目检，发现耦合电容C2与并联PIN管V4之间的传输线上有裂纹，在高温下介质膨胀，导致开路故障。

图7　故障开关的导通状态下时域测试曲线

3　结束语

矢网频域测量反射参数时，只能表征被测件中若干个不同来源的反射到达测试端口时互相叠加的总效果，而它们叠加时的相位关系又随信号频率的不同有显著改变。因此，仅测出一个或几个频率上总反射的大小和相位，不足以达到分析几个不同反射点的目的。而时域反射测量，不仅可以测出一个反射的大小，还能确定不连续点的位置，特别是被测件中包含多个不连续点时，还能分辨出它们之间的距离和大小，这对于改善和消除各项反射根源有很大帮助。

［1］许纯卿，段飞.矢量网络分析仪的时域测量［J］.科技信息，2011（11）：463，843.

［2］孙新莉.矢量网络分析仪的时域功能在测量中的应用［J］.计量技术，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 黎安尧.Semiconductor Control［M］.北京：科学出版社，1983.

［6］Jbahl，I.Bhartia P原著.顾墨琳等，译．微波固态电路设计［M］．南京：南京信息产业部第十四研究所，1992.

［7］Reinhold Ludwig，Pavel Bretchko原著；王子宇等译．射频电路设计-理论与应用［M］．北京：电子工业出版社，2002.

［8］顾其诤．微波集成电路设计［M］．北京：人民邮电出版社，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稿件编号：201511042

陈研，（1983—），男，江苏无锡人，工程师。研究方向：微波接收机，微波系统集成。