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光纤长延时器件的特点与应用
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延时器件
网络分析仪
网络分析仪系统结构
光纤长延时器件的特点与应用
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（4）
曹光辉
2020-12-22 14:10:24
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辛太励
2020-12-22 14:11:02
网络分析仪系统结构
要想获取高精度的
测量
结果，必须非常清楚地理解网络分析仪的系统结构。安捷伦矢量网络分析仪VNA的系统结构如图1所示。
图1 VNA网络分析仪的结构图
前向测量时，B为
测试
接收机，A为反射接收机，R1为参考接收机;反向测量时，A为测试接收机，B为反射接收机，R2为参考接收机。
四个S参数定义如下：
前向：S11=A/R1 S21=B/R1 反向：S22=B/R2 S12=A/R2
对于长延时器件常常需要测量其衰减和电延时，电延时是相位相关的，即测量S21的幅度信息和相位信息，因此我们只需要关心B接收机和R1接收机。
长延时器件S21的幅度测量时问题分析以及解决方案
长延时器件测量连接如图2所示。
图2 测试连接
当测量S21的幅度时，幅度相应看起来非常低，甚至会有一些跳变。此时，如果你增加扫描时间，你会发现测试结果会变得准确一些。很显然，问题是由于网络分析仪扫描速度太快导致，但是为什么快的扫描速度会引起较差的测试结果？
[color=#333333 !important]
我们测量长延时器件的S21时，VNA的扫描类型是线性频率扫描，也就是频率随着时间扫描，因此被测件（DUT）的时延会引起输出频率对输入频率有一个频率偏移，频率偏移是由VNA的扫描速率和DUT的时延共同决定：
其中Td为被测件电子延时
由图2可以看出，DUT的输出信号到达B接收机，依据VNA的工作原理，B接收机被调谐到DUT输入信号的频率，因此DUT输出信号的频率与B接收机的工作频率相差Fsh
if
t。最终导致接收机的中频信号并不是在中频
滤波器
的中心位置，滤波器的裙边会对DUT的输出信号有一些衰减。因此，扫描速率越快，频率偏移越大，S21的幅度下降越严重。如果扫描频率跨越几个VNA频带，S21幅度可能会有跳变现象，因此VNA需要在不同的频带内设置不同的扫描速率，但是对于每个频带可以设置相同的较慢的扫描速率。
当你测量长延时器件的S21幅度时，如果发现测试结果不正确，建议几种如下解决方案
降低VNA的扫描速度，直到S21幅度稳定。
使用“Stepped Sweep”步进扫描模式，设置每个频点的驻留时间。
在参考通道，增加一个足够长的电缆，让这个电缆来匹配DUT的时延，但是这个方案会给校准带来一些麻烦。
长延时器件的电延时测量问题分析与解决方案
很多工程师都知道安捷轮的VNA网络分析仪具有群时延的测量功能，但是很少有人能够准确地测量出长延时器件的电子延时，甚至有时候测量的群时延为负值。针对这一问题，向大家提供三种测试方案。
网络分析仪系统结构
要想获取高精度的
测量
结果，必须非常清楚地理解网络分析仪的系统结构。安捷伦矢量网络分析仪VNA的系统结构如图1所示。
图1 VNA网络分析仪的结构图
前向测量时，B为
测试
接收机，A为反射接收机，R1为参考接收机;反向测量时，A为测试接收机，B为反射接收机，R2为参考接收机。
四个S参数定义如下：
前向：S11=A/R1 S21=B/R1 反向：S22=B/R2 S12=A/R2
对于长延时器件常常需要测量其衰减和电延时，电延时是相位相关的，即测量S21的幅度信息和相位信息，因此我们只需要关心B接收机和R1接收机。
长延时器件S21的幅度测量时问题分析以及解决方案
长延时器件测量连接如图2所示。
图2 测试连接
当测量S21的幅度时，幅度相应看起来非常低，甚至会有一些跳变。此时，如果你增加扫描时间，你会发现测试结果会变得准确一些。很显然，问题是由于网络分析仪扫描速度太快导致，但是为什么快的扫描速度会引起较差的测试结果？
[color=#333333 !important]
我们测量长延时器件的S21时，VNA的扫描类型是线性频率扫描，也就是频率随着时间扫描，因此被测件（DUT）的时延会引起输出频率对输入频率有一个频率偏移，频率偏移是由VNA的扫描速率和DUT的时延共同决定：
其中Td为被测件电子延时
由图2可以看出，DUT的输出信号到达B接收机，依据VNA的工作原理，B接收机被调谐到DUT输入信号的频率，因此DUT输出信号的频率与B接收机的工作频率相差Fsh
if
t。最终导致接收机的中频信号并不是在中频
滤波器
的中心位置，滤波器的裙边会对DUT的输出信号有一些衰减。因此，扫描速率越快，频率偏移越大，S21的幅度下降越严重。如果扫描频率跨越几个VNA频带，S21幅度可能会有跳变现象，因此VNA需要在不同的频带内设置不同的扫描速率，但是对于每个频带可以设置相同的较慢的扫描速率。
当你测量长延时器件的S21幅度时，如果发现测试结果不正确，建议几种如下解决方案
降低VNA的扫描速度，直到S21幅度稳定。
使用“Stepped Sweep”步进扫描模式，设置每个频点的驻留时间。
在参考通道，增加一个足够长的电缆，让这个电缆来匹配DUT的时延，但是这个方案会给校准带来一些麻烦。
长延时器件的电延时测量问题分析与解决方案
很多工程师都知道安捷轮的VNA网络分析仪具有群时延的测量功能，但是很少有人能够准确地测量出长延时器件的电子延时，甚至有时候测量的群时延为负值。针对这一问题，向大家提供三种测试方案。
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许青云
2020-12-22 14:11:13
电子延时补偿等效法
首先，设置S21的显示格式为Unwrapped Phase，然后调整VNA的Electric Delay进行补偿，直到S21的相位轨迹曲线变得非常平坦。调整时，请注意当曲线的斜率为正值时，说明过补偿。最终的补偿值为被测器件的电子延时长度。
群时延的定义如下：
图3 群时延的图像化表示
图3所示的Average Delay代表DUT的电子长度或电延时，Group Delay Ripple代表DUT的相位失真。群时延计算的前提条件是要保证任意两点之间的相位差小于180度，否则出现相位反转，相位反转的典
ΔΦ = -360×Δf×t0《180°
Δf =测量带宽/（扫描点数-1）
t0 为被测件的电子长度
针对长延时器件，要想满足以上不等式，需要增加扫描点数和减少扫描带宽。测量时，设置S21的显示格式为Group Delay，图4给出群时延方法的测量结果，DUT的平均群时延为247.776微秒。
图4 群时延方法的测量结果
电延时补偿等效法与群时延法相结合
这种方法结合电子延时补偿等效法与群时延法，首先在VNA里设置Electric Delay为一个估计值，例如在图4中可以估测电子延时为247.7微秒（这个值可以根据被测件的物理长度，介电常数和光速大约计算出来;这里也可以估算为240微秒），然后测量其群时延。测量结果如图5所示，平均群时延为75.9纳秒。如果过补偿，会导致测量结果为负值，不过不影响最终测量结果。最终测量结果为补偿值加上测量值，因此最终测量结果为247.7759微秒。
图5 电子延时补偿法与群时法相结合的测量结果
电子延时补偿等效法
首先，设置S21的显示格式为Unwrapped Phase，然后调整VNA的Electric Delay进行补偿，直到S21的相位轨迹曲线变得非常平坦。调整时，请注意当曲线的斜率为正值时，说明过补偿。最终的补偿值为被测器件的电子延时长度。
群时延的定义如下：
图3 群时延的图像化表示
图3所示的Average Delay代表DUT的电子长度或电延时，Group Delay Ripple代表DUT的相位失真。群时延计算的前提条件是要保证任意两点之间的相位差小于180度，否则出现相位反转，相位反转的典
ΔΦ = -360×Δf×t0《180°
Δf =测量带宽/（扫描点数-1）
t0 为被测件的电子长度
针对长延时器件，要想满足以上不等式，需要增加扫描点数和减少扫描带宽。测量时，设置S21的显示格式为Group Delay，图4给出群时延方法的测量结果，DUT的平均群时延为247.776微秒。
图4 群时延方法的测量结果
电延时补偿等效法与群时延法相结合
这种方法结合电子延时补偿等效法与群时延法，首先在VNA里设置Electric Delay为一个估计值，例如在图4中可以估测电子延时为247.7微秒（这个值可以根据被测件的物理长度，介电常数和光速大约计算出来;这里也可以估算为240微秒），然后测量其群时延。测量结果如图5所示，平均群时延为75.9纳秒。如果过补偿，会导致测量结果为负值，不过不影响最终测量结果。最终测量结果为补偿值加上测量值，因此最终测量结果为247.7759微秒。
图5 电子延时补偿法与群时法相结合的测量结果
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曾佳宁
2020-12-22 14:11:25
在测量长延时器件时，由于VNA扫描速度太快，导致传输系数S21幅度测量不准确。群时延测量不准确的原因是由于扫描相邻两点之间的相位差大于180度，从而导致相位翻转。正确合理地设置VNA网络分析仪，准确地测量长延时器件就不会那么复杂了。
在测量长延时器件时，由于VNA扫描速度太快，导致传输系数S21幅度测量不准确。群时延测量不准确的原因是由于扫描相邻两点之间的相位差大于180度，从而导致相位翻转。正确合理地设置VNA网络分析仪，准确地测量长延时器件就不会那么复杂了。
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