From Friday, April 19th (11:00 PM CDT) through Saturday, April 20th (2:00 PM CDT), 2024, ni.com will undergo system upgrades that may result in temporary service interruption.

We appreciate your patience as we improve our online experience.

如何使用VNA PXIe-5630测试天线S参数及电容电抗值

硬件: Modular Instruments>>RF Measurement Devices>>PXIe-5630

问题: 客户需要电容阻抗值测试的方案。

解答:

网络分析仪是一类功能强大的仪器，正确使用时，可以达到极高的精度。矢量网络分析仪可用来测量无源和有源网络的S参量，它是一台多通道微波接收机，设计成可以用来处理来自网络的透射波和反射波的幅值和相位。它的应用也十分广泛，在很多行业都不可或缺，尤其对测量射频(RF)元件和设备的线性特性方面非常有用。随着NI PXIe-5632的问世，用户可轻松地将网络分析仪应用于设计验证和生产线测试中，完全摆脱传统网络分析仪成本高、占地面积大的束缚。
具体信息大家也可以参考白皮书：
http://www.ni.com/white-paper/11640/zhs/
NI VNA共有两种型号，分别为NI PXIe-5630及NI PXIe-5632。

本文主要以使用5630为例，展示其在天线S参数测试及电容电抗测试方面的应用。
NI PXIe-5630这款6 GHz、2端口矢量网络分析仪(VNA)可结合传输与反射 (T/R)系数的矢量测量支持；这些系数也能由前向S参数S11和S21代表。 VNA具有10 MHz至6 GHz的频率范围、大于100 dB的宽广动态范围，能够以快于400 μs/点的扫描速度扫描3,201点，这些特性都令VNA极为适用于自动化设计验证与生产测试。
一. 校准
提到VNA（Vector network analyzer）,最重要的一个操作便是校准。对于矢量网络分析仪，校准可以消除实际测量中带来的一些误差，像是温度，测试环境，线缆以及其他测试夹具带来的误差。你可以使用NI-VNA的软面板或是NI-VNA的驱动API进行校准。
在校准之前，你首先需要设置频率范围及功率大小。

在进行频率范围调整时，可以设置在扫描期间 VNA 测量的数据点数，此处选为3201个点（仪器上限）。

也可以设置IF bandwidth（接收机带宽）和averaging来降低噪声影响，改善曲线质量。

然后进入到校准环节，可以选择校准的类型（手动或自动校准）

根据你具有的校准件种类进行选择，本文中选择手动校准。你可以选择1端口或2端口校准。
校准的设置部分，选择校准方法为SOLT (short-open-load-thru)
校准方法包括的种类可以参考：
http://www.ni.com/tutorial/14114/en/#toc4
选择Edit Cal Params可以看到对Cal Kit的选择，根据你的校准件类型(K头Male/Female, SMA头 Male/Female, N头Male/Female）进行选择。其中N头比较好辨别。K头与SMA头外观相似，只不过前者是2.92mm的内径，后者是3.5mm的内径。相比于SMA，K头更适用于高频应用。

本文中使用的校准件如下图所示，校准时Cal Kit选为K头Male。

NI提供的校准件种类如下图所示：

可以参考官网上的信息进行对应的选择：http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/zhs/nid/208995
配置过后，可以正式开始校准。如下图所示，单端口的校准需要进行三项（open, short, load）。如果为两端口，则需要进行四项（多出1,2端口直连的through测试）。校准时，推荐按照open-short-load的顺序分别将校准件进行连接，连接好之后点击对应按键进行此项校准。
以open校准项为例，将校准件的open端连接至VNA的端口，点击Open按键，当Open按键左上角出现勾号即表示该项已经校准完毕，同理校准short和load。出现勾号的速度取决于前面设置的测量数据点数，前文中设置为3201，若该点数设置太小，如默认的201，则会出现点击open/short/load按键后立刻出现勾号，造成感觉没有校准动作的错觉。

校准完成之后可以看到三种状态前有对号提示该项校准已经完成。

校准过程中非常重要的一项在于要在三项校准完成之后点击done，完成此项操作之后，这次校准就已经完全结束了。可以观察到此时右小角的RFcal State转变为correct，并且颜色从灰色变为绿色。校准完成后，建议使用S11的Smith圆图，依次将open/short/load校准件连接到校准端口，看Smith圆图上的轨迹是否依次位于最右端/最左端/中心位置附近，用以验证校准动作是否准确。

以上为如何实现校准，下面的内容则是校准完成之后如何实现具体的测试。

二.天线S参数测试
以下为单端口天线S参数的测试方法。
如下图所示，将天线连入已经校准好的1端口即可。

观察测试的S参数曲线，对于单端口的驻波天线而言，最重要的S参数为S11，即1端口的反射系数。工程上，天线的谐振频点处的S11必须要小于-10dB。
图中所示，此测试天线共有三个频点处的S11小于-10dB，所以此天线可以在这三个频段内工作。

其中频段5.61GHz到5.79GHz为此天线的最佳工作频段，此时可以覆盖到180MHz的带宽。

三.对电容进行电抗测试
以下为电容电抗值的测量方法。
本文中采用VNA的史密斯圆图对电容进行电抗测试。
测试方法比较简陋，将SMA线缆的信号线剥离出来，将电容的两个管脚分别焊接在信号线端与接地端。

下图所示的黄线为300MHz到500MHz的电抗变化曲线。随着频率的变化，待测电容的电抗值是随之改变的。可以观察到曲线基本是在史密斯圆图的最外面的圆变化的，说明了待测件的电阻值近似为0，说明了待测件的电抗属性。又因为曲线处于史密斯圆图的下半平面，所以说明了待测件的电容属性。

在频率为400MHz时，测试电容对应的电抗实部为4.4欧姆，电抗虚部为-66.675欧姆。
电抗史密斯圆图的属性为“上感下容”，即圆图上半曲线为电感属性，下半曲线为电容属性。对于此次测试到的电抗虚部值可以应用公式：
X_l=1/2πfC
其中f为频率，C为电容值，Xl为电抗值，将测试的数值进行带入，可以粗略计算出对应的电容值。
计算的电容值约为5.7pF,电容实际值为10 pF。由于给出的标称值是电容在直流情况下的值，电容随着频率的变化属性也会有所变化，所以会存在一定的误差。并且此种测试方法的主要误差来源在于线的不匹配，由于我们校准无法校准到测试点，只能校准到VNA的端口1，所以线对测量的影响我们不能忽略。
为了消除线对于测试的影响，直接将电容的两个管脚一个与VNA的内外径相连接，在这种测试方式下，电容的测试会更加准确。在这种测试方式下，10MHz时电容的测量值为10 pF，100MHz时电容的测量值为11 pF，和实际值非常接近，可以满足测试需求。

总结以上使用VNA对电容值进行测量，如果有此类测试，需要具备匹配的夹具配合测试，这样可以校准到夹具的测试点，可以以比较小的误差测试到DUT的电抗值。目前NI没有夹具可以提供，可能需要用户自己定制。