网络分析在广播电视卫星测试维护运用

网络分析在广播电视卫星测试维护运用

摘要:本文对网络分析概念以及网络分析仪的原理进行了深入探讨,并结合实际,详细介绍了网络分析仪在日常维护工作和故障排查工作中的实际应用。

关键词:网络分析;测试原理S参数;校准方法;应用

1引言

随着无线电通信设备的快速发展,在我国广播电视卫星地球站中,射频器件的种类和数量急剧增加,掌握这些射频器件的性能指标,是做好维护工作的基础;同时,在传输系统故障定位以及对传输线和射频器件的测试过程中,也需要有创新的方式方法,而上述这些都能通过网络分析得以实现。因此,网络分析在广播电视卫星地球站的实际工作中具有广阔的应用前景。

2网络分析的介绍

2.1网络分析

“网络”是一个被高频使用的词汇,是对一些由相互连接的电气元件所形成的系统的一种抽象化的表达。在射频通信领域,任何具有一个以上端口的电路单元均叫做网络,可将其视为“黑箱”,可以不去关心电路单元内部的具体情况,只要给端口一个激励信号。通过信号测试系统的反应来描述这个网络的特性,这就是射频通信领域常说的“网络分析”。这种以端口为界的网络分析,通过线性激励响应,能测量出网络在特定的频率范围内的射频元件的阻抗匹配特性,以达到最大的功率,并保障信号的完整性。在实际应用中,网络可以分为线性和非线性两种。线性网络可以使用矢量网络分析仪等设备,通过正弦扫频的方式,对其进行频率特性的定量分析,而非线性网络可以用频谱仪测量指标。

2.2网络分析仪

能够进行网络分析的仪器叫作网络分析仪,它通过测量对象网络的反射/传输参数,来实现对网络元器件特性的描述。通过换算,可以得到对象网络的阻抗或导纳、衰减或增益、输入反射系数、输出反射系数、电压驻波比、相移和群延时等传输参数以及隔离度、定向度等相关参数。网络分析仪可分为标量和矢量两种。前者只能实现对幅度信息的测量,而后者不仅可以完成幅度传输特性的测量,还可以完成相位特性的测量。

2.3网络分析的原理

一般用反射/传输特性来描述一个射频器件的性能,实际测量中,测试频率和信号功率都会对反射/传输特性产生影响。这种现象类似于光进入介质时所产生的现象,入射光线通过介质,一部分产生反射,另一部分透射而过。大多数射频电路不允许开路或短路,因为会导致电路偏离原有工作状态,且射频工作频段波长很短,即便信号传输距离很短,也会有很大的相位移动,使测试计算难以完成。因此,需要有别于低频电路上的Z参数来表征射频电路相关特性,这就是在进行网络分析时所使用的S参数(散射参数),具体如图1所示。用Sxy表示两个端口的网络,x为测试信号输出端口,y为测试信号入射端口,两个端口的网络的散射参数有以下几个:S11,为被测试元器件的一个端口对测试信号的反射量,即回波损耗;S21,是信号通过被测元器件时产生的变化(幅度、相位变化),即插损或增益;S12,是信号以反方向通过被测元器件时所发生的变化;S22,是被测器件的另一个端口对测试信号的反射量。这样,我们描述元器件反射/传输特性的指标就更加完整了。

3网络分析仪

3.1网络分析仪的原理

以最简单的测量S21参数的标量网络分析仪即单通道扫频仪为例,该仪器由检波器和可调频率信号源两个关键部分组成。进行测量时,先不接入待测元器件(DUT),将测试线缆对接,实现Port1与Port2的直连。按照测试需要,设置信号源产生的扫频信号的频率范围,信号源产生的扫频信号进入检波器后,存储单元记录检波器测量到的信号幅度值,所得到的未接入被测元器件的测量值作为后续测量的参考。接上待测器件,检波器得到一个新的幅度值,把新的幅度值和存储值进行比较,即可得到S21参数,由此来反映信号通过被测元器件时产生的变化,处理显示装置可绘出幅频特性,如图2(左图)所示。需要注意的是,当更换待测元器件的时候,信号源输出功率可能会发生变化,与之比较的幅度值依然是未更换待测元器件时存储的数值,这时记录存储的信号幅度值已不够准确,除非重复直连操作进行校准,记录存储新的初始幅度值,否则将导致得到的S21参数这个相对值也是不准确的。为了消除因此造成的误差,可以使用多通道扫频仪,将其中一个通道作为参考通道,即从信号源分出一部分信号进入参考通道,将另一个通道的幅度值和参考通道的幅度值进行比对,这样就可以得到较为精确的S21参数。多通道扫频仪原理如图2(右图)所示。给扫频仪加上定向耦合器,就可以测量S11参数,它和电压驻波比可以直接换算,这样就能够绘制显示出驻波比曲线。想要得到被测元器件的阻抗参数,必须将输入和输出信号的相位进行比较。矢量网络分析仪具备相位分析的功能,能够对特定动态范围内的矢量检测。信号源、接收机(参考接收机及测量接收机)、信号分离装置以及处理显示装置等,都是矢量网络分析仪的关键组成部件,如图3所示。在图3中,使用的信号源具备频率和功率扫描的功能,它能够为测量工作提供激励信号。信号源的功率控制,在大范围调整时要使用衰减器,功分器分出一路信号进入参考接收机,参考接收机存储初始输入信号的测量值;功分器另分出一路信号,作为被测元器件的输入信号,输入信号进入被测元器件,部分信号按照原路径被反射回去成为反射信号,部分信号通过被测元器件传输而成为传输信号。定向耦合器作为信号分离装置,可以实现提取被测元器件反射信号及传输信号的功能。测量接收机完成被测量元器件反射、传输信号测量值的存储。处理显示装置实现对测量结果的计算和绘制显示。网络分析仪测试信号流程如图4所示。在实际测量中,测试人员需提前做好网络分析仪的校准工作,然后再将被测元器件连接至网络分析仪;按照操作步骤,测量需要检测的元器件的特性参数(如S参数等),测量结果通过处理显示装置显示。输入信号进入被测元器件,其反射信号和输入信号的比值用来描述反射特性;传输信号和输入信号的比值用来描述传输特性。为完成这项任务,需测量出被测元器件的输入信号、端口反射信号以及传输信号等相关信息。信号源产生的符合测试要求的测试信号通过功分器分成两路,一路作为参考信号进入参考信号混频器,与本振源产生的本振信号混频后,通过中频滤波器滤波,进入参考接收机存储记录测量结果,在中频上进行相位比较,表示输入信号相关信息的Y值;另一路信号进入被测元器件,在通过被测元器件时,部分被反射回来,部分通过被测元器件传输出去。被测元器件端口的反射信号与输入信号在同一物理路径上传播,通过定向耦合器将反射信号分离后送入反射信号混频器,通过中频滤波器,由测量接收机存储记录测量结果,在中频上进行相位比较,得到表示反射信号相关信息的M值。M/Y的比值可用来表示被测元器件的反射特性。同样,使用定向耦合器可以分离出通过被测元器件传输的信号,将其送到传输信号混频器,通过中频滤波器,由测量接收机存储记录测量结果,在中频上进行相位比较,得到用来表示传输信号相关信息的N值,N/Y的比值就是被测元器件的传输特性。

3.2网络分析仪的校准

3.2.1网络分析仪的测量误差

网络分析仪在测量过程中会出现三类主要误差,即系统误差、漂移误差和随机误差。系统误差主要是由仪器内部测量装置不理想引起,可预料且会重复出现。此种误差能够进行定量描述,因其不随时间变化,校准后可以消除。漂移误差是仪器校准后测试装置性能自身产生的漂移,主要成因是温度波动,进一步校准后能够被消除。测试过程中,测试装置的漂移速度决定了其经过校准后保持平稳精度时间的长短。随机误差是随时间变化,不可预测,无法通过校准的方式消除,主要由采样噪声等测量装置内部噪声构成。仪器的开关动作和元器件的重复连接,同样会产生随机误差。

3.2.2网络分析仪的校准

网络分析仪的校准就是用测量标准件来量化仪器系统误差的过程,以校准后消除误差项性质的不同,可分为频响校准和矢量校准两种。使用不同的校准方法,所用到的校准标准件的个数和消除误差项目的数目也不一样。校准件有机械和电子两种,可按照实际测量工作的需要,选择机械校准件或电子校准件进行校准。与传统机械校准件相比,电子校准件有校准过程简单、支持混合端口、速度快及不确定因素少等特点。仅仅纠正频响误差的校准方法,称为频响校准。消除频响误差的测试,包括反射测试和传输测试,都通过测量一个标准件就可以完成。其中,使用全反射校准件进行反射测试时,为达到接近理想的全反射状态,一般使用终端短路;使用直通校准件可进行传输测试。频响校准本质上是一个测量归一化的过程,测量时先将测量结果记录下来作为参考线,再将被测元器件测试结果进行比较,来消除参考线中的系统误差。在矢量网络分析仪上进行矢量校准时,仪器内部会通过联立方程组来计算误差项。为确保仪器的高测试精度,校准过程中需要使用多个标准件,以便消除更多的误差项。按照校准的端口数来划分,可分为单端口校准、双端口校准和多端口校准。单端口校准是一种矢量校准,能够实现消除被校准端口的所有系统误差,包括方向性、源失配及反射跟踪误差等。如测量被测元器件完整的反射/传输性能指标时,要对所有端口及连接线进行校准。以双端口网络为例,测量时需用到短路校准件、开路校准件、直通校准件等4种校准件,并进行7次标准件连接测量,以达到消除正向反向测试共计12项系统误差的目的。其中,正向反向测试误差包括频率响应误差(反射跟踪误差和传输跟踪误差)、方向性误差、端口失配误差(源失配和负载失配)、隔离误差等。

4网络分析在卫星地球站故障定位的案例分析

台站工作人员于2020年2月7日发现某Ku波段上行系统所使用的转发器输入功率近期持续下降。经上级部门同意后,于2月8日0点将上行节目代播至备播系统,然后进行故障排查。首先,将该上行系统天线仰天后,测量上行波导损耗为4.3dB,数值正常,判断为高功放功率输出问题;之后,厂家工程师怀疑线性器故障,按照厂家建议进行测量,未发现具体问题;2月9日,更换高功放进行测试,仍未发现具体问题。为进行故障定位使用Keysight公司N9917A手持测量设备网络分析仪功能插件对上行波导中功放小室到天线中心体的椭圆波导进行测量。测量Ku波段14G至14.5G频率范围内的S11参数值,在N9917A测量设备上可显示出14G至14.5G每个频点S11参数测量值绘出的曲线图,可以看出,S11参数测量值最大接近-15dB,最小为-37.45dB。14G至14.5G频率范围内S21参数测量值基本维持在-46dB左右。而正常情况下,S11参数表示的回波损耗应在0.5dB左右,S21参数代表的传输损耗应在2dB左右,测试结果表明,该段椭圆波导损耗过大。通过比对2月8日测量结果,判断为该段椭圆波导内湿气过大,节目代播至备播系统后,经过一个夜晚未上行,水汽凝结,造成波导损耗急剧增大。经过除湿处理后,2月12日,再对该段波导进行参数测量,14G至15G的范围内S11测量结果基本保持在-0.5dB左右,S21参数测量结果为-1.5dB,该段波导损耗恢复至正常水平。

5结语

在广播电视卫星地球站的测试维护中,恰当地使用合适的仪器仪表能够起到事半功倍的效果,对夯实安全播出基础有重要的意义。同时,正确使用包括网络分析仪在内的各种仪器仪表,不仅在一定程度上体现出卫星地球站维护人员的技术业务素养,还为做好安全传输发射工作提供了有力保障。

作者:张龙 单位:国家广播电视总局2022台