网络分析仪及其使用（二）

一、标量网络分析仪

标量网络分析系统中最独特的元件是用作射频功率检测器件的二极管检波器。这样便可实现对射频特性的十分经济宽带幅度测量。

1、二极管检波器

二极管检波器将射频信号变换为成正比的直流电压。若信号是调幅信号，则二极管将恢复该调制信号。二极管检波器可能具有很宽的带宽（10MHz～50GHz）、快的响应时间和达76dB的动态测量范围。典型的检波器回波损耗为20dB。

二极管具有一个平方律区域，在此区域内，电压输出与功率输出成正比（见下图）。之所以称为平方律区域，是因为电压输出与电压输入的平方成正比。超过某个功率电平，响应便变为线性响应。标量网络分析仪接收机具有补偿这个检波器特性变化的能力，从而扩大了允许的动态范围。

二极管检波器的特性

      二极管检波方案采用直流检波或交流检波。直流检波器产生与入射到二极管上的功率成正比的直流信号。二极管的输出直接由分析仪计读，在这种情况下，分析仪成为一个具有对数响应的品质优良的电压表。交流检波也产生与入射功率成正比的信号，但射频源是方波调幅源，从而形成检波器的方波输出。

     与直流检波相比，交流检波具有消除二极管检波器直流漂移和对温度敏感的好处。此外，交流检波还不受检波器输入端未经调制的信号的影响。交流检波需要射频源调制，这有时难以实现且可能影响被测件的性能。标量分析仪接收机容纳多个（达四个）检波器输入。

      在利用宽带检波器时，必须注意一下事实：它们可能对在输入端口出现的处于检波器频率范围内的所有信号起响应。在这种测量情况下，必须注意源的谐波电平和寄生信号。若被测的信号处在检波器的平方律区域，则不希望的信号将附加在功率检测中。在检波器功率响应范围的线性部分，不希望的信号会给线性检测附加上不确定度。

       标量分析仪系统中的定向电桥是检波器和信号分离器件的组合。定向电桥的工作很像惠斯通电桥（如下图）。

标量分析仪定向电桥

     若四个臂的电阻相同（即测试端口=50Ω），则测出零电压。若测试端口的负载不是50Ω，则电桥的端电压与被测件（DUT）的失配（偏离50Ω）成正比。定向电桥具有宽带特性以及很好（40dB）的方向性，但代价是是它们在入射射频通路中具有6dB的插入损耗，这可能影响在被测件上可利用的入射功率大小，因此可能限制传输测量的动态范围。

2、反射测量

      下图是反射测量校准配置和测量配置图。

校准配置（a）                                  测量配置（b）

     对基本反射测量配置中信号流程的分析可以得到反射不确定度的表示式，该表示式考虑了测量校准和随后被测件特性测量过程中引入的任何不确定度。下图示出了反射校准和实际测量的不确定度如何加入总测量不确定度。

反射测量的不确定度

这种情况的简化不确定度定义方程可以用下式给出△ρ=A+Bρ_L+Cρ_L²            式中，△ρ为反射的幅度不确定度；A为方向性；B为校准误差、频率响应、显示器和仪器误差；C为有效源匹配；ρ_L为被测件的反射系数。

第一个系数是信号分离器件的方向性项。如方向性的定义中所述，它等效于直接泄漏到反射信号检波器的入射能量部分，而与待测的反射项无关。在强反射项的情况下，方向性不是主要关心的问题，但对于回波损耗大的测试器件，方向性则可能是主要误差源。选择方向性比待测的回波损耗大的信号分离器件是重要的。此外，还必须小心对待在反射器件的测试端口输出处所附加的适配器，因为适配器的连接器匹配可能是系统方向性的限制因素。

不确定度方程中B项与被测件入射波的直接路径和反射检测器的反射波的返回路径中的误差有关。这一项的频率响应部分可以通过测试端口用短路器（ρ=1）进行归一化测量的方法校准掉。这便减小了频率响应误差，但未考虑显示器和仪器误差，如接收机的动态精度。

最后的不确定度项是有效源匹配项C。这是反射波被非理想源重新反射并作为另一个入射波加以测量的结果。这个不确定度项是当被测件具有接近于1的ρ_L时的潜在问题。改善等效源匹配的方法有：利用功分器--比值测量配置，改善激励的输出源稳幅或在激励通路内置入缓冲器或衰减器加以改善。

在标量系统中，还利用了另一种校准技术，可减小由于方向性误差和源匹配误差之和引起的误差。通过对短路响应和开路响应取平均，可以消除由于方向性误差和源匹配误差之和引起的校准误差。开路和短路平均往往能将校准误差平均掉，从而使B=0。下图示出了开路和短路平均对校准的影响。

标量分析仪的开路和短路取平均的特性测量

大多数仪器供应商提供的一种很有用的工具是反射计和适配误差计算器。它是一种将方向性、失配、驻波比及不确定度关联在一起的简单器具。方向性可以直接转换为等效于反射系统测量中误差项A的线性项。此外，还可以直接在反射系数、回波损耗和驻波比（SWR）之间进行转换。还可以计算由于多次失配引起的波动大小。这在传输计算以及在反射不确定度的等效源匹配分析中都很有价值。

3、传输测量

进行标量分析仪的传输测量时，首先对直通参考连接进行校准，然后用被测件代替该直通路径。所得到的传输幅度测量的不确定度是校准测量的不确定度与器件测量的不确定度之和。起主要作用的误差源是源和检波器的失配。频率响应误差通过归一化来消除，但直通校准具有由源匹配和检波器负载之间多次反射引起的不确定度。当插入被测件时，在源匹配与被测件输入匹配之间以及在被测件输出匹配与检波器匹配之间将发生类似的不确定度。下图说明了这些失配是如何起作用的。

传输测量是配的不确定度

下图示出了实际多重失配不确定度如何相加。

失配不确定度模型

（ρs为源反射，ρ1为被测件的输入反射，ρ2为被测件的输出反射，ρd为检波器的反射）

在信号源或检波器前加缓冲衰减器、用稳幅技术改善源匹配或采用功分器-比值测量是可用来改善系统的等效源匹配或检波器匹配，因而降低测量不确定度的各种方法。

       4、特殊应用

尽管标量网络分析仪的主要应用是线性网络的频域特性测量，但仍有一些它们可以解决的其它应用。例如，可以利用频域测量来计算沿传输结构回波损耗距离的变化。将傅里叶变换分析技术应用于频域信息，可以获得其时域仿真，从而能根据特定传输媒质的传播速度对它按距离进行定标。所得到的输出是传输结构缺陷位置分析的有力工具。

在某些标量网络分析仪系统中，可以个别针对检波器的频率响应和动态精度对其特性加以表征，这就使检波器能以功率计的精度来测量功率。有了这样的精度，标量分析仪在测量有源器件如放大器的压缩特性和对幅度的敏感特性时十分有用。此外，利用卓越的功率测量能力和所具有的诸如交流检波之类的技术，标量分析仪在测量变频器件如混频器元件或通信用上、下变频系统元件中，正在获得越来越多的应用。

二、矢量网络分析仪

基本测量特性  矢量网络分析仪配置与标量网络分析仪的主要区别在于接收机的复杂程度和从检波器外推的信息（见下图）。

矢量网络分析仪配置图

信号分离器件包含功分器、耦合器和（或）电桥。信号处理元件和适当的射频转接通常一起布置在测量系统的“测试装置”部分。这样做是因为在采用复杂的校准时，需要经常进行可重复的和精确信号的转接。

• 调谐接收机

矢量网络分析仪系统的接收机部分是以对信号源的频率跟踪的方式调谐的基波混频或谐波混频多通道接收机。接收机将宽带扫描射频信号向下变换成固定且与射频测试频率无关的中频频率。中频频率足够低，使能用精密检测电路确定每个接收机通道内的信号幅度和任意两个接收机通道的相位关系。结果是一种宽动态范围（100dB）的无杂散信号多通道接收机，能对其多个输入中的任意两个输入的矢量量值（如反射系数和增益）进行测量。测量相位特性的能力赋予矢量网络分析仪对被测件的复阻抗和相位延迟特性进行表征的功能。能测量矢量和进行复杂的计算允许这种测量系统实现复杂的校准，即通过测量精确已知的标准并计算出将应用于被测件测得得数据的修正系数。检波器能对测得的数据进行复杂的矢量操作，这种能力允许系统显著地改善测量的质量并降低与测量结果相关的不确定度。检波器还具有操作误差修正数据的能力，使以许多不同的显示格式（从线性相位或幅度随频率的变化到矢量的极坐标显示）给出信息。

与标量检波器的特性非常相似，矢量网络分析仪接收机对分析仪的性能也有若干限制。人们希望接收机在其变换特性时呈线性。因此，每个接收机通道在开始发生压缩和限幅之前，存在着最大允许的输入信号。在低信号电平下，接收机的灵敏度和精度受噪声和不是测量通路一部分的低电平信号漏泄（串扰）的限制。每个网络分析仪系统（包括适当的信号分离测试装置）必须从信号电平的观点仔细了解，以从系统获得最佳性能。必须小心维持最佳入射测试信号和接收机输入信号的幅度。

• 反射测量

利用测量矢量的能力，可能测量器件反射信号与入射信号之比。这个比值是反射系数_ГL的复数表示。矢量网络分析仪能显示反射系数的幅度或相位随频率的变化。它也能给出反射系数的极坐标显示。由于每个特定反射系数是与唯一的阻抗相关，故可能将矢量反射系数与阻抗相联系。

下图是所谓史密斯（Smith）圆图的常用极坐标显示的简图。它是反射系数的极坐标显示，具有对特性阻抗Z₀归一化的交叠的恒定阻抗线。史密斯圆图的极坐标显示是对被测件的输入阻抗进行评估的十分有效的分析工具。所有正实数电阻值变换为单位反射系数圆内的点。

斯密斯圆图上的阻抗测量

下图是反射测量配置的模型。测得的反射系数（S₁₁）和实际反射系数的表示式表明，测量不确定度受方向性、统调和源匹配三项的影响。在这种情况下，采取若干校准步骤可能比只注意可能达到的原始性能效果更好。第一步是将短路器置于测试端口；然后，将测得的数据对短路器的反射（在180°处，_Г=1）归一化。这称之为响应校准，可消除测量系统中的频率响应误差。

反射测量信号通路

更复杂一些的方法是进行单端口校准。这个步骤要求测量几个不同的器件，以外推反射测量的误差项。第一个被测器件是精密负载，测得的数据是误差模型的方向性项。然后测量开路器和短路器。根据这两组测量，可能得出系统的源匹配误差和频率响应误差。校准之后，网络分析仪的检波器将储存误差项。这些误差项用来将测得的数据变换为被测件反射特性经修正后的显示。“理想”校准标准只将测量修正到它们自身的理想程度。例如，在很高的频率上，很难制造出理想的固定终端，因此，高频校准器件包括了滑动终端，利用滑动终端，通过将负载在空气线上滑动来形成数据点“圆”，可以确定给定频率上的方向性矢量。此数据点圆的圆心就是该频率上的方向性矢量。

• 传输测量

在进行二端口器件测量时，通常感兴趣的是测量未知器件的反射特性和传输特性。这将出现某些必须考虑的有意义的互作用，下图示出了测量情况。

传输测量的信号路径

首先看到的是，在被测件的输出端，测量系统的负载匹配将影响器件的输入匹配。在传输路径上，频率响应、源失配互作用、负载失配互作用和串扰是影响测量精度的几个因素。同反射测量情况一样，通过系统的计算代表特定测试系统特性的各项误差，可能利用已知标准器件的测量来对整个测量系统进行校准。

下图是传输测量的信号流图和表示式。注意，源匹配MS与S11A的互作用、负载匹配ML与S21A的互作用、传输频率响应误差Tt和漏泄串扰（C）误差。这个模型还表明，为了精确的得到S22A数据，必须知道精确为S11、S12和S22信息。

传输测量的信号流图

利用全二端口测量校准可以从数学上消除上述误差的影响。单端口反射校准用于表征源匹配特性，直通连接用于表征传输频率响应和负载匹配特性，而隔离校准则用于确定传输漏泄或串扰。一个完整的全二端口测量模型包括正向测量和反向测量两者的模型。为了精确测量单一S参数，必须测量所有参数。

一般校准方法是利用传统的开路/短路/负载/直通标准。然而制造这些标准并不总是简单易行，尤其是在非同轴媒质中更是如此。固定宽带负载很难制造，所以，为了获得更高的精密度，可以用滑动负载代替固定负载。在波导结构的毫米波频率上，用偏置负载和固定负载建立方向性矢量的中心点。在波导结构中采用了偏置短路，因为不可能存在开路标准。直通/反射/传输线（TRL）校准计算与其它方法相同的12个误差项（二端口的方向性、二端口的正向匹配和反向匹配、传输和反射的正向和反向统调以及正向隔离和反向隔离），但利用了直通连接，大的未知反射以及一段传输线（其参数阻抗为Z₀参考）来获得校准数据。与其它校准方法相比，TRL校准方法具有简单和精确的优点。它特别适用于一些很难获得的异常传输线环境，如微带。下面的表格针对不同的校准方法给出了利用在7mm连接环境中提供的校准标准所能达到的精度类型的概念。

 各种精度提高方法小结

 任何特定网络分析仪系统的数据表都会给出系统测量能力随系统性能、校准方法和待测的被测件参数变化的曲线图。下图是一张S参数测量精度的样板图，它是射频网络分析仪采用全二端口校准以及在几种连接器环境下（N型，3.5mm，7mm）得到的。

（a）传输测量                            （b）反射测量

• 特殊考虑

随着矢量网络分析仪形成自己的内部计算和控制能力，已发展了若干新的测量功能。矢量网络分析仪可以通过计算所测相位的斜率来确定器件的群延时。群延时是用来描述器件的相位如何呈线性，因而可能对通信系统带来多大失真的一个术语。群延时T_G具有时间的量纲。

最强大的分析手段之一是内置时域功能。时域功能对测得的频率数据进行数字傅里叶变换，并在时域中仿真对被测器件的脉冲或阶跃响应。时域显示可用来分析传输模式下的阶跃和脉冲特性，并可仿真反射特性测量中的时域反射计模式。这种仿真能深入了解测试器件的特性。

矢量网络分析仪还纳入了一些校准方法，允许针对功率输出和功率入射校准测试装置端口，使其接近功率计精度的水平。利用这种功能，有源器件随功率变化的特性测量就成为一个新的应用领域。放大器的增益压缩就是一个对功率敏感元件十分重要的器件考虑的例子。此外，某些矢量网络分析仪的方块图还具有使接收机跟踪谐波或源以及基波输入的能力。这就能对谐波含量进行扫频的特性测量。除谐波之外，某些系统还能使接收机偏离源频率，从而能实现频偏测量，这可用于测量变频器或混频器。