网络分析仪及其使用（一）

一、概述

     对工作在高频的电子电路特性的正确表征提出了某些独特的要求。在高频上，工作波长变得可与电路元器件的实际尺寸相比拟，这便导致电路性能呈分布属性。与其描述特定电路节点处的电压和电流，不如描述传输媒质中的电波如何对其路径上的元件作出相应更为适当。网络分析仪是为精确和高效率地表征射频（RF）元件随频率变化的特性而发展起来的一类仪器。

    网络分析仪是通过在所考察频率范围内的激励---响应测试来建立线性网络的传递和（或）阻抗特性的数据模型的过程。在高于1MHz的频率上，集总元件实际上变成由基本元件加上寄生现象，如杂散电容、引线电感和未知吸收损耗组成的“电路”。由于寄生现象取决于各个别器件及其结构，故它们几乎不可能被预示。高于1GHz时，元件的几何尺寸可以与信号波长相比拟，从而增强了由于器件结构而引起的电路性能变化。网络分析一般局限于确定线性网络。因为线性条件的约束，受正弦波激励的网络产生正弦波输出，故正弦波测试是表征幅度和相位随频率变化的理想方法。

二、元件特性

    射频（频率低于3GHz）能量或微波（频率在3～30GHz范围）能量可以比作光波。入射到被测件（DUT）上的能量或是被器件反射，或是通过器件传输（如下图）。

入射到被测件上的波的反射特性和传输特性

通过测量两个新产生的波之间的幅度比和相位差，就可能确定器件的反射（阻抗）特性和传输（增益）特性

1、反射和传输

    有许多用来描述这些特性的术语。某些特性只利用幅度信息（标量）。而另一些特性则包含幅度和相位两种信息（矢量）。若器件上的入射波表示为V_INCID，则V_INCID与I_INCID之比称为传输系统的特性阻抗Z₀，端接传输系统的器件具有所谓负载阻抗Z_L的输入阻抗，于是，几个重要的器件特性可以定义为：

反射术语：

=V_REFLEC/V_INCID=(Z_L-Z₀)/(Z_L+Z₀)

      式中为器件反射系数；V_INCID为测试器件上的入射波；V_REFLEC为测试器件上的反射波；Z₀为传输媒质的特性阻抗；Z_L为测试器件的阻抗。

ρ=∣∣

式中，ρ为反射系数的幅度；为复反射系数。

式中SWR为传输媒质上电流或电压的驻波比；ρ=反射系数的幅度。

 式中Z_L为负载的复阻抗；为复反射系数；Z₀为传输媒质的特性阻抗。

回波损耗（dB）=-20logρ

式中，ρ为反射系数的幅度。

   传输术语：

传输系数=V_TRANS/V_INCID

式中，V_INCID为被测件上的入射波；V_TRANS为通过被测件的传输波。

插入损耗（dB）=20log（V_TRANS/V_INCID）

增益（dB）=20log∣V_TRANS/V_INCID∣

           式中，V_INCID为被测件上的入射波的幅度；V_TRANS为通过被测件的传输波的幅度。

插入相位=∠V_TRANS-∠V_INCID

           式中，∠V_INCID为被测件上的入射波矢量的相对相角；∠V_TRANS为通过被测件的传输波矢量的相对相角。

2、散射（S）系数

   许多元件测量都具有二端口网络，如放大器、滤波器和电缆。这些元件的特性通常用来确定作为更复杂系统的一部分的特定器件将起何作用。为了提供射频环境下对全二端口网络建立模型和分析的方法，定义了散射（S）系数（如下图）。

被测件的散射参数测量

    这是一种与低频Z或Y模型相似的表征方法，只是它利用入射波、传输波和反射波来表征器件的输入端口和输出端口，而不是利用在高频上不能测量的电压和电流。S参数在一定条件下与其它表征相关。例如S₁₁是在器件输出端具有  理想Z₀匹配的条件下等效于器件的输入反射系数_IN。器件的S参数表征在测量、模型化和设计具有多个元件的复杂系统等方面起着关键作用。S参数的定义还使它们能够用网络分析仪进行测量。

三、网络分析系统的组成部分

    网络分析仪测量系统可以分成四大部分，即提供入射信号的信号源、用来分离入射信号、反射信号和传输信号的信号分离器件、将微波信号变为较低的中频（IF）信号的接收机以及用于处理中频信号和显示检测出的信息的信号处理器和显示器部分（如下图）。

网络分析仪测量系统的主要组成部分

     1、信号源

信号源（射频或微波）产生用于激励测试器件的入射信号。测试器件的响应是反射一部分入射能量和传输余下部分能量。通过对信号源的频率扫描，可以确定器件的频率响应。频率范围、频率稳定度、信号纯度、输出功率电平和电平控制是可能影响测量的因素。用于网络分析仪测量的信号源大体上有两类，即扫频振荡器和合成扫频振荡器（包括合成信号发生器）。扫频振荡器的成本低，但它的频率精度和稳定度远远不及合成器。若器件响应在扫频发生器的剩余调频频谱范围内显著改变，便应利用更稳定的信号源，如合成器或合成扫频振荡器。此外，若器件的相位响应随频率迅速改变（即电气上的器件，如长电缆），便应利用频率稳定的信号源，如合成器来避免频率漂移。

     2、信号分离

测量过程的下一步是对入射信号、反射信号和传输信号进行分离。分离之后，就能测量它们各自的幅度和（或）相位差。这一点可以利用定向耦合器、电桥、功分器乃至高阻抗探头完成。下图给出可能的传输测量配置。

传输测量配置

定向耦合器是一种由两路耦合器传输线构成的器件，传输线配置成使能量在一个方向上通过主端口时可将能量耦合至辅助端口，而相反方向则不能把能量耦合至辅助端口。定向耦合器在主线路径上的损耗通常相当小，因而对入射功率产生小的损耗。定向耦合器的结构见下图。

定向耦合器的耦合特性

耦合臂只对行进在一个方向的信号取样。耦合信号处于降低了电平，降低电平的大小称为耦合系数。20dB定向耦合器意味着耦合端口的电平比输入低20dB，相当于入射功率的1%。余下的99%入射功率都通过主臂传送。定向耦合器的另一个重要特性是方向性。方向性定义为正向检测出的型号与反向检测出的信号之差。方向性不理想的原因是信号泄露、耦合器内部负载的反射及连接器的反射。典型定向耦合器将以30dB的方向性工作在几个倍频程范围。二电阻功分器（如下图）用于对入射信号或传输信号取样。

二电阻功分器

    输入信号平均分配到两个臂上，每个臂的输出信号（功率）都比输入低6dB。功分器的主要应用是使测量有极好的源匹配。如果功分器输出的一臂接到参考检波器上，而另一臂经过被测件通向传输检波器，则传输与入射的比值显示的效果是使功分器中的电阻器决定了测量的等效源匹配，在功分器之前所有对源匹配的其它影响皆被取比值所排除。功分器的带宽极宽，具有优良的频率响应。且在侧试器件的输入端呈现良好的匹配。

    在不同于典型50Ω或75Ω的环境中，可以用高阻抗探头进行测量。重要的是探头阻抗要比电路阻抗大，使不会发生不需要的加载。

    下图示出了反射测量的装置。反射测量需要一个定向器件。分离入射信号和反射信号可以用双定向耦合器或电桥完成。其重要差别在于所涉及的功率电平。定向耦合器的主臂损耗较小，而电桥则趋向于在宽频范围内有较好的响应，因而更经常使用。

反射测量配置

3、接收机

     接收机提供将射频或微波信号变换成较低的中频或直流信号，使能进行精确检测的手段。网络分析仪中采用的接收机技术大体上有三类（如下图）。

     最简单的技术是利用二极管检波器作为宽带检测器，它将所有入射能量变换成与入射到二极管上的功率成正比的直流信号。另外两类接收机是利用基波混频和谐波混频输入结构将射频信号变换成较低频的中频信号的宽带调谐接收机。调谐接收机具有窄通带的中频滤波器，用来抑制杂散信号并压低接收机的本底噪声。利用宽带二极管检波器的接收机用在标量网络分析仪中，而调谐接收技术则用在矢量网络分析仪中。标量系统是最经济的测量，实现起来最简单。矢量测量系统（调谐接收机）有最宽的动态范围，不受谐波响应和寄生相应的影响，且能测量输入信号的相位关系。此外，还提供使测量更精确的进行更复杂校准的能力。

4、处理器/显示器

     检测出射频后，网络分析仪必须处理检测出的信号并显示测得的量值。网络分析仪是利用了一个参考通道和至少一个测试通道的多通道接收机。可以测量通道内的绝对信道电平、通道之间的相对信号电平（比值）或通道之间的相对相位差，视分析仪而定。相对比值测量通常以dB为单位，dB是未知信道（测试通道）与所选择的参考信号（参考通道）的对数比。这就能测量既有高电平，也有低电平电路响应的变化时使用仪器的整个动态范围。例如，0dB意味着两个信号电平具有为1的比值，而±20dB则意味着两个信号之间的电压比为10：1。所有网络分析仪的相位测量都是相对测量，这时认为参考通道信号具有零相位。然后，分析仪测量其余通道相对于参考通道的相位差。

四、测量精度

    任何网络分析仪测量的规定精度是对被测器件和用于测量的特定的网络分析仪系统两方面必须考虑的许多因素的结果。只要可以确定误差源并了解测量方法的理论模型，便能确保最终结果的精度。所得到的不确定度不仅随测量系统而变，而且也随被测件的参数而变。下图是为了确定任何特定测量中的不确定度大小所必须考虑的因素的图解。

影响测量不确定度和给定网络分析仪性能的误差源

1、不确定度

    用于计算任何测量不确定度的模型和分析方法都归结为一个测量误差源的函数的表示式。最终不确定度的典型表示式具有下列形式：

Mag uncert=Systematic+[Random²+(Drift+stability²)]^1/2

式中Mag uncert为幅度测量的不确定度；Systematic为测量系统的系统误差；Random为测量系统的随机误差；Drift+stability为器件或测试系统的漂移特性。

   在这个表示形式中，系统误差是以最坏情况的方式相加，随机误差、漂移误差和稳定性误差则用平方和的平方根（RSS）方式表征，如表示式中的第二项所示。对于一个特定测试系统，了解这些误差的来源和大小对确定所进行的测量的质量是至关重要的。

 系统误差是在校准之后不会发生变化的误差且在测量期间维持稳定。系统误差与实际测试系统复现理想激励—响应测试环境的好坏程度有关。因此，测试系统的剩余方向性、对直通响应的统调以及等效源和负载匹配是可能导致误差的真实系统的测量特性。

一个简单的例子是等效源匹配的误差，若测试系统的信号源不是理想匹配的，则被测件的反射波将被非理性源再次反射，并作为第二个入射波返回被测件，其结果是由于在测试源与被测件之间的多次反射造成的可能测量误差，这个误差的确是随造成多次反射的两个失配的幅度而变，有许多不同的方法可用来改善这类系统误差。在等效源匹配的情况下，在测试端口增加一个固定的衰减器或进行单端口系统校准是能改善视在失配的两种方法。

另一类系统误差与特定网络分析仪系统的检测处理有关。动态精度是大多数测量系统配置中的主要考虑因素。动态精度与接收机在大的幅度范围内精确检测信号的能力有关。在确定接收机可能测量的信号范围时，最大输入信号受接收机输入装置中的压缩限制，而可能检测的最小信号则受接收机本底噪声或受测量硬件中通过不希望路径的信号串扰和漏泄的限制。信号检测电路的固有线性取决于所用接收机检波器的类型。

为了解决各种系统误差问题具体选用何种校准方法，取决于被测件的特性和用于测量的特定网络分析系统。

2、随机误差

随机测量误差的主要来源有噪声源、连接器的重复性和电缆的稳定性。在任何系统中都存在若干噪声源，系统的灵敏度取决于接收机前端下变频器或检波器的噪声。信号源的频谱纯度和接收机本振可能将噪声增加到数据流上。具有可变检测带宽和数据平均的接收机装置提供了减小噪声的某些方法。一般矢量网络分析仪的接收机具有这个功能，用户可以设定接收机的中频带宽，在灵敏度和接收机的扫描速度之间作折衷考虑。

连接器的重复性可能依所用连接器系统的质量而有显著变化。在每种连接器标准中，对所使用的元件存在着不同的质量等级。它们通常被分为工业用连接器、仪器用连接器和精密连接器。相应的元件的成本、容差和射频性能也有所不同。在任何连接器类别中，精密连接器的重复性可能大于60dB，而工业用连接器的重复性则可能小于30 dB。在任何部分特定情况下，连接器的重复性可以通过进行多次连接并测量数据最终的差别来确定。分析应在大量的样本的基础上进行，并用统计方式加以表征。

  电缆是一个主要误差源。若校准之后不移动电缆，则误差一半很小，但这不是系统的典型应用情况。典型情况下，传输相位误差将大于幅度误差。在测量要求极小的移动时，硬线电缆往往更稳定。但若电缆必须经常移动，则优质柔软性电缆是必不可少的。

  漂移和稳定性体现了系统内随时间和温度所发生的变化。这类误差的典型来源可能归因于接收机的下变频和检波随温度而变化。网络分析仪测量系统的许多比值能帮助常用工作方式摆脱对飘移的潜在敏感性。解决这个误差源问题的最适当的办法是，从利用最稳定的硬件着手并在随后经常对测量进行重新校准，以避免在特殊测量环境中出现的一些问题。