網(wǎng)絡(luò)分析儀的基本原理

1、一種獨特的儀器網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種功能強大的儀器，正確使用時，可以達(dá)到極高的精度。它的應(yīng)用也十分廣泛，在很多行業(yè)都不可或缺，尤其在測量無線射頻（RF元件和設(shè)備的 線性特性方面非常有用。 現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)分析儀還可以應(yīng)用于更具體的場合，例如，信號 完整性和材料的測量。隨著業(yè)界第一款 PXI網(wǎng)絡(luò)分析 儀一NI PXIe - 5630的推出, 你完全可以擺脫傳統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)分析儀的高成本和大占地面積的束縛，輕松地將網(wǎng)絡(luò)分 析儀應(yīng)用于設(shè)計驗證和產(chǎn)線測試。網(wǎng)絡(luò)分析儀的發(fā)展你可以使用圖1所示的NI PXIe-5630矢量網(wǎng)絡(luò)分析 儀測量設(shè)備的幅度，相位 和阻抗。由于網(wǎng)絡(luò)分析 儀是一種封閉的激勵-響應(yīng)系統(tǒng)，你可以在測量RF特

2、性時 實現(xiàn)絕佳的精度。當(dāng)然，充分理解 網(wǎng)絡(luò)分析 儀的基本原理，對于你最大限度的 受益 于網(wǎng)絡(luò)分析儀非常重要。在過去的十年中，矢量網(wǎng)絡(luò)分析 儀由于其較低的成本和高效的制造技術(shù)，流行 度超過了標(biāo)量 網(wǎng)絡(luò)分析 儀。雖然 網(wǎng)絡(luò)分析 理論已經(jīng)存在了數(shù)十年，但是直到20世 紀(jì)80年代早期第一臺現(xiàn)代獨立臺式分析儀才誕生。在此之前 ，網(wǎng)絡(luò)分析儀身形龐 大復(fù)雜,由眾多儀器和外部器件組合而成，且功能受限。NI PXIe-5630的推出標(biāo)志著 網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)展的又一個里程碑，它將矢量網(wǎng)絡(luò)分析功能成功地賦予了靈活，軟件 定義的PXI模塊化儀器平臺。通常我們需要大量的測量實踐，才能實現(xiàn)精確的幅值和相位參數(shù)測量，避免重 大

3、錯誤。由于射頻儀器測量的不確定性，小的錯誤很可能會被忽略不計。 而網(wǎng)絡(luò) 分析儀作為一種精密的儀器能夠測量出極小的錯誤。網(wǎng)絡(luò)分析理論網(wǎng)絡(luò)是一個被高頻率使用的術(shù)語，有很多種現(xiàn)代的定義。就 網(wǎng)絡(luò)分析而言,網(wǎng) 絡(luò)指一組內(nèi)部相互關(guān)聯(lián)的電子元器件。網(wǎng)絡(luò)分析儀的功能之一就是量化兩個射頻 元件間的阻抗不匹配，最大限度地提高功率效率和信號的完整性。每當(dāng)射頻信 號由一個元件進(jìn)入另一個時，總會有一部分信號被反射，而另一部分被傳輸，類似于圖2 所示。這就好比光源發(fā)出的光射向某種光學(xué)器件，例如透鏡。其中,透鏡就類似于 一 個電子網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)透鏡的屬性，一部分光將反射回光源，而另一部分光被傳輸 過 去。根據(jù)能量守恒定律，被

4、反射的信號和傳輸信號的能量總和等于原信號或入射信號的能量。在這個例子中，由于熱量產(chǎn)生的損耗通常是微不足道的，所以忽 略不 計。我們可以定義參數(shù)反射系數(shù)（G,它是一個包含幅值和相位的矢量，代表被反射 的光占總（入射光的比例。同樣，定義傳輸系數(shù)（T代表傳輸?shù)墓庹既肷涔?的矢量 比。圖3示意了這兩個參數(shù)。通過反射系數(shù)和傳輸系數(shù)，你可以更深入地了解被測器件（DUT的性能?；?顧 光的類比,如果DUT是一面鏡子,你會希望得到高反射系數(shù)。 如果DUT是一個鏡 頭，你會希望得到高傳輸系數(shù)。而太陽鏡可能同時具有反射和透射特性。電子網(wǎng)絡(luò)的測量方式與測量光器件的方式類似。 網(wǎng)絡(luò)分析儀產(chǎn)生一個正弦信 號，通常是一個

5、掃頻信號。DUT響應(yīng)時，會傳輸并且反射入射信號。傳輸和反射信 號的強度通常隨著入射信號的頻率發(fā)生變化。DUT對于入射信號的響應(yīng)是DUT性能以及系統(tǒng)特性阻抗不連續(xù)性的表征。 例如,帶通濾波器的帶外具有很高的反射系數(shù)，帶內(nèi)則具有較高的傳輸系數(shù)。 如果 DUT略微偏離特性阻抗則會造成阻抗失配，產(chǎn)生額外的非期望響應(yīng)信號。我們的 目標(biāo)是建立一個精確的測量方法，測量DUT響應(yīng)，同時最大限度的減少或消除不 確 定性。網(wǎng)絡(luò)分析儀測量方法反射系數(shù)（G和傳輸系數(shù)（T分別對應(yīng)入射信號中反射信號和傳輸信號所占的比例。圖3示意了這兩個向量?，F(xiàn)代 網(wǎng)絡(luò)分析基于散射參數(shù)或S-參數(shù)擴充了這種 思想。S參數(shù)是一種復(fù)雜的向量,它

6、們代表了兩個射頻信號的比值。 S參數(shù)包含幅 值 和相位，在笛卡爾形式下表現(xiàn)為實和虛。 S-參數(shù)用S坐標(biāo)系表示,X代表DUT被測 量的輸出端,丫代表入射RF信號激勵的DUT輸入端。圖4示意了一個簡單 的雙端 口器件，它可以表征為射頻濾波器，衰減器或放大器。S11定義為端口 1反射的能量占端口 1入射信號的比例，S21定義為傳輸?shù)?DUT端口 2的能量占端口 1入射信號的比例。參數(shù)S11和S21為前向S參數(shù),這是 因為入射信號來自端口 1的射頻源。對于從端口 2入射信號,S22為端口 2反射的 能量占端口 2入射信號的比例，S12為傳輸?shù)紻UT端口 1的能量占端口 2入射信號 的比例。它們都是反向

7、S-參數(shù)。你可以基于多端口或者N端口 S-參數(shù)擴展這個概念。例如，射頻環(huán)形器，功率 分配器,耦合器都是三端口器件。你可以采用類似于雙端口的分析方法測量 和計算S-參數(shù)，如S13,S32,S33 S11, S22, S33等下標(biāo)數(shù)字一致的S參數(shù)表征反射信號，而 S12,S32,S21和S13等下標(biāo)數(shù)字不一致的S-參數(shù)表征傳輸信號。 此外,S參數(shù)的總 個數(shù)等于器件端口數(shù)的平方，這樣才能完整的描述一個設(shè)備的 RF特性。表征傳輸?shù)腟參數(shù),如S21,類似于增益,插入損耗,衰減等其它常見術(shù)語。 表 征反射的S參數(shù),如S11,對應(yīng)于電壓駐波比（VSWR,回波損耗,或反射系數(shù)。S-參 數(shù)還具有其他優(yōu)點。 它們

8、被廣泛認(rèn)可并應(yīng)用于現(xiàn)代射頻測量。你可以很容易 地將S-參數(shù)轉(zhuǎn)換成H、Z或其他參數(shù)。你也可以對多個設(shè)備進(jìn)行S-參數(shù)級聯(lián),表征復(fù) 合系統(tǒng)的RF特性。更重要的是,S參數(shù)用比率表示。因此，你不需要把入射源功率 設(shè)置為精確值。DUT的響應(yīng)會反映出入射信號的任何微小差別，但通過比率方式表征傳輸信號或反射信號相對于入射信號的比率關(guān)系時，差別就會被消去。網(wǎng)絡(luò)分析儀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分析儀可以分為標(biāo)量（只包含幅度信息和矢量（包含幅度和相位信息 兩種 分析儀。標(biāo)量分析儀曾一度因其結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉而廣泛使用。 矢量分析儀可以提供更好的誤差校正和更復(fù)雜的測量能力。隨著技術(shù)的進(jìn)步，集成度和計算效率的提高，成本的降低，矢量網(wǎng)絡(luò)分

9、析 儀的使用越來越普及。網(wǎng)絡(luò)分析儀有四個基本功能模塊，如圖5所示。信號源,用于產(chǎn)生入射信號，既支持連續(xù)掃頻也支持離散頻點，并且功率可調(diào)。 信號源通過信號分離模塊饋入DUT輸入端,信號分離模塊可看作一個測試裝置。 在這里，將反射信號和傳輸信號分離進(jìn)不同的組件測量。對于每一個頻點，處理器測量信號并計算參數(shù)值（例如S21或駐波比。用戶校準(zhǔn)主要用于提供數(shù)據(jù)的錯誤校 正，將在后續(xù)詳細(xì)介紹。最終，當(dāng)與網(wǎng)絡(luò)分析 儀交互時,你可以在顯示 器上查看參數(shù) 以及修正后的數(shù)值，并使用其它用戶功能，比如縮放波形圖。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析儀性能和成本的不同，有多種方式實現(xiàn)結(jié)構(gòu)中的四個模塊。測 試裝置可以設(shè)計成傳輸/反射（T/R或全

10、S-參數(shù)。其中,T/R測試裝置是最基本的 實 現(xiàn)方式，結(jié)構(gòu)見圖6。T/R結(jié)構(gòu)包括一個穩(wěn)定信號源，它能夠提供指定頻率和功率的正弦波信號；一個 參考接收器R，它與功率分配器或定向耦合器相連，用于測量入射信號的幅 值和相 位。入射信號從 網(wǎng)絡(luò)分析 儀端口 1發(fā)出,饋入DUT的輸入端。定向耦合接 收器 A測量任何反射回端口 1的信號（包括幅值和相位。定向耦合器和電阻橋功 能類 似,都可以用于分離信號，你可以根據(jù)性能，頻率范圍和成本要求進(jìn)行選擇。 信號經(jīng) 過DUT傳輸進(jìn)入 網(wǎng)絡(luò)分析 儀的端口 2,端口 2處的接收器B用于測量該信 號的幅 值和相位。接收器針對不同的特性要求也有不同的結(jié)構(gòu)，可被看作是帶有下

11、變頻器、中頻 濾波器以及矢量檢測器的窄帶接收機，類似于矢量信號分析儀。 它們可以提取 出信 號的實、虛部，用于計算幅值和相位信息。此外，所有接收器都與信號源使用相同的 相位參考,你可以在相同的相位參考下計算接收信號與入射信號的相位 關(guān)系。T/R結(jié)構(gòu)具有性價比高，結(jié)構(gòu)簡單,性能好的特點。但僅只支持前向參數(shù)測 量，例 如S11和S21。如要測量反向參數(shù)，需要斷開并反轉(zhuǎn)DUT ,或者借助外部 開關(guān)控制。由于不能切換源（入射信號到端口 2,端口 2的糾錯能力有限。如果T/R結(jié)構(gòu)設(shè) 計符合你的項目要求，這種結(jié)構(gòu)是一種高精度和高性價比的選擇。全S參數(shù)結(jié)構(gòu)如圖7所示,在參考接收耦合器后的信號通路中嵌入了一個

12、開 關(guān)。當(dāng)開關(guān)連通端口 1,分析儀測量前向參數(shù)。當(dāng)開關(guān)連通端口 2,你無需重置DUT 外部連接,就可以測量反向參數(shù)。 端口 2處的定向耦合接收器B測量前向傳輸參 數(shù)和反向反射參數(shù)。接收器 A測量前向反射參數(shù)和反向傳輸參數(shù)。由于開關(guān)放置在網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量路徑上，因此用戶校準(zhǔn)時需要考慮開關(guān)的不確 定性。盡管如此, 兩個開關(guān)位置仍可能會有細(xì)微的差別。另外,隨著時間的推移，開關(guān)觸點磨損，需要更頻繁的用戶校準(zhǔn)。為了解決這個問題，可以把開關(guān)移到源 輸出，并且采用兩個參 考接收機，R1和R2,分別對應(yīng)前向和反向，如圖8所示。由于采用了更高性能的架構(gòu)， 成本和復(fù)雜性也隨之而來。網(wǎng)絡(luò)分析儀的基本結(jié)構(gòu)絕大部分在測

13、試裝置中實現(xiàn)。 一旦分析儀測量出 入射 信號（R參考接收器和傳輸信號的幅值和相位，或者是反射信號（A和B接收器的幅值 和相位，就可計算出四個S-參數(shù)值，如圖9所示。您可以綜合應(yīng)用，性能，精度，和成本等因素,選擇合適的網(wǎng)絡(luò)分析儀 結(jié)構(gòu)。誤差和不確定度理解矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀不確定度的來源有助于你采取行之有效的用戶校準(zhǔn)方法。對于圖10所示的完整的雙端口網(wǎng)絡(luò)分析儀結(jié)構(gòu)，我們從前向開始分析。 首先， 第一個不確定性是傳輸信號和反射信號由于在頻率上或者分別正，反向的軌道導(dǎo)致的信號丟失。其次，DUT的輸入阻抗和網(wǎng)絡(luò)分析儀或系統(tǒng)阻 抗的差異。同樣，DUT 輸出端也存在類似情況，它們分別屬于源匹配和負(fù)載匹配。用于信

14、號分離的定向耦合器的效率，也需要考慮。理想的定向耦合器在耦合臂產(chǎn) 生輸出信號，它是與主臂 一個方向上的標(biāo)準(zhǔn)信號成比例，而相反方向的信號不產(chǎn) 生輸出信號。耦合器輸出 （耦合臂和標(biāo)準(zhǔn)輸入信號（直通臂的區(qū)別是耦合系 數(shù)。耦合系數(shù)通常在10分貝到30 分貝之間,意味著當(dāng)輸入信號以適當(dāng)方向通過 直通臂時,輸出RF功率電平比其小10 到30分貝。定向耦合器對于反方向的信號不產(chǎn)生輸出。但實際上，這是很難實現(xiàn)的。 盡管是很小的,反方向的信號通過實際的耦合器仍然會在輸出端產(chǎn)生不必要的響應(yīng)。這種不需要的信號定義為耦合器泄露。耦合系數(shù)與耦合泄露的差別稱為耦合器的定 向性。最后是隔離。端口 2的接收器檢測到端口 1輻

15、射或傳導(dǎo)的少量的信號，在現(xiàn)代 網(wǎng)絡(luò)分析儀,這種不必要的泄露通常很小。總的來說，不影響測量，除非DUT有很高 的損失。盡管推薦,在許多現(xiàn)代矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中。 隔離在校準(zhǔn)中只是一種可 選 的操作。一個完整的網(wǎng)絡(luò)分析儀正向不確定性的來源包括：傳輸和反射追蹤；負(fù)載和源匹 配;定向性和隔離，這些再結(jié)合反向6個誤差項，共有12誤差項。用戶校準(zhǔn)需 要充分 考慮這12個誤差，以便得到適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)來用到測量數(shù)據(jù)當(dāng)中。這項 修正是矢量 網(wǎng)絡(luò)分析儀的顯著的精度的主要原因。校準(zhǔn)RF設(shè)備的校準(zhǔn)經(jīng)常需要把儀器周期性的送到一個經(jīng)過認(rèn)定的儀器校準(zhǔn)實驗室 來進(jìn)行以確保該儀器運行在生產(chǎn)商的說明以內(nèi)，實驗室也往往把儀器的性能調(diào)整

16、到 一個標(biāo)準(zhǔn)，比如說國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院所指定的標(biāo)準(zhǔn)。（NIST。網(wǎng)絡(luò)分析儀也不例外。它們太需要周期性的校準(zhǔn)，以至于有時達(dá)不到高的精準(zhǔn) 度,用戶的校準(zhǔn)也經(jīng)常被需要。網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)通常通過一個網(wǎng)絡(luò)分析儀的套包的一系列校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)或者是用戶制定，用戶定義的標(biāo)準(zhǔn)來完成。 一系列的修正參數(shù)通過比較已經(jīng)知道的存儲在網(wǎng)絡(luò)分析儀的數(shù)據(jù)和根據(jù)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)所產(chǎn)生的測量數(shù)據(jù) 產(chǎn)生了出來。在校準(zhǔn)測試中這些就被用在數(shù)據(jù)中以補償在前面章節(jié)討論過的錯誤 源。許多因素決定著用戶校準(zhǔn)需要多久進(jìn)行一次。你需要考慮的因素包括需要的測試精度，環(huán)境因素，以及DUT連接的可重復(fù)性。通常情況下，網(wǎng)絡(luò)分析儀每幾個 小 時或每幾天需要一次用戶校準(zhǔn)

17、，你應(yīng)當(dāng)根據(jù)核實的標(biāo)準(zhǔn)，測試不穩(wěn)定因素來源 的認(rèn) 定,以及個人經(jīng)驗來決定多久才需要進(jìn)行校準(zhǔn)。需要說明一點，本次討論用 周期校準(zhǔn)來描述用戶校準(zhǔn)，不要與推薦的每年經(jīng)過認(rèn)定的工廠校準(zhǔn)相混淆。三個系列的校準(zhǔn)經(jīng)常用在網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)當(dāng)中：1. 短路的，開路的，負(fù)荷的，直達(dá)的（SOLT2. 直達(dá)的，反射的,線性的（TRL3. 使用外部自動化的校準(zhǔn)模型的自動校準(zhǔn)由于每一個系列的校準(zhǔn)都有很多不同的要求，需要根據(jù)DUT ,測試系統(tǒng)，以及測 試要求來決定使用哪一種方法。由于 SOLT被廣泛地使用，我們用它來說明一個校 準(zhǔn)系列中的變化。SOLT要求在系統(tǒng)（和DUT以及阻抗中采用短路的,開路的，負(fù)荷型的,直通的的 標(biāo)

18、準(zhǔn)。由他們的機械上的特點所決定的精準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)在校準(zhǔn)之前被載入到網(wǎng)絡(luò)分析器中。你連接校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的位置（網(wǎng)絡(luò)分析儀端口，線纜的末端，或者在測試的固 定裝置里面就是測試時開始和結(jié)束的地方。這就是參考平臺或者是測試平臺。進(jìn)一步說明，你必須用一個可插入的連接制作一個直通的連接。舉個例子,一個公口對母口的連接，或者其他不需要外部設(shè)備或轉(zhuǎn)接器的連接來完成在 SOLT測 試期間的直通連接。 在校準(zhǔn)期間插入任何器件以及不在校準(zhǔn)測量中使用該器件都 會導(dǎo)致測量錯誤。如果你不能做一個直通的連接，將會被稱為不可插入的。這里有幾種方法可以 用來處理不可插入的情況。，最簡單的是使用一套相位相同的（包括在大多數(shù)的校 準(zhǔn)套包中

19、轉(zhuǎn)接器以及每種類型的短路，開路,負(fù)載，在校準(zhǔn)過程中使用一個轉(zhuǎn) 接器來 完成直通的連接，而且在校準(zhǔn)測試過程中為了 DUT連接用一個合適的轉(zhuǎn)接器與其 交換。其他校準(zhǔn)在SOLT系列的校準(zhǔn)包括響應(yīng)型校準(zhǔn)。它比較迅速，但是卻沒有移除 在頻率上的帶寬損失那樣精確。它只考慮了在 12錯誤模型的正反向的情況。你可 以通過放置短路，開路,負(fù)載的情況在端口一來進(jìn)行一個端口的校準(zhǔn)。這樣可以 節(jié)省一些時間，如果你只要進(jìn)行一個端口測量的話，比如一個天線的回傳損失。 一個加 強的一個端口校準(zhǔn)如同一個完全的一端口校準(zhǔn)，而且使用直通的連接來測 量端口二, 這在端口二沒有源的T/R結(jié)構(gòu)中很普遍。最終這里有按照校準(zhǔn)規(guī)定的 可以在

20、兩個 端口都放置短路,開路,負(fù)載的完全雙端口 SOLT校準(zhǔn)。圖11總結(jié)了這些普通的 SOLT系列校準(zhǔn)。SOLT和TRL校準(zhǔn)有很多變化，你可以在實際端子不存在比如探針節(jié)點 或者如 果DUT是在一個測試固定物中的應(yīng)用中使用 TRL校準(zhǔn)。因為TRL并不需要負(fù)載, 在這些情況下他可以得到很好的實現(xiàn)。自動化校準(zhǔn)是一種比較新的途徑，由于它們的速度，可重復(fù)性，簡單易用很快已 經(jīng)獲得了流行。更進(jìn)一步，它們?nèi)コ舜蠖鄶?shù)的人工干預(yù)，從而極大地減少了在 校 準(zhǔn)期間誤操作的概率。 這些單元傳統(tǒng)上包括一個電子元件，比如二極管，終端或者 其他的標(biāo)志物以及在EEPROM上存儲的經(jīng)過編碼的相關(guān)的細(xì)節(jié)化的電子描述信息。當(dāng)連接到了網(wǎng)絡(luò)分析器上以后，自動校準(zhǔn)就會被設(shè)置到不同的狀態(tài)。在 校準(zhǔn)過程中這些狀態(tài)被測量并和 EEPROM中存儲的相關(guān)狀態(tài)相比較，以達(dá)到正確 的修正值。無論你采用了哪一種校準(zhǔn)方法，隨機的錯誤發(fā)生來源都應(yīng)當(dāng)予以避 免，減少IF帶寬，使用平均值減少噪音，提供更好的結(jié)果。當(dāng)校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀的 時候，高質(zhì) 量的組成部分，鞏固的測量實踐，以及一個關(guān)于校準(zhǔn)步驟和儀器的全 面理解是同 等重要的。工序要求當(dāng)用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行精確測量時，需要理解和正確執(zhí)行每個步驟以便得