射頻萬(wàn)用表-網(wǎng)絡(luò)分析與網(wǎng)絡(luò)分析儀

射頻萬(wàn)用表——網(wǎng)絡(luò)分析與網(wǎng)絡(luò)分析儀若干電氣元件相互連接形成的系統(tǒng)叫做網(wǎng)絡(luò)?！熬W(wǎng)絡(luò)”可以作為電路的代名詞，“網(wǎng)絡(luò)分析”就是電路分析，只是平常很少這樣說(shuō)，由此增添了幾分神秘色彩。到了射頻通信領(lǐng)域，可以把任何具有一個(gè)以上端口的電路單元稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)，并且常常把這種網(wǎng)絡(luò)視為“黑箱”，并不去關(guān)心電路單元內(nèi)部是怎么回事，而是給端口加上適當(dāng)?shù)募?lì)信號(hào)，測(cè)試電路的反應(yīng)，從而表征這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。射頻通信領(lǐng)域常說(shuō)的“網(wǎng)絡(luò)分析”，就是這種以端口為界，描繪射頻電路性能的工作。散射參數(shù)為了進(jìn)一步了解網(wǎng)絡(luò)分析給我們帶來(lái)的便利，有必要先了解網(wǎng)絡(luò)分析的語(yǔ)言——散射參數(shù)。圖（1）是一個(gè)Π型衰減器，圖（2）是它的電路圖，如何最簡(jiǎn)單明確的描述它的性能呢？熟悉傳統(tǒng)電路分析的人不難想到，可以先把右邊的端口開(kāi)路，然后用萬(wàn)用表測(cè)試左邊的電阻；再把左邊開(kāi)路，測(cè)試右邊的電阻。給左邊通上適當(dāng)?shù)碾娏?，然后用電壓表測(cè)試右邊的電壓，然后反過(guò)來(lái)再測(cè)試一次。根據(jù)這些數(shù)據(jù)依次得到四個(gè)參數(shù)：開(kāi)路輸入電阻、開(kāi)路輸出電阻，開(kāi)路正向傳輸電阻、開(kāi)路反向傳輸電阻。當(dāng)看到這一堆似曾相識(shí)參數(shù)之后，您一定會(huì)問(wèn)：這東西與衰減器有啥關(guān)系，大家喜聞樂(lè)見(jiàn)的衰減量是多少？圖1圖2這個(gè)例子說(shuō)明，在低頻電路上常用的Z參數(shù)（開(kāi)路阻抗參數(shù)），用在射頻通信領(lǐng)域既不符合習(xí)慣，也難以測(cè)量。歸納起來(lái)，有三個(gè)重要原因促使我們選擇一種新的參數(shù)來(lái)描述電路：（1）大多數(shù)射頻電路不允許端口開(kāi)路或短路，因?yàn)檫@樣做會(huì)讓電路偏離預(yù)定的工作狀態(tài)；（2）波長(zhǎng)很短的時(shí)候，即使信號(hào)只傳播很短距離，也會(huì)發(fā)生不可忽視的相位移動(dòng)，使測(cè)試計(jì)算變得非常困難；（3）需要有一整套方法，能夠根據(jù)所得到的參數(shù)迅速簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)電路?；谏鲜鲈?，散射參數(shù)應(yīng)運(yùn)而生。散射參數(shù)（ScatteringParameters）常被簡(jiǎn)稱(chēng)為S參數(shù)。和阻抗參數(shù)類(lèi)似，對(duì)于有兩個(gè)端口的網(wǎng)絡(luò)（例如衰減器）而言，它也包括四個(gè)部分，用Sij表示，其中，i表示待檢測(cè)端口，j表示激勵(lì)信號(hào)的入射端口：S11：被測(cè)器件（deviceundertesting，簡(jiǎn)稱(chēng)DUT）的一個(gè)端口對(duì)信號(hào)的反射量，又稱(chēng)回波損耗；S21：信號(hào)通過(guò)被測(cè)器件時(shí)產(chǎn)生的變化（幅度和相位變化，又稱(chēng)插損或增益）；S12：信號(hào)以相反方向通過(guò)被測(cè)器件時(shí)產(chǎn)生的變化；S22：被測(cè)器件的另一個(gè)端口對(duì)信號(hào)的反射量。當(dāng)一個(gè)端口在測(cè)試時(shí)沒(méi)有被用到時(shí)，應(yīng)接上匹配負(fù)載，于是電路能夠非常接近正常的工作狀態(tài)。測(cè)量散射參數(shù)，只需要了解信號(hào)流經(jīng)被測(cè)器件時(shí)產(chǎn)生的變化，同時(shí)又不會(huì)對(duì)電路的正常工作造成影響，因此更加簡(jiǎn)單、直接。后面將要介紹的網(wǎng)絡(luò)分析儀，就是專(zhuān)門(mén)測(cè)量散射參數(shù)的裝置。通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算，散射參數(shù)能夠被轉(zhuǎn)換為其它類(lèi)型的參數(shù)。S參數(shù)是歸一化的相對(duì)值四個(gè)S參數(shù)都代表出射信號(hào)與入射信號(hào)的電壓比（或功率比，在計(jì)算時(shí)應(yīng)統(tǒng)一）。還是用衰減器來(lái)舉例，圖（2）中，入射信號(hào)的功率是1W，經(jīng)過(guò)待測(cè)器件，輸出0.1W，則S21=0.1/1=0.1。換算成分貝值則為-10dB。于是這支衰減器的衰減量是10dB。這一相對(duì)值又是頻率的函數(shù)。隨著頻率的變化，衰減器的衰減量可能發(fā)生波動(dòng)。把頻率作為橫坐標(biāo)，衰減量作為縱坐標(biāo)，可以得到幅度——頻率特性圖，簡(jiǎn)稱(chēng)幅頻特性圖。有的時(shí)候還需要關(guān)心信號(hào)通過(guò)電路以后相位發(fā)生的變化。例如一支天線(xiàn)，給他輸入1W∠0°的信號(hào)，在天線(xiàn)的端口上測(cè)到反射信號(hào)功率為入射信號(hào)的0.5倍（稱(chēng)為反射系數(shù)），但是反射信號(hào)與入射信號(hào)之間，電壓的相位相差了90度，則天線(xiàn)的S11表示為0.707∠90°，表明有-3dB的回波損耗，且相位滯后90度。網(wǎng)絡(luò)分析的效益了解了散射參數(shù)以后再來(lái)探討網(wǎng)絡(luò)分析的效益就很容易理解。上面舉例的衰減器，當(dāng)對(duì)他進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析以后，直接得到了衰減量這個(gè)參數(shù)，就能直觀(guān)的了解衰減器接入射頻電路以后會(huì)產(chǎn)生什么效果。下面天線(xiàn)的例子，進(jìn)一步說(shuō)明了這種分析方法的方便之處。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析，能夠直接測(cè)到天線(xiàn)的S11參數(shù)，包含一個(gè)幅度（或功率）關(guān)系和一個(gè)相位關(guān)系，例如0.5∠90°。圖（3）是一個(gè)極坐標(biāo)的S11關(guān)系圖，它的徑向坐標(biāo)代表幅度關(guān)系，繞軸旋轉(zhuǎn)的角度代表相位關(guān)系。圖（4）是一個(gè)直角坐標(biāo)表示的阻抗圖，橫坐標(biāo)代表電阻，縱坐標(biāo)代表電抗。對(duì)圖（4）做從直角坐標(biāo)到極坐標(biāo)的坐標(biāo)變換，并讓刻度符合單位阻抗（Zn=Z/Z0,Z0=50Ω）與反射系數(shù)（Γ）之間的關(guān)系式Zn=（1+Γ）/(1-Γ)，可以得到圖（5）所示的阻抗圓圖。圖（3）和圖（5）重疊起來(lái)，得到史密斯圓圖（SmithChat，圖6）。在這張圖上，可以根據(jù)S11參數(shù)，直接讀取天線(xiàn)的輸入阻抗。我們的目的是匹配以傳輸最大的功率，這時(shí)有兩種方法：（1）傳輸線(xiàn)末端提供一個(gè)與天線(xiàn)輸入阻抗共軛的輸出阻抗；（2）通過(guò)調(diào)試和接入匹配元件，讓天線(xiàn)的輸入阻抗變?yōu)榧兇獾?0歐。對(duì)于后一種方法，匹配元件的大小，可以在史密斯圖上方便的求解。圖3圖4圖5圖6不論是反射系數(shù)-相位圖還是史密斯圖，都沒(méi)有頻率坐標(biāo)。一個(gè)頻率的S參數(shù)，只對(duì)應(yīng)圖上的一個(gè)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)分析儀顯示結(jié)果的過(guò)程，就是掃描若干頻率，然后把測(cè)得的S參數(shù)都畫(huà)在圖上，用平滑的曲線(xiàn)連接起來(lái)。事實(shí)上人們發(fā)明了一整套使用S參數(shù)的辦法，能夠極大的簡(jiǎn)化射頻電路設(shè)計(jì)。這方面已經(jīng)有很多資料，感興趣的讀者可以自行了解。網(wǎng)絡(luò)分析儀有了上文的基礎(chǔ)，現(xiàn)在我們應(yīng)該關(guān)心一下如何求得S參數(shù)。在很久以前，求S參數(shù)雖然已經(jīng)是網(wǎng)絡(luò)分析中最便捷的手段，但仍是一件非常麻煩的事情。原理上無(wú)外乎用信號(hào)源給待測(cè)器件送入一個(gè)穩(wěn)定的信號(hào)，然后用電平表測(cè)輸出功率，或者用測(cè)量線(xiàn)在不同的距離上測(cè)試電壓，從而計(jì)算得到幅度和相位。問(wèn)題就在于這種測(cè)試每次只能針對(duì)一個(gè)頻率，如果要了解不同頻率上的變化趨勢(shì)，就需要進(jìn)行多次測(cè)量，有的時(shí)候一測(cè)就是幾天。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制的網(wǎng)絡(luò)分析儀問(wèn)世，這種儀器可以連續(xù)不斷的對(duì)多個(gè)頻率的S參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，而且只需要若干秒時(shí)間。特別是最近十年，3GHz以下的網(wǎng)絡(luò)分析儀大幅度降價(jià)，在國(guó)內(nèi)還出現(xiàn)了所謂“公版”儀器，各地廠(chǎng)商風(fēng)起云涌，讓這種以前只有大型科研單位才能安置的昂貴設(shè)備，一下子普及到幾乎所有射頻工程師手中，不久的將來(lái)，還會(huì)普及到愛(ài)好者手中。最簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)分析儀——掃頻儀掃頻儀是一種S21參數(shù)的測(cè)試裝置，它的框圖如圖（7）。它由一個(gè)頻率可變的信號(hào)源和一個(gè)檢波器組成。待測(cè)器件接在信號(hào)源和檢波器之間。測(cè)試時(shí)，先把檢波器直接接在信號(hào)源上，讓信號(hào)源掃過(guò)所有需要測(cè)試的頻率，并把檢波器檢測(cè)到的幅度存儲(chǔ)下來(lái)。接上待測(cè)器件之后，檢波器檢測(cè)到一個(gè)新的幅度（功率）值。把新的幅度值與剛才存儲(chǔ)的幅度值進(jìn)行比較，即可得到S21參數(shù)。用計(jì)算機(jī)控制信號(hào)源連續(xù)的掃描，可以繪制出幅頻特性圖。圖7為掃頻儀增加反射電橋或定向耦合器，便可用于測(cè)量S11參數(shù)。S11參數(shù)和電壓駐波比（VSWR）之間可以直接換算，因此又可以顯示駐波比曲線(xiàn)。掃頻儀只能得到幅頻特性圖，因此是一種標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀。多輸入通道的掃頻儀圖7的掃頻儀只有一個(gè)檢測(cè)通道，這種儀器給出的S參數(shù)雖然是相對(duì)值，但是測(cè)量的卻是絕對(duì)值。從絕對(duì)值到S21參數(shù)，靠的是把測(cè)試結(jié)果與存儲(chǔ)的結(jié)果進(jìn)行比較。這種方式無(wú)法回避一個(gè)問(wèn)題：隨著待測(cè)器件的不同，信號(hào)源的輸出功率可能會(huì)發(fā)生變化。為了消除這種誤差，通常使用兩通道的掃頻儀（圖8），其中一個(gè)通道作為“參考通道”。用分路器從信號(hào)源上直接取出一部分信號(hào)送進(jìn)參考通道，另一個(gè)通道數(shù)值和參考通道進(jìn)行比較，得到S參數(shù)。平?？吹降臉?biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀幾乎都是這種多通道的掃頻儀。圖8多通道的標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀還可以借助一些巧妙的辦法實(shí)現(xiàn)矢量分析，例如卡雷爾·霍夫曼的技術(shù)。隨著矢量分析儀的進(jìn)步，這種應(yīng)用已經(jīng)日趨減少。帶跟蹤源的頻譜儀掃頻儀的檢波器具有寬帶特性。不論是測(cè)試信號(hào)，還是信號(hào)源的諧波以及外部耦合的各種干擾，都同時(shí)被檢波。被測(cè)器件如果是陷波器，對(duì)諧波就不能產(chǎn)生有效的壓縮，于是測(cè)到的陷波量不能小于諧波的量。如果被測(cè)器件是已經(jīng)安裝好的天線(xiàn)，那么天線(xiàn)接收到的空中信號(hào)也會(huì)進(jìn)入檢波器，這會(huì)導(dǎo)致測(cè)到的駐波值虛大。此外，檢波器的動(dòng)態(tài)范圍通常最多達(dá)到70dB左右，導(dǎo)致儀器的動(dòng)態(tài)范圍較小。帶跟蹤源的頻譜儀把掃頻儀的檢波器換成了頻譜儀的接收機(jī)。頻譜接收機(jī)只響應(yīng)中頻帶寬內(nèi)的信號(hào)，跟蹤源的諧波和外部耦合的干擾不對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生明顯影響，因此可以測(cè)試陷波型器件。頻譜儀具有較低的檢波噪聲和良好的中頻放大器，這種由跟蹤源和頻譜儀組成的網(wǎng)絡(luò)分析儀通常能達(dá)到100dB以上的動(dòng)態(tài)范圍。如果沒(méi)有跟蹤源，可以使用頻譜儀的最大值保持功能，與手動(dòng)掃描的信號(hào)源組成簡(jiǎn)易網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)。一些高檔的標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀也采用類(lèi)似方案。由于網(wǎng)絡(luò)分析儀的信號(hào)源頻率及其諧波是可以預(yù)知的，因此這種儀器的“頻譜接收機(jī)”并不需要太好的帶外抑制指標(biāo)，可以采用比通常的頻譜儀簡(jiǎn)單得多的接收機(jī)。相位檢測(cè)除了一些特殊場(chǎng)合，前面談到的網(wǎng)絡(luò)分析儀只能得到幅頻特性圖及由它衍生而來(lái)的駐波曲線(xiàn)圖，因此是標(biāo)量?jī)x器。要想得到被測(cè)器件的阻抗參數(shù)，必須對(duì)輸入、輸出信號(hào)的相位進(jìn)行比較，因而需要用到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VectorNetworkAnalyzer，VNA），簡(jiǎn)稱(chēng)矢網(wǎng)。所有的網(wǎng)絡(luò)分析儀都由信號(hào)源和某種形式的、專(zhuān)門(mén)用于檢測(cè)信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)的檢測(cè)器組成，矢網(wǎng)與標(biāo)網(wǎng)的主要硬件區(qū)別在于檢測(cè)器。為了在足夠的動(dòng)態(tài)范圍上進(jìn)行矢量檢測(cè)，一般來(lái)說(shuō)需要先對(duì)信號(hào)進(jìn)行混頻，用中頻濾波器精確的選通信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)，然后在中頻上進(jìn)行相位比較。這種儀器的原理如圖（9）所示。圖9矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀示意框圖歷史上，相位檢測(cè)多是基于觸發(fā)器原理。首先對(duì)需要比較相位的兩路中頻信號(hào)進(jìn)行整形，然后送入兩個(gè)觸發(fā)器中。當(dāng)一個(gè)觸發(fā)器被信號(hào)的上升沿過(guò)零觸發(fā)的時(shí)候，計(jì)數(shù)器開(kāi)始數(shù)時(shí)鐘脈沖。當(dāng)另一個(gè)觸發(fā)器被觸發(fā)時(shí)，停止脈沖計(jì)數(shù)。這樣得到的是兩路中頻的上升沿的時(shí)間差。由于中頻頻率是已知的，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單換算就能得到相位差。假設(shè)中頻頻率是100KHz，為了得到0.1度的相位分辨率，在不采用額外手段的情況下，需要時(shí)鐘頻率高于360MHz。當(dāng)前常用的相位檢測(cè)方法基于同步檢波的原理，并且逐漸依靠數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。同其他方法一樣，待測(cè)件的輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的一部分（稱(chēng)之為參考輸入，在儀器上用R端口表示）首先被同步下變頻到比較低的中頻頻率。如果不設(shè)參考通道，則信號(hào)源需要同變頻本振鎖相。經(jīng)過(guò)中頻濾波和幅度調(diào)理以后，用ADC進(jìn)行同步采樣，得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入大規(guī)模FPGA，進(jìn)行數(shù)字變頻產(chǎn)生兩組I/Q信號(hào)，經(jīng)數(shù)字濾波后，將其中一組信號(hào)取共軛以后與另一組信號(hào)相乘，再采用適當(dāng)?shù)氖噶啃D(zhuǎn)算法求取相位差。也可以采用其他數(shù)學(xué)運(yùn)算求得相位差，這些處理基本上由軟件完成，具有很高的靈活性。對(duì)數(shù)字處理過(guò)程進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，能夠以比較高的效率達(dá)到0.1度以?xún)?nèi)的鑒相精度。僅僅得到相位差和幅度差是不夠的——測(cè)到的這些數(shù)值，并不是待測(cè)件上的真實(shí)情況。不論是混頻、濾波、信號(hào)調(diào)理，還是電纜、插座、電橋，都會(huì)對(duì)幅度和相位造成影響，必須把這些影響從測(cè)到的原始數(shù)據(jù)上消去才能得到正確的結(jié)果。對(duì)于S11測(cè)量誤差的消除，通常采用開(kāi)路-短路-負(fù)載三步法校準(zhǔn)。這種校準(zhǔn)要求先將儀器端口開(kāi)路，存儲(chǔ)開(kāi)路狀態(tài)下的一組數(shù)據(jù)，然后再存儲(chǔ)短路和接匹配負(fù)載時(shí)的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)作為誤差模型的已知量，用于確定任意其他測(cè)試時(shí)的誤差并讓結(jié)果返璞歸真。采用適當(dāng)?shù)男?zhǔn)模型，不但能消去儀器內(nèi)外各種連接線(xiàn)的電長(zhǎng)度誤差、濾波器和放大器的相移，還能大幅降低對(duì)硬件的某些指標(biāo)的要求，正巧這些指標(biāo)原本已經(jīng)很難提高了，電橋的定向性就是一例。這里舉一個(gè)理想化的例子，實(shí)際情況復(fù)雜得多。已知駐波電橋的定向性為0dB，即沒(méi)有定向性，如何測(cè)量一個(gè)回波損耗小于30dB，即駐波小于1.1的天線(xiàn)？了解天分儀的讀者或許認(rèn)為有點(diǎn)天方夜譚，但是校準(zhǔn)確實(shí)能解決這個(gè)問(wèn)題——前提是正向信號(hào)的提取點(diǎn)和電橋之間有緩沖。試想如果給儀器接上匹配負(fù)載，將此時(shí)測(cè)到的正向信號(hào)和“反向信號(hào)”的幅度和相位關(guān)系存儲(chǔ)下來(lái)。然后接上天線(xiàn)，讓儀器重新測(cè)量，并根據(jù)剛才存儲(chǔ)的相位幅度關(guān)系，推算出本底的“反向信號(hào)”，將其從結(jié)果中減去，就得到了實(shí)際的反向信號(hào)。此時(shí)您大概在想，如果S21測(cè)試的隔離度不好，能否如法炮制？剛才我們做了一個(gè)減法，讓定向性無(wú)中生有，看起來(lái)很好玩，但成本卻很高。儀器必須有足夠的相位和幅度分辨率，軟件才能算出并不太多的一點(diǎn)定向性來(lái)。兩個(gè)正弦信號(hào)，如果絲毫不差，它們相減恰好等于零。如果差一點(diǎn)點(diǎn)，相減以后就會(huì)留下不少東西。對(duì)于矢網(wǎng)而言，0.1dB的幅度分辨率和0.1°的相位分辨率是起碼的指標(biāo)。在這樣的分辨率上保持穩(wěn)定很難，一旦漂移或改變測(cè)試條件，校準(zhǔn)模型即刻失效，因此要經(jīng)常校準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)分析的常見(jiàn)用途通過(guò)上面的敘述，網(wǎng)絡(luò)分析能做什么，讀者可能已經(jīng)比還想得遠(yuǎn)了。最后再為大家梳理一下，作為文章的結(jié)尾。最簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)分析儀——掃頻儀，利用少量的附件（例如駐波電橋），已經(jīng)可以滿(mǎn)足通信工程中的大部分驗(yàn)證性用途和少部分調(diào)試用途之需，得到的是S11和S21標(biāo)量數(shù)據(jù)。例如檢驗(yàn)天線(xiàn)、電纜、分路器等射頻器件。如果軟件支持，還能當(dāng)信號(hào)發(fā)生器和場(chǎng)強(qiáng)表使用，雖然不太準(zhǔn)確。同時(shí)，掃頻儀可以調(diào)試帶通濾波器，尋找線(xiàn)圈和諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振點(diǎn)，對(duì)于帶阻濾波器、陷波器等，如果不要求很大的陷波比，也可以進(jìn)行初步的調(diào)試。在調(diào)試大陷波比的陷波器（例如雙工器）時(shí)，可通過(guò)串聯(lián)低通或帶通濾波器來(lái)增大觀(guān)察范圍。當(dāng)然，掃頻儀是一種簡(jiǎn)單的標(biāo)量?jī)x器，無(wú)法直接讀出阻抗，也就不能直觀(guān)的找出匹配參數(shù)?；趯拵z波的特性，也不主張用它調(diào)試放大器和其它有源電路。天線(xiàn)分析儀屬于單端口網(wǎng)絡(luò)分析儀。雖然很多東西都叫天線(xiàn)分析儀，但是性質(zhì)卻相差甚遠(yuǎn)。如果把電橋內(nèi)置在掃頻儀中，就成為最簡(jiǎn)單的天線(xiàn)分析儀，能夠測(cè)試天線(xiàn)的駐波曲線(xiàn)。不論是掃頻儀還是這種簡(jiǎn)單天分，用于有強(qiáng)烈外部干擾的場(chǎng)合都可能使測(cè)試結(jié)果虛大。介于掃頻儀和矢量天線(xiàn)分析儀之間，還有一種“半矢量天分”，它具有某種形式的測(cè)試相位或阻抗的能力，但是并不提供校準(zhǔn)功能。用它測(cè)一支100Ω純電阻的天線(xiàn)，如果連接了相當(dāng)于八分之一