網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理詳解

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)的進步，集成度和計算效率的提高，成本的降低，矢量網(wǎng)絡(luò)分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。

圖5. 現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)分析儀基本功能模塊

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。

圖6. 網(wǎng)絡(luò)分析儀T/R測試裝置結(jié)構(gòu)

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行選擇。信號經(jīng)過DUT傳輸進入網(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開關(guān)。

圖7. 全S-參數(shù)網(wǎng)絡(luò)分析儀

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。

圖8. 帶有雙參考接收器的全S-參數(shù)網(wǎng)絡(luò)分析儀

網(wǎng)絡(luò)分析儀的基本結(jié)構(gòu)絕大部分在測試裝置中實現(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。

圖9. 全雙端口網(wǎng)絡(luò)的四個S-參數(shù)

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)。