網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理詳解

中心議題：

網(wǎng)絡(luò)分析的基本原理

網(wǎng)絡(luò)分析理論

網(wǎng)絡(luò)分析儀測量方法

網(wǎng)絡(luò)分析儀結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)分析儀已廣泛在研發(fā)，生產(chǎn)中大量使用，網(wǎng)絡(luò)分析儀被廣泛地應(yīng)用于分析各種不同部件 ，材料，電路，設(shè)備和系統(tǒng)。無論是在研發(fā)階段為了優(yōu)化模擬電路的設(shè)計，還是為了調(diào)試檢測電子元器件，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀都成為一種不可缺少的測量儀器。

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—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)分析的基本原理 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特性時實現(xiàn)絕佳的精度。當然，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。

網(wǎng)絡(luò)分析的基本原理

圖1. NI PXle-5630 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

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。每當射頻信號由一個元件進入另一個時，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。

圖2. 利用光來類比網(wǎng)絡(luò)分析的一個基本原理

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)墓庹既肷涔獾氖噶勘取D3示意了這兩個參數(shù)。

圖3. 傳輸系數(shù)(T)和反射系數(shù)(G)

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?；仡櫣獾念惐龋绻鸇UT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坐標系表示，X 代表DUT被測量的輸出端，Y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。

圖4. 簡單的雙端口設(shè)備的 S-參數(shù)表示

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)紻UT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。