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(jiàn)術(shù)語(yǔ)。表征反射的S-參數(shù)，如S11，對(duì)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(diǎn)。它們被廣泛認(rèn)可并應(yīng)用于現(xiàn)代射頻測(cè)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(duì)多個(gè)設(shè)備進(jìn)行S-參數(shù)級(jí)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(huì)反映出入射信號(hào)的任何微小差別，但通過(guò)比率方式表征傳輸信號(hào)或反射信號(hào)相對(duì)于入射信號(hào)的比率關(guān)系時(shí)，差別就會(huì)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(jiǎn)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(cè)量能力。隨著技術(shù)的進(jìn)步，集成度和計(jì)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(lái)越普及。

網(wǎng)絡(luò)分析儀有四個(gè)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(hào)源，用于產(chǎn)生入射信號(hào)，既支持連續(xù)掃頻也支持離散頻點(diǎn)，并且功率可調(diào)。信號(hào)源通過(guò)信號(hào)分離模塊饋入DUT輸入端，信號(hào)分離模塊可看作一個(gè)測(cè)試裝置。在這里，將反射信號(hào)和傳輸信號(hào)分離進(jìn)不同的組件測(cè)量。對(duì)于每一個(gè)頻點(diǎn)，處理器測(cè)量信號(hào)并計(jì)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(cuò)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(shí)，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(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中的四個(gè)模塊。測(cè)試裝置可以設(shè)計(jì)成傳輸/反射(T/R)或全S-參數(shù)。其中，T/R測(cè)試裝置是最基本的實(shí)現(xiàn)方式，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

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

T/R結(jié)構(gòu)包括一個(gè)穩(wěn)定信號(hào)源，它能夠提供指定頻率和功率的正弦波信號(hào);一個(gè)參考接收器R，它與功率分配器或定向耦合器相連，用于測(cè)量入射信號(hào)的幅值和相位。入射信號(hào)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(cè)量任何反射回端口1的信號(hào)(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(hào)，你可以根據(jù)性能，頻率范圍和成本要求進(jìn)行選擇。信號(hào)經(jīng)過(guò)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(cè)量該信號(hào)的幅值和相位。

接收器針對(duì)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(cè)器的窄帶接收機(jī)，類似于矢量信號(hào)分析儀。它們可以提取出信號(hào)的實(shí)、虛部，用于計(jì)算幅值和相位信息。此外，所有接收器都與信號(hào)源使用相同的相位參考，你可以在相同的相位參考下計(jì)算接收信號(hào)與入射信號(hào)的相位關(guān)系。

T/R結(jié)構(gòu)具有性價(jià)比高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能好的特點(diǎn)。但僅只支持前向參數(shù)測(cè)量，例如S11和S21。如要測(cè)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(hào))到端口2，端口2的糾錯(cuò)能力有限。如果T/R結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合你的項(xiàng)目要求，這種結(jié)構(gòu)是一種高精度和高性價(jià)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(hào)通路中嵌入了一個(gè)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(cè)量前向參數(shù)。當(dāng)開關(guān)連通端口2，你無(wú)需重置DUT外部連接，就可以測(cè)量反向參數(shù)。端口2處的定向耦合接收器B測(cè)量前向傳輸參數(shù)和反向反射參數(shù)。接收器A測(cè)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(cè)量路徑上，因此用戶校準(zhǔn)時(shí)需要考慮開關(guān)的不確定性。盡管如此，兩個(gè)開關(guān)位置仍可能會(huì)有細(xì)微的差別。另外，隨著時(shí)間的推移，開關(guān)觸點(diǎn)磨損，需要更頻繁的用戶校準(zhǔn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以把開關(guān)移到源輸出，并且采用兩個(gè)參考接收機(jī)，R1和R2，分別對(duì)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(lái)。

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(cè)試裝置中實(shí)現(xiàn)。一旦分析儀測(cè)量出入射信號(hào)(R參考接收器)和傳輸信號(hào)的幅值和相位，或者是反射信號(hào)(A和B接收器)的幅值和相位，就可計(jì)算出四個(gè)S-參數(shù)值，如圖9所示。

圖9. 全雙端口網(wǎng)絡(luò)的四個(gè)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)。