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(jì)，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(qiáng)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—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(jì)驗(yàn)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(shí)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。

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(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(dú)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(shí)踐，才能實(shí)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(jì)。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(jì)。

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?。圖3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。回顧光的類比，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(qiáng)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(kuò)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(shí)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，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?yàn)槿肷湫盘杹碜远丝?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(kuò)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(jì)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(diǎn)。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(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(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(diǎn)，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(diǎn)，處理器測量信號并計(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(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中的四個模塊。測試裝置可以設(shè)計(jì)成傳輸/反射(T/R)或全S-參數(shù)。其中，T/R測試裝置是最基本的實(shí)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(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)，可被看作是帶有下變頻器、中頻濾波器以及矢量檢測器的窄帶接收機(jī)，類似于矢量信號分析儀。它們可以提取出信號的實(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(diǎn)。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(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(diǎn)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(jī)，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(shí)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(jì)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)。