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(cè)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(wú)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(cè)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(cè)量?jī)x器。

網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種功能強(qiáng)大的儀器，正確使用時(shí)，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(cè)量無(wú)線射頻(RF)元件和設(shè)備的線性特性方面非常有用?，F(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)分析儀還可以應(yīng)用于更具體的場(chǎng)合，例如，信號(hào)完整性和材料的測(cè)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(cè)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(cè)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(lì)-響應(yīng)系統(tǒng)，你可以在測(cè)量RF特性時(shí)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(duì)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(guò)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(guò)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(tái)現(xiàn)代獨(dú)立臺(tái)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(gè)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(tái)。

通常我們需要大量的測(cè)量實(shí)踐，才能實(shí)現(xiàn)精確的幅值和相位參數(shù)測(cè)量，避免重大錯(cuò)誤。由于射頻儀器測(cè)量的不確定性，小的錯(cuò)誤很可能會(huì)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(cè)量出極小的錯(cuò)誤。

網(wǎng)絡(luò)分析理論

網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)被高頻率使用的術(shù)語(yǔ)，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(gè)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(hào)的完整性。每當(dāng)射頻信號(hào)由一個(gè)元件進(jìn)入另一個(gè)時(shí)，總會(huì)有一部分信號(hào)被反射，而另一部分被傳輸，類(lèi)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(lèi)似于一個(gè)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(guò)去。根據(jù)能量守恒定律，被反射的信號(hào)和傳輸信號(hào)的能量總和等于原信號(hào)或入射信號(hào)的能量。在這個(gè)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(lái)類(lèi)比網(wǎng)絡(luò)分析的一個(gè)基本原理

我們可以定義參數(shù)反射系數(shù)(G)，它是一個(gè)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(gè)參數(shù)。

圖3. 傳輸系數(shù)(T)和反射系數(shù)(G)

通過(guò)反射系數(shù)和傳輸系數(shù)，你可以更深入地了解被測(cè)器件(DUT)的性能?；仡櫣獾念?lèi)比，如果DUT是一面鏡子，你會(huì)希望得到高反射系數(shù)。如果 DUT是一個(gè)鏡頭，你會(huì)希望得到高傳輸系數(shù)。而太陽(yáng)鏡可能同時(shí)具有反射和透射特性。

電子網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量方式與測(cè)量光器件的方式類(lèi)似。網(wǎng)絡(luò)分析儀產(chǎn)生一個(gè)正弦信號(hào)，通常是一個(gè)掃頻信號(hào)。DUT響應(yīng)時(shí)，會(huì)傳輸并且反射入射信號(hào)。傳輸和反射信號(hào)的強(qiáng)度通常隨著入射信號(hào)的頻率發(fā)生變化。

DUT對(duì)于入射信號(hào)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(huì)造成阻抗失配，產(chǎn)生額外的非期望響應(yīng)信號(hào)。我們的目標(biāo)是建立一個(gè)精確的測(cè)量方法，測(cè)量DUT響應(yīng)，同時(shí)最大限度的減少或消除不確定性。

網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量方法

反射系數(shù)(G)和傳輸系數(shù)(T)分別對(duì)應(yīng)入射信號(hào)中反射信號(hào)和傳輸信號(hào)所占的比例。圖3示意了這兩個(gè)向量。現(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(gè)射頻信號(hào)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(cè)量的輸出端，Y代表入射RF信號(hào)激勵(lì)的DUT輸入端。圖4示意了一個(gè)簡(jiǎn)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(jiǎn)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(hào)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(hào)的比例。參數(shù)S11和S21為前向S-參數(shù)，這是因?yàn)槿肷湫盘?hào)來(lái)自端口1的射頻源。對(duì)于從端口2入射信號(hào)，S22為端口2反射的能量占端口2入射信號(hào)的比例，S12為傳輸?shù)紻UT端口1的能量占端口2入射信號(hào)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(gè)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(lèi)似于雙端口的分析方法測(cè)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(hào)，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(hào)。此外，S-參數(shù)的總個(gè)數(shù)等于器件端口數(shù)的平方，這樣才能完整的描述一個(gè)設(shè)備的RF特性。

表征傳輸?shù)腟-參數(shù)，如S21，類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(kāi)并反轉(zhuǎn)DUT，或者借助外部開(kāi)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(kāi)關(guān)。

圖7. 全S-參數(shù)網(wǎng)絡(luò)分析儀

當(dāng)開(kāi)關(guān)連通端口1，分析儀測(cè)量前向參數(shù)。當(dāng)開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)的不確定性。盡管如此，兩個(gè)開(kāi)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(kāi)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(kāi)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)。