網絡分析儀的基本原理

　　一種獨特的儀器

　　網絡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。它的應用也十分廣泛，在很多行業都不可或缺，尤其在測量無線射頻(RF)元件和設備的線性特性方面非常有用。現代網絡分析儀還可以應用于更具體的場合，例如，信號完整性和材料的測量。隨著業界第一款PXI網絡分析儀—NI PXIe - 5630的推出，你完全可以擺脫傳統網絡分析儀的高成本和大占地面積的束縛，輕松地將網絡分析儀應用于設計驗證和產線測試。

　　網絡分析儀的發展

　　你可以使用圖1所示的NI PXIe-5630矢量網絡分析儀測量設備的幅度，相位和阻抗。由于網絡分析儀是一種封閉的激勵-響應系統，你可以在測量RF特性時實現絕佳的精度。當然，充分理解網絡分析儀的基本原理，對于你最大限度的受益于網絡分析儀非常重要。

　　在過去的十年中，矢量網絡分析儀由于其較低的成本和高效的制造技術，流行度超過了標量網絡分析儀。雖然網絡分析理論已經存在了數十年，但是直到20世紀80年代早期第一臺現代獨立臺式分析儀才誕生。在此之前，網絡分析儀身形龐大復雜，由眾多儀器和外部器件組合而成，且功能受限。NI PXIe-5630的推出標志著網絡分析儀發展的又一個里程碑，它將矢量網絡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，才能實現精確的幅值和相位參數測量，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。而網絡分析儀作為一種精密的儀器能夠測量出極小的錯誤。

　　網絡分析理論

　　網絡是一個被高頻率使用的術語，有很多種現代的定義。就網絡分析而言，網絡指一組內部相互關聯的電子元器件。網絡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絡。根據透鏡的屬性，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，由于熱量產生的損耗通常是微不足道的，所以忽略不計。

　　我們可以定義參數反射系數(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(T)代表傳輸的光占入射光的矢量比。圖3示意了這兩個參數。

　　通過反射系數和傳輸系數，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。如果DUT是一個鏡頭，你會希望得到高傳輸系數。而太陽鏡可能同時具有反射和透射特性。

　　電子網絡的測量方式與測量光器件的方式類似。網絡分析儀產生一個正弦信號，通常是一個掃頻信號。DUT響應時，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生變化。

　　DUT對于入射信號的響應是DUT性能以及系統特性阻抗不連續性的表征。例如，帶通濾波器的帶外具有很高的反射系數，帶內則具有較高的傳輸系數。如果DUT 略微偏離特性阻抗則會造成阻抗失配，產生額外的非期望響應信號。我們的目標是建立一個精確的測量方法，測量DUT響應，同時最大限度的減少或消除不確定性。

　　網絡分析儀測量方法

　　反射系數(G)和傳輸系數(T)分別對應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。現代網絡分析基于散射參數或S-參數擴充了這種思想。

　　S-參數是一種復雜的向量，它們代表了兩個射頻信號的比值。S-參數包含幅值和相位，在笛卡爾形式下表現為實和虛。S-參數用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。

　　S11定義為端口1反射的能量占端口1入射信號的比例，S21定義為傳輸到DUT端口2 的能量占端口1入射信號的比例。參數S11和S21為前向S-參數，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為傳輸到DUT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。