網絡分析儀的原理詳解

表征傳輸的S-參數，如S21，類似于增益，插入損耗，衰減等其它常見術語。表征反射的S-參數，如S11，對應于電壓駐波比(VSWR)，回波損耗，或反射系數。S-參數還具有其他優點。它們被廣泛認可并應用于現代射頻測量。你可以很容易地將S-參數轉換成H、Z或其他參數。你也可以對多個設備進行S-參數級聯，表征復合系統的RF特性。更重要的是，S參數用比率表示。因此，你不需要把入射源功率設置為精確值。DUT的響應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系時，差別就會被消去。

網絡分析儀結構

網絡分析儀可以分為標量(只包含幅度信息)和矢量(包含幅度和相位信息)兩種分析儀。標量分析儀曾一度因其結構簡單，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雜的測量能力。隨著技術的進步，集成度和計算效率的提高，成本的降低，矢量網絡分析儀的使用越來越普及。

網絡分析儀有四個基本功能模塊，如圖5所示。

圖5. 現代網絡分析儀基本功能模塊

信號源，用于產生入射信號，既支持連續掃頻也支持離散頻點，并且功率可調。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不同的組件測量。對于每一個頻點，處理器測量信號并計算參數值(例如S21或駐波比)。用戶校準主要用于提供數據的錯誤校正，將在后續詳細介紹。最終，當與網絡分析儀交互時，你可以在顯示器上查看參數以及修正后的數值，并使用其它用戶功能，比如縮放波形圖。

根據網絡分析儀性能和成本的不同，有多種方式實現結構中的四個模塊。測試裝置可以設計成傳輸/反射(T/R)或全S-參數。其中，T/R測試裝置是最基本的實現方式，結構見圖6。

圖6. 網絡分析儀T/R測試裝置結構

T/R結構包括一個穩定信號源，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。入射信號從網絡分析儀端口1發出，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，你可以根據性能，頻率范圍和成本要求進行選擇。信號經過DUT傳輸進入網絡分析儀的端口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構，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，類似于矢量信號分析儀。它們可以提取出信號的實、虛部，用于計算幅值和相位信息。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算接收信號與入射信號的相位關系。

T/R結構具有性價比高，結構簡單，性能好的特點。但僅只支持前向參數測量，例如S11和S21。如要測量反向參數，需要斷開并反轉DUT，或者借助外部開關控制。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結構設計符合你的項目要求，這種結構是一種高精度和高性價比的選擇。

全S-參數結構如圖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。

圖7. 全S-參數網絡分析儀

當開關連通端口1，分析儀測量前向參數。當開關連通端口2，你無需重置DUT外部連接，就可以測量反向參數。端口2處的定向耦合接收器B測量前向傳輸參數和反向反射參數。接收器A測量前向反射參數和反向傳輸參數。

由于開關放置在網絡分析儀的測量路徑上，因此用戶校準時需要考慮開關的不確定性。盡管如此，兩個開關位置仍可能會有細微的差別。另外，隨著時間的推移，開關觸點磨損，需要更頻繁的用戶校準。為了解決這個問題，可以把開關移到源輸出，并且采用兩個參考接收機，R1和R2，分別對應前向和反向，如圖 8所示。由于采用了更高性能的架構，成本和復雜性也隨之而來。

圖8. 帶有雙參考接收器的全S-參數網絡分析儀

網絡分析儀的基本結構絕大部分在測試裝置中實現。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，就可計算出四個S-參數值，如圖9所示。

圖9. 全雙端口網絡的四個S-參數

您可以綜合應用，性能，精度，和成本等因素，選擇合適的網絡分析儀結構。