矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的基本原理

網(wǎng)絡(luò)分析是指設(shè)計(jì)制造人員和制造廠家對(duì)較復(fù)雜系統(tǒng)中所有元件和和電路的電氣性能進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程。當(dāng)這些系統(tǒng)傳送具有信息內(nèi)容的信號(hào)時(shí)，我們最關(guān)系的是如何以最高效率和最小失真使信號(hào)從一處傳遞到另一處。矢量網(wǎng)絡(luò)分析是通過(guò)測(cè)量元件對(duì)頻率掃描和功率掃描測(cè)試信號(hào)的幅度與相位的影響，來(lái)精確表征元件特性的一種方法。

這里我們將介紹矢量網(wǎng)絡(luò)分析的基本原理。討論的內(nèi)容包括可測(cè)量的通用參數(shù)，其中涉及散射參數(shù)（S參數(shù)）的概念。還對(duì)一些射頻基本知識(shí)，如傳輸線和史密斯原圖進(jìn)行回顧。

是德科技公司能夠提供各種各樣用于在DC-110 GHz 范圍內(nèi)表征元件特性的標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。還可以為這些儀器提供各種選件，以簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)環(huán)境中的測(cè)試。

通信系統(tǒng)中的測(cè)試要求

在任何通信系統(tǒng)中，都必須考慮信號(hào)失真的影響。盡管我們一般只考慮非線性效應(yīng)引起的失真（例如，當(dāng)所應(yīng)用的載波信號(hào)引起互調(diào)失真時(shí)），但純粹的線性系統(tǒng)也可能引入信號(hào)失真。由于線性系統(tǒng)可能改變信號(hào)各個(gè)頻譜分量的幅度或相位關(guān)系，所以有可能改變所通過(guò)信號(hào)的時(shí)間波形。

現(xiàn)在，我們來(lái)仔細(xì)的研究線性特性和非線性特性直間的差別。

線性器件使輸入信號(hào)產(chǎn)生幅度和相位變化（圖1）。在輸入端出現(xiàn)的任何正弦曲線也將以相同頻率出現(xiàn)在輸出端，而不會(huì)形成新信號(hào)。無(wú)論是有源或是無(wú)源非線性器件，都可能使輸入信號(hào)的頻率偏離原來(lái)的位置，或增加其它頻率分量，如諧波信號(hào)或寄生信號(hào)。過(guò)大的輸入信號(hào)通常會(huì)迫使線性器件進(jìn)入壓縮或飽和狀態(tài)，從而引起非線性工作。

圖1.線性特征和非線性特征的比較

為了進(jìn)行線性無(wú)失真的傳輸，被測(cè)器件（DUT）在所要求的整個(gè)帶寬內(nèi)，其幅度響應(yīng)必須平坦，而相位響應(yīng)必須呈線性。作為例子，我們來(lái)研究在經(jīng)過(guò)帶通濾波器時(shí)含有豐富高頻分量的方波信號(hào)，該帶通濾波器以很小的衰減讓選定的頻率通過(guò)，而通帶之外的頻率則有不同程度的衰減作用。

即使濾波器具有線性相位性能，方波的帶外分量也將受到衰減。這使本例中的輸出信號(hào)在本質(zhì) 上更具正弦屬性（見(jiàn)圖2）。

圖2. 幅度隨頻率的變化

如果在某一濾波器中通過(guò)相同的方波輸入信號(hào)僅造成第3次諧波的相位倒置，而維持諧波幅度不變，則輸出波形將更呈現(xiàn)出脈沖特征（圖3）。一般來(lái)說(shuō)，這種情況僅適用于本例中的濾波器，輸出波形將依據(jù)幅度和相位的非線性情況呈現(xiàn)出任意形式的失真。

圖3. 相位隨頻率的變化

圖4. 非線性感生失真

非線性器件也會(huì)引入失真（圖4）。例如，當(dāng)放大器被過(guò)激勵(lì)時(shí)，由于放大器飽和而使輸出信號(hào)限幅。輸出信號(hào)不再是一個(gè)純正的正弦信號(hào), 再輸入頻率的各個(gè)倍頻程位置處存在諧波。無(wú)源器件在高功率電平上可能呈現(xiàn)非線性特征。有關(guān)這方面的一個(gè)最佳例子是利用具有磁芯電感器的LC濾波器。磁性材料常常呈現(xiàn)出高度非線性的滯磁效應(yīng)。

高效率傳送功率是通信系統(tǒng)的另一個(gè)基本問(wèn)題。為了高效率地傳送，發(fā)射或接收射頻功率，諸如傳輸線，天線和放大器這樣一些器件都須對(duì)信號(hào)源呈現(xiàn)出良好的阻抗匹配。當(dāng)兩個(gè)連接器件之間的輸入與輸出阻抗的實(shí)部和虛部都達(dá)不到理想狀態(tài)時(shí)，便出現(xiàn)阻抗失配。

矢量測(cè)量的重要性

對(duì)各個(gè)分量的幅度和相位進(jìn)行測(cè)量的重要性源于以下幾個(gè)因素。首先，為了全面表征線性網(wǎng)絡(luò)，確保無(wú)失真?zhèn)鬏敚拇_需要進(jìn)行這兩種測(cè)量。其次，為了設(shè)計(jì)高效率匹配網(wǎng)絡(luò)，必須測(cè)量復(fù)阻抗。最后，開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）電路仿真程序模型的工程師需要幅度和相位數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行精確模擬。

為了執(zhí)行傅氏逆變換，時(shí)域表征亦需要幅度和相位信息。通過(guò)消除固有測(cè)量系統(tǒng)誤差的影響來(lái)提高測(cè)量精度的矢量誤差修正，也需要幅度和相位數(shù)據(jù)來(lái)建立有效誤差模型。即使對(duì)一些標(biāo)量測(cè)量（如回波損耗），為了獲得高精度，相位測(cè)量能力也十分重要。

入射功率和反射功率的基本概念

在網(wǎng)絡(luò)分析的基本形式中，包含測(cè)量沿傳輸線行進(jìn)的入射波，反射波和傳輸波。利用光波長(zhǎng)作為類比，當(dāng)光投射到一個(gè)透明的透鏡上時(shí)(入射能量），一部分光從透鏡表面反射，但大部分光繼續(xù)通過(guò)透鏡（傳輸能量）（圖5）。若透鏡具有鏡面，則大部分光將被反射，少量或沒(méi)有通過(guò)透鏡。

雖然射頻信號(hào)和微波信號(hào)的波長(zhǎng)不相同，但原理是一樣的。網(wǎng)絡(luò)分析儀能精確測(cè)量入射能量，反射能量和傳輸能量。例如，在傳輸線上發(fā)送的能量，沿傳輸線反射回發(fā)射源的能量（由于阻抗失配）以及順利地傳送至終端裝置（如天線）的能量。

圖5. 光波與高頻器件特征的類比

史密斯圓圖

對(duì)一個(gè)器件進(jìn)行表征時(shí)所發(fā)生的反射大小取決于入射信號(hào)”看到的“阻抗。由于任何阻抗都能用實(shí)部和虛部（R+jX 或 G+jB )表示，故可以將他們繪制在所謂復(fù)阻抗平面的直線網(wǎng)絡(luò)上，遺憾的是，開(kāi)路（一種常見(jiàn)的射頻阻抗）在實(shí)軸上表現(xiàn)為無(wú)限大，因而無(wú)法表示出來(lái)。

極坐標(biāo)圖由于包括了整個(gè)阻抗平面因而具有重要使用價(jià)值，然而，它并不直接繪出阻抗曲線，而是以矢量形式顯示出復(fù)反射系數(shù)，矢量的大小對(duì)應(yīng)于距顯示器中心的距離，而相位則顯示為矢量相對(duì)于從中心到右邊沿水平直線的角度。極坐標(biāo)圖的缺點(diǎn)是不能直接從顯示讀取阻抗值。

圖6. 史密斯圓圖

由于復(fù)阻抗于反射系數(shù)兩者直間有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，故復(fù)阻抗平面的正實(shí)半部分可以映射到極坐標(biāo)顯示上。結(jié)果便形成了史密斯圓圖。所以電抗值和從0到無(wú)限大的所有正電阻值均落在史密斯圓圖內(nèi)（圖6）。

在史密斯圓圖上，恒定電阻的軌跡表現(xiàn)為圓，而恒定電抗的軌跡表現(xiàn)為圓弧。史密斯圓圖上的阻抗總是指對(duì)所考察的元件或系統(tǒng)的特性阻抗進(jìn)行歸一化后的阻抗，通常對(duì)射頻和微波系統(tǒng)來(lái)說(shuō)特性阻抗是50Ω，而對(duì)廣播和有線電視系統(tǒng)特性阻抗則為75Ω。理想的終端位于史密斯圓圖的中心。

功率傳送條件

給定源電阻為Rs 及負(fù)載電阻為RL 時(shí)，為了將最大功率傳送到負(fù)載，在兩個(gè)器件的連接處必須滿足理想的匹配條件。RL = Rs 時(shí)，無(wú)論激勵(lì)是直流電源還是射頻正弦波源，均能實(shí)現(xiàn)這一條件（圖7）。

如果源阻抗不是純電阻，那么，只有當(dāng)負(fù)載阻抗于源阻抗呈現(xiàn)復(fù)數(shù)共軛時(shí)，才能產(chǎn)生最大功率傳送。這個(gè)條件由對(duì)阻抗虛部取相反符號(hào)來(lái)滿足。例如，若Rs=0.6+j 0.3, 則復(fù)數(shù)共軛為 Rs=0.6-j 0.3。

需要高效率的功率傳送是在較高頻率上使用傳輸線的主要原因之一。在很低的頻率（波長(zhǎng)非常長(zhǎng)）處，簡(jiǎn)單的導(dǎo)線便適于傳導(dǎo)功率。導(dǎo)線的電阻相當(dāng)小，對(duì)低頻信號(hào)的影響也很小。電壓和電流均相同，在導(dǎo)線上何處進(jìn)行測(cè)量則無(wú)關(guān)緊要。

在較高頻率上，波長(zhǎng)與高頻電路中導(dǎo)體的長(zhǎng)度相當(dāng)或者更小，而功率傳輸可以認(rèn)為是以波形方式實(shí)施。當(dāng)傳輸線的終端負(fù)載等于其特性阻抗時(shí)，便有最大功率傳送至負(fù)載。當(dāng)終端負(fù)載與特性阻抗不相等時(shí)，則未被負(fù)載吸收的那部分信號(hào)將被反射會(huì)信號(hào)源。

若傳輸線的終端負(fù)載等于其特性阻抗時(shí)，便沒(méi)有反射信號(hào)，因?yàn)樗鶄鬏數(shù)墓β示回?fù)載吸收（圖8）。觀察射頻信號(hào)包絡(luò)隨傳輸線距離的變化并未發(fā)現(xiàn)駐波，這是因?yàn)闆](méi)有反射，能量只在一個(gè)方向上流動(dòng)。

圖7. 功率傳送

圖8. 用Zo端的傳輸線

當(dāng)傳輸線終端短路時(shí)（短路不能維持電壓，因而耗散功率為零），反射波沿傳輸線返回到信號(hào)源（圖9）。反射電壓波的大小必然等于入射電壓波；而相位在負(fù)載平面處則與入射波相差108°。反射波與入射波的大小相等，但按相反方向進(jìn)行。

若傳輸線的終端開(kāi)路（開(kāi)路不能維持電流），反射電流波的相位將與入射電流波相差180°，而反射電壓波則在負(fù)載平面上與入射電壓波同相。這便保證在開(kāi)路處的電流為0。反射電流波和入射電流波的大小相等，但按相反方向進(jìn)行。對(duì)于短路和開(kāi)路兩種情況，在傳輸線上都會(huì)建立駐波。電壓谷值將為0，而電壓峰值將為入射電壓電平的2倍。

若傳輸終端接入譬如一個(gè)25Ω的電阻器，導(dǎo)致介于全吸收和全反射之間的狀態(tài)，則部分入射功率被吸收，部分入射功率被反射。反射電壓波的幅度將是入射波幅度的1/3，且兩種波在負(fù)載平面處的相位相差180°。駐波的谷值不再為0，而峰值則小于短路和開(kāi)路情況的峰值。峰值和谷值之比將是2:1。

確定射頻阻抗的傳統(tǒng)方法是利用射頻探針/檢波器，一段開(kāi)槽傳輸和一個(gè)VSWR（電壓駐波比）測(cè)試儀來(lái)測(cè)量VSWR。當(dāng)探針沿傳輸線移動(dòng)時(shí)，測(cè)試儀便記下峰值和谷值的相對(duì)位置和數(shù)值。根據(jù)這些測(cè)量，便可導(dǎo)出阻抗。在不同的頻率上，可以重復(fù)此測(cè)量步驟。現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)分析儀能在頻率掃描期間直接測(cè)量入射波和反射波，阻抗結(jié)果可以用多種格式(包括VSWR）顯示出來(lái)。