網(wǎng)絡分析儀的原理詳解

　　網(wǎng)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(yè)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?，F(xiàn)代網(wǎng)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(yè)界第一款PXI網(wǎng)絡分析儀—NI PXIe - 5630的推出，你完全可以擺脫傳統(tǒng)網(wǎng)絡分析儀的高成本和大占地面積的束縛，輕松地將網(wǎng)絡分析儀應用于設計驗證和產(chǎn)線測試。

　　網(wǎng)絡分析的基本原理 網(wǎng)絡分析儀的發(fā)展

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

　　網(wǎng)絡分析的基本原理

　　圖1. NI PXle-5630 矢量網(wǎng)絡分析儀

　　在過去的十年中，矢量網(wǎng)絡分析儀由于其較低的成本和高效的制造技術(shù)，流行度超過了標量網(wǎng)絡分析儀。雖然網(wǎng)絡分析理論已經(jīng)存在了數(shù)十年，但是直到 20世紀80年代早期第一臺現(xiàn)代獨立臺式分析儀才誕生。在此之前，網(wǎng)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(wǎng)絡分析儀發(fā)展的又一個里程碑，它將矢量網(wǎng)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(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。而網(wǎng)絡分析儀作為一種精密的儀器能夠測量出極小的錯誤。

　　網(wǎng)絡分析的基本原理 網(wǎng)絡分析理論

　　網(wǎng)絡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)絡分析而言，網(wǎng)絡指一組內(nèi)部相互關(guān)聯(lián)的電子元器件。網(wǎng)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(fā)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(wǎng)絡。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。

　　網(wǎng)絡分析的基本原理

　　圖2. 利用光來類比網(wǎng)絡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取D3示意了這兩個參數(shù)。

　　網(wǎng)絡分析的基本原理

　　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)絡的測量方式與測量光器件的方式類似。網(wǎng)絡分析儀產(chǎn)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(fā)生變化。

　　DUT對于入射信號的響應是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(wǎng)絡分析的基本原理 網(wǎng)絡分析儀測量方法

　　反射系數(shù)(G)和傳輸系數(shù)(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?，F(xiàn)代網(wǎng)絡分析基于散射參數(shù)或S-參數(shù)擴充了這種思想。

　　S-參數(shù)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(shù)包含幅值和相位，在笛卡爾形式下表現(xiàn)為實和虛。S-參數(shù)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。

　　網(wǎng)絡分析的基本原理

　　圖4. 簡單的雙端口設備的 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?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算S-參數(shù)，如S13,S32,S33。S11，S22, S33等下標數(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。它們被廣泛認可并應用于現(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)。你也可以對多個設備進行S-參數(shù)級聯(lián)，表征復合系統(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(guān)系時，差別就會被消去。

　　網(wǎng)絡分析的基本原理 網(wǎng)絡分析儀結(jié)構(gòu)

　　網(wǎng)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(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雜的測量能力。隨著技術(shù)的進步，集成度和計算效率的提高，成本的降低，矢量網(wǎng)絡分析儀的使用越來越普及。

　　網(wǎng)絡分析儀有四個基本功能模塊，如圖5所示。

　　網(wǎng)絡分析的基本原理

　　圖5. 現(xiàn)代網(wǎng)絡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，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(shù)值(例如S21或駐波比)。用戶校準主要用于提供數(shù)據(jù)的錯誤校正，將在后續(xù)詳細介紹。最終，當與網(wǎng)絡分析儀交互時，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)絡分析儀性能和成本的不同，有多種方式實現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(shù)。其中，T/R測試裝置是最基本的實現(xiàn)方式，結(jié)構(gòu)見圖6。

　　網(wǎng)絡分析的基本原理

　　圖6. 網(wǎng)絡分析儀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行選擇。信號經(jīng)過DUT傳輸進入網(wǎng)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(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，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(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。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)設計符合你的項目要求，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)。

　　網(wǎng)絡分析的基本原理

　　圖7. 全S-參數(shù)網(wǎng)絡分析儀

　　當開關(guān)連通端口1，分析儀測量前向參數(shù)。當開關(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)絡分析儀的測量路徑上，因此用戶校準時需要考慮開關(guān)的不確定性。盡管如此，兩個開關(guān)位置仍可能會有細微的差別。另外，隨著時間的推移，開關(guān)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(guān)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(gòu)，成本和復雜性也隨之而來。

　　網(wǎng)絡分析的基本原理

　　圖8. 帶有雙參考接收器的全S-參數(shù)網(wǎng)絡分析儀

　　網(wǎng)絡分析儀的基本結(jié)構(gòu)絕大部分在測試裝置中實現(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，就可計算出四個S-參數(shù)值，如圖9所示。

　　網(wǎng)絡分析的基本原理

　　圖9. 全雙端口網(wǎng)絡的四個S-參數(shù)

　　您可以綜合應用，性能，精度，和成本等因素，選擇合適的網(wǎng)絡分析儀結(jié)構(gòu)。

　　網(wǎng)絡分析的基本原理誤差和不確定度

　　理解矢量網(wǎng)絡分析儀不確定度的來源有助于你采取行之有效的用戶校準方法。對于圖10所示的完整的雙端口網(wǎng)絡分析儀結(jié)構(gòu)，我們從前向開始分析。

　　網(wǎng)絡分析的基本原理?

　　用于信號分離的定向耦合器的效率，也需要考慮。理想的定向耦合器在耦合臂產(chǎn)生輸出信號，它是與主臂一個方向上的標準信號成比例，而相反方向的信號不產(chǎn)生輸出信號。耦合器輸出(耦合臂)和標準輸入信號(直通臂)的區(qū)別是耦合系數(shù)。耦合系數(shù)通常在10分貝到30分貝之間，意味著當輸入信號以適當方向通過直通臂時，輸出RF功率電平比其小10到30分貝。

　　定向耦合器對于反方向的信號不產(chǎn)生輸出。但實際上，這是很難實現(xiàn)的。盡管是很小的，反方向的信號通過實際的耦合器仍然會在輸出端產(chǎn)生不必要的響應。這種不需要的信號定義為耦合器泄露。耦合系數(shù)與耦合泄露的差別稱為耦合器的定向性。

　　最后是隔離。端口2的接收器檢測到端口1輻射或傳導的少量的信號，在現(xiàn)代網(wǎng)絡分析儀，這種不必要的泄露通常很小?？偟膩碚f，不影響測量，除非DUT有很高的損失。盡管推薦，在許多現(xiàn)代矢量網(wǎng)絡分析儀中。隔離在校準中只是一種可選的操作。

　　一個完整的網(wǎng)絡分析儀正向不確定性的來源包括：傳輸和反射追蹤;負載和源匹配;定向性和隔離，這些再結(jié)合反向6個誤差項，共有12誤差項。用戶校準需要充分考慮這12個誤差，以便得到適當?shù)男拚禂?shù)來用到測量數(shù)據(jù)當中。這項修正是矢量網(wǎng)絡分析儀的顯著的精度的主要原因。

　　網(wǎng)絡分析的基本原理 校準

　　RF設備的校準經(jīng)常需要把儀器周期性的送到一個經(jīng)過認定的儀器校準實驗室來進行以確保該儀器運行在生產(chǎn)商的說明以內(nèi)，實驗室也往往把儀器的性能調(diào)整到一個標準，比如說國家標準和技術(shù)研究院所指定的標準。(NIST)。

　　網(wǎng)絡分析儀也不例外。它們太需要周期性的校準，以至于有時達不到高的精準度，用戶的校準也經(jīng)常被需要。網(wǎng)絡分析儀的校準通常通過一個網(wǎng)絡分析儀的套包的一系列校準標準或者是用戶制定，用戶定義的標準來完成。一系列的修正參數(shù)通過比較已經(jīng)知道的存儲在網(wǎng)絡分析儀的數(shù)據(jù)和根據(jù)校準標準所產(chǎn)生的測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生了出來。在校準測試中這些就被用在數(shù)據(jù)中以補償在前面章節(jié)討論過的錯誤源。

　　許多因素決定著用戶校準需要多久進行一次。你需要考慮的因素包括需要的測試精度，環(huán)境因素，以及DUT連接的可重復性。通常情況下，網(wǎng)絡分析儀每幾個小時或每幾天需要一次用戶校準，你應當根據(jù)核實的標準，測試不穩(wěn)定因素來源的認定，以及個人經(jīng)驗來決定多久才需要進行校準。需要說明一點，本次討論用周期校準來描述用戶校準，不要與推薦的每年經(jīng)過認定的工廠校準相混淆。

　　三個系列的校準經(jīng)常用在網(wǎng)絡分析儀的校準當中：

　　1.　　　　 短路的，開路的，負荷的，直達的(SOLT)

　　2.　　　　 直達的，反射的，線性的 (TRL)

　　3.　　　　 使用外部自動化的校準模型的自動校準

　　由于每一個系列的校準都有很多不同的要求，需要根據(jù)DUT，測試系統(tǒng)，以及測試要求來決定使用哪一種方法。由于SOLT被廣泛地使用，我們用它來說明一個校準系列中的變化。

　　SOLT要求在系統(tǒng)(和DUT)以及阻抗中采用短路的，開路的，負荷型的，直通的的標準。由他們的機械上的特點所決定的精準的標準數(shù)據(jù)在校準之前被載入到網(wǎng)絡分析器中。你連接校準標準的位置(網(wǎng)絡分析儀端口，線纜的末端，或者在測試的固定裝置里面)就是測試時開始和結(jié)束的地方。這就是參考平臺或者是測試平臺。

　　進一步說明，你必須用一個可插入的連接制作一個直通的連接。舉個例子，一個公口對母口的連接，或者其他不需要外部設備或轉(zhuǎn)接器的連接來完成在SOLT測試期間的直通連接。在校準期間插入任何器件以及不在校準測量中使用該器件都會導致測量錯誤。

　　如果你不能做一個直通的連接，將會被稱為不可插入的。這里有幾種方法可以用來處理不可插入的情況。，最簡單的是使用一套相位相同的(包括在大多數(shù)的校準套包中)轉(zhuǎn)接器以及每種類型的短路，開路，負載,在校準過程中使用一個轉(zhuǎn)接器來完成直通的連接，而且在校準測試過程中為了DUT連接用一個合適的轉(zhuǎn)接器與其交換。

　　其他校準在SOLT系列的校準包括響應型校準。它比較迅速，但是卻沒有移除在頻率上的帶寬損失那樣精確。它只考慮了在12錯誤模型的正反向的情況。你可以通過放置短路，開路，負載的情況在端口一來進行一個端口的校準。這樣可以節(jié)省一些時間，如果你只要進行一個端口測量的話，比如一個天線的回傳損失。一個加強的一個端口校準如同一個完全的一端口校準，而且使用直通的連接來測量端口二，這在端口二沒有源的T/R結(jié)構(gòu)中很普遍。最終這里有按照校準規(guī)定的可以在兩個端口都放置短路，開路，負載的完全雙端口SOLT校準。

　　　　　SOLT和TRL校準有很多變化，你可以在實際端子不存在比如探針節(jié)點或者如果DUT是在一個測試固定物中的應用中使用TRL校準。因為TRL并不需要負載，在這些情況下他可以得到很好的實現(xiàn)。

　　自動化校準是一種比較新的途徑，由于它們的速度，可重復性，簡單易用很快已經(jīng)獲得了流行。更進一步，它們?nèi)コ舜蠖鄶?shù)的人工干預，從而極大地減少了在校準期間誤操作的概率。這些單元傳統(tǒng)上包括一個電子元件，比如二極管，終端或者其他的標志物以及在EEPROM上存儲的經(jīng)過編碼的相關(guān)的細節(jié)化的電子描述信息。當連接到了網(wǎng)絡分析器上以后，自動校準就會被設置到不同的狀態(tài)。在校準過程中這些狀態(tài)被測量并和EEPROM中存儲的相關(guān)狀態(tài)相比較，以達到正確的修正值。

　　無論你采用了哪一種校準方法，隨機的錯誤發(fā)生來源都應當予以避免，減少IF帶寬，使用平均值減少噪音，提供更好的結(jié)果。當校準網(wǎng)絡分析儀的時候，高質(zhì)量的組成部分，鞏固的測量實踐，以及一個關(guān)于校準步驟和儀器的全面理解是同等重要的。

　　網(wǎng)絡分析的基本原理工序要求

　　當用網(wǎng)絡分析儀進行精確測量時，需要理解和正確執(zhí)行每個步驟以便得到得到最佳結(jié)果。使用高性能的元件和全面的測量實踐?？紤]一臺經(jīng)過良好校準的并提供校正參數(shù)的網(wǎng)絡分析儀和一臺要求精確測量的高性能DUT之間 RF連接：

　　是否有電纜，適配器，和其它高性能的組成部分?

　　你是否適當?shù)厍鍧嵙怂麄?/P>

　　是否使用了合適的轉(zhuǎn)矩?

　　如果連接到DUT的RF的性能與規(guī)定的系統(tǒng)精度不相符，即使最好的網(wǎng)絡分析儀也是沒有作用的。

　　當使用網(wǎng)絡分析儀時，使用工序是非常有用的。工序可以增強操作并改善結(jié)果。下面是一個使用網(wǎng)絡分析儀的例子架構(gòu)。

　　準備

　　準備網(wǎng)絡分析儀和DUT

　　清潔，檢查和測量所有連接器

　　如果使用SOLT校準，選擇一種處理非插入式連接的方法

　　連接分析儀的電纜和適配器到分析儀上

　　操作

　　預調(diào)網(wǎng)絡分析儀

　　設定源參數(shù)，包括頻率，功率，速度系數(shù)和IF帶寬

　　連接DUT，驗證安裝，電纜，適配器和運行

　　選擇S-參數(shù)測量和顯示格式

　　若可以，設定特殊的測量目標，如參考平面的擴展

　　觀察響應

　　移除DUT

　　校準

　　選擇適當?shù)男使ぞ甙蚨x輸入校準標準

　　設置IF帶寬并平均以最小化校準期間的噪聲

　　手動校正或使用自動校準

　　采用熟知的核查標準驗證校準質(zhì)量

　　保存儀器狀態(tài)和校準

　　執(zhí)行

　　連接DUT

　　從校準步驟中得到合適的校正參數(shù)

　　測量并保存DUT參數(shù)

　　網(wǎng)絡分析的基本原理一臺儀器，多種應用

　　網(wǎng)絡分析儀在正確使用的前提下，是某些最精確的射頻儀器，典型的精度為± 0.1 dB和±0.1度。它可以進行精確，可重復的RF測量?，F(xiàn)代網(wǎng)絡分析儀提供的配置和測量能力像他們應用范圍一樣廣泛。選擇合適的儀器，校準，功能，以及采用可靠的RF測量方法，可以最優(yōu)化你的網(wǎng)絡分析儀的結(jié)果。