- 網(wǎng)絡分析的基本原理
- 網(wǎng)絡分析理論
- 網(wǎng)絡分析儀測量方法
- 網(wǎng)絡分析儀結(jié)構(gòu)
現(xiàn)代網(wǎng)絡分析儀已廣泛在研發(fā)，生產(chǎn)中大量使用，網(wǎng)絡分析儀被廣泛地應用于分析各種不同部件 ，材料，電路，設備和系統(tǒng)。無論是在研發(fā)階段為了優(yōu)化模擬電路的設計，還是為了調(diào)試檢測電子元器件，矢量網(wǎng)絡分析儀都成為一種不可缺少的測量儀器。
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，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)絡分析理論
網(wǎng)絡是一個被高頻率使用的術語，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。
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?。圖3示意了這兩個參數(shù)。
[page]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?；仡櫣獾念惐?，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。現(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。
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系時，差別就會被消去。
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。
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。[page]
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。
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。
圖7. 全S-參數(shù)網(wǎng)絡分析儀
當開關連通端口1，分析儀測量前向參數(shù)。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(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(gòu)，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(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。
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)。
