一、概述

     對(duì)工作在高頻的電子電路特性的正確表征提出了某些獨(dú)特的要求。在高頻上，工作波長(zhǎng)變得可與電路元器件的實(shí)際尺寸相比擬，這便導(dǎo)致電路性能呈分布屬性。與其描述特定電路節(jié)點(diǎn)處的電壓和電流，不如描述傳輸媒質(zhì)中的電波如何對(duì)其路徑上的元件作出相應(yīng)更為適當(dāng)。網(wǎng)絡(luò)分析儀是為精確和高效率地表征射頻（RF）元件隨頻率變化的特性而發(fā)展起來的一類儀器。

    網(wǎng)絡(luò)分析儀是通過在所考察頻率范圍內(nèi)的激勵(lì)---響應(yīng)測(cè)試來建立線性網(wǎng)絡(luò)的傳遞和（或）阻抗特性的數(shù)據(jù)模型的過程。在高于1MHz的頻率上，集總元件實(shí)際上變成由基本元件加上寄生現(xiàn)象，如雜散電容、引線電感和未知吸收損耗組成的“電路”。由于寄生現(xiàn)象取決于各個(gè)別器件及其結(jié)構(gòu)，故它們幾乎不可能被預(yù)示。高于1GHz時(shí)，元件的幾何尺寸可以與信號(hào)波長(zhǎng)相比擬，從而增強(qiáng)了由于器件結(jié)構(gòu)而引起的電路性能變化。網(wǎng)絡(luò)分析一般局限于確定線性網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)榫€性條件的約束，受正弦波激勵(lì)的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生正弦波輸出，故正弦波測(cè)試是表征幅度和相位隨頻率變化的理想方法。

二、元件特性

    射頻（頻率低于3GHz）能量或微波（頻率在3～30GHz范圍）能量可以比作光波。入射到被測(cè)件（DUT）上的能量或是被器件反射，或是通過器件傳輸（如下圖）。

  

入射到被測(cè)件上的波的反射特性和傳輸特性

通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)新產(chǎn)生的波之間的幅度比和相位差，就可能確定器件的反射（阻抗）特性和傳輸（增益）特性

1、反射和傳輸

    有許多用來描述這些特性的術(shù)語。某些特性只利用幅度信息（標(biāo)量）。而另一些特性則包含幅度和相位兩種信息（矢量）。若器件上的入射波表示為V_INCID，則V_INCID與I_INCID之比稱為傳輸系統(tǒng)的特性阻抗Z₀，端接傳輸系統(tǒng)的器件具有所謂負(fù)載阻抗Z_L的輸入阻抗，于是，幾個(gè)重要的器件特性可以定義為：

反射術(shù)語：

=V_REFLEC/V_INCID=(Z_L-Z₀)/(Z_L+Z₀)

      式中為器件反射系數(shù)；V_INCID為測(cè)試器件上的入射波；V_REFLEC為測(cè)試器件上的反射波；Z₀為傳輸媒質(zhì)的特性阻抗；Z_L為測(cè)試器件的阻抗。

ρ=∣∣

式中，ρ為反射系數(shù)的幅度；為復(fù)反射系數(shù)。

式中SWR為傳輸媒質(zhì)上電流或電壓的駐波比；ρ=反射系數(shù)的幅度。

 式中Z_L為負(fù)載的復(fù)阻抗；為復(fù)反射系數(shù)；Z₀為傳輸媒質(zhì)的特性阻抗。

回波損耗（dB）=-20logρ

式中，ρ為反射系數(shù)的幅度。

   傳輸術(shù)語：

傳輸系數(shù)=V_TRANS/V_INCID

式中，V_INCID為被測(cè)件上的入射波；V_TRANS為通過被測(cè)件的傳輸波。

插入損耗（dB）=20log（V_TRANS/V_INCID）

增益（dB）=20log∣V_TRANS/V_INCID∣

           式中，V_INCID為被測(cè)件上的入射波的幅度；V_TRANS為通過被測(cè)件的傳輸波的幅度。

插入相位=∠V_TRANS-∠V_INCID

           式中，∠V_INCID為被測(cè)件上的入射波矢量的相對(duì)相角；∠V_TRANS為通過被測(cè)件的傳輸波矢量的相對(duì)相角。

2、散射（S）系數(shù)

   許多元件測(cè)量都具有二端口網(wǎng)絡(luò)，如放大器、濾波器和電纜。這些元件的特性通常用來確定作為更復(fù)雜系統(tǒng)的一部分的特定器件將起何作用。為了提供射頻環(huán)境下對(duì)全二端口網(wǎng)絡(luò)建立模型和分析的方法，定義了散射（S）系數(shù)（如下圖）。

被測(cè)件的散射參數(shù)測(cè)量

    這是一種與低頻Z或Y模型相似的表征方法，只是它利用入射波、傳輸波和反射波來表征器件的輸入端口和輸出端口，而不是利用在高頻上不能測(cè)量的電壓和電流。S參數(shù)在一定條件下與其它表征相關(guān)。例如S₁₁是在器件輸出端具有  理想Z₀匹配的條件下等效于器件的輸入反射系數(shù)_IN。器件的S參數(shù)表征在測(cè)量、模型化和設(shè)計(jì)具有多個(gè)元件的復(fù)雜系統(tǒng)等方面起著關(guān)鍵作用。S參數(shù)的定義還使它們能夠用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)量。

三、網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)的組成部分

    網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量系統(tǒng)可以分成四大部分，即提供入射信號(hào)的信號(hào)源、用來分離入射信號(hào)、反射信號(hào)和傳輸信號(hào)的信號(hào)分離器件、將微波信號(hào)變?yōu)檩^低的中頻（IF）信號(hào)的接收機(jī)以及用于處理中頻信號(hào)和顯示檢測(cè)出的信息的信號(hào)處理器和顯示器部分（如下圖）。

網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量系統(tǒng)的主要組成部分

     1、信號(hào)源

信號(hào)源（射頻或微波）產(chǎn)生用于激勵(lì)測(cè)試器件的入射信號(hào)。測(cè)試器件的響應(yīng)是反射一部分入射能量和傳輸余下部分能量。通過對(duì)信號(hào)源的頻率掃描，可以確定器件的頻率響應(yīng)。頻率范圍、頻率穩(wěn)定度、信號(hào)純度、輸出功率電平和電平控制是可能影響測(cè)量的因素。用于網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量的信號(hào)源大體上有兩類，即掃頻振蕩器和合成掃頻振蕩器（包括合成信號(hào)發(fā)生器）。掃頻振蕩器的成本低，但它的頻率精度和穩(wěn)定度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及合成器。若器件響應(yīng)在掃頻發(fā)生器的剩余調(diào)頻頻譜范圍內(nèi)顯著改變，便應(yīng)利用更穩(wěn)定的信號(hào)源，如合成器或合成掃頻振蕩器。此外，若器件的相位響應(yīng)隨頻率迅速改變（即電氣上的器件，如長(zhǎng)電纜），便應(yīng)利用頻率穩(wěn)定的信號(hào)源，如合成器來避免頻率漂移。

     2、信號(hào)分離

測(cè)量過程的下一步是對(duì)入射信號(hào)、反射信號(hào)和傳輸信號(hào)進(jìn)行分離。分離之后，就能測(cè)量它們各自的幅度和（或）相位差。這一點(diǎn)可以利用定向耦合器、電橋、功分器乃至高阻抗探頭完成。下圖給出可能的傳輸測(cè)量配置。

傳輸測(cè)量配置

定向耦合器是一種由兩路耦合器傳輸線構(gòu)成的器件，傳輸線配置成使能量在一個(gè)方向上通過主端口時(shí)可將能量耦合至輔助端口，而相反方向則不能把能量耦合至輔助端口。定向耦合器在主線路徑上的損耗通常相當(dāng)小，因而對(duì)入射功率產(chǎn)生小的損耗。定向耦合器的結(jié)構(gòu)見下圖。

定向耦合器的耦合特性

耦合臂只對(duì)行進(jìn)在一個(gè)方向的信號(hào)取樣。耦合信號(hào)處于降低了電平，降低電平的大小稱為耦合系數(shù)。20dB定向耦合器意味著耦合端口的電平比輸入低20dB，相當(dāng)于入射功率的1%。余下的99%入射功率都通過主臂傳送。定向耦合器的另一個(gè)重要特性是方向性。方向性定義為正向檢測(cè)出的型號(hào)與反向檢測(cè)出的信號(hào)之差。方向性不理想的原因是信號(hào)泄露、耦合器內(nèi)部負(fù)載的反射及連接器的反射。典型定向耦合器將以30dB的方向性工作在幾個(gè)倍頻程范圍。二電阻功分器（如下圖）用于對(duì)入射信號(hào)或傳輸信號(hào)取樣。

二電阻功分器

    輸入信號(hào)平均分配到兩個(gè)臂上，每個(gè)臂的輸出信號(hào)（功率）都比輸入低6dB。功分器的主要應(yīng)用是使測(cè)量有極好的源匹配。如果功分器輸出的一臂接到參考檢波器上，而另一臂經(jīng)過被測(cè)件通向傳輸檢波器，則傳輸與入射的比值顯示的效果是使功分器中的電阻器決定了測(cè)量的等效源匹配，在功分器之前所有對(duì)源匹配的其它影響皆被取比值所排除。功分器的帶寬極寬，具有優(yōu)良的頻率響應(yīng)。且在側(cè)試器件的輸入端呈現(xiàn)良好的匹配。

    在不同于典型50Ω或75Ω的環(huán)境中，可以用高阻抗探頭進(jìn)行測(cè)量。重要的是探頭阻抗要比電路阻抗大，使不會(huì)發(fā)生不需要的加載。

    下圖示出了反射測(cè)量的裝置。反射測(cè)量需要一個(gè)定向器件。分離入射信號(hào)和反射信號(hào)可以用雙定向耦合器或電橋完成。其重要差別在于所涉及的功率電平。定向耦合器的主臂損耗較小，而電橋則趨向于在寬頻范圍內(nèi)有較好的響應(yīng)，因而更經(jīng)常使用。

反射測(cè)量配置

3、接收機(jī)

     接收機(jī)提供將射頻或微波信號(hào)變換成較低的中頻或直流信號(hào)，使能進(jìn)行精確檢測(cè)的手段。網(wǎng)絡(luò)分析儀中采用的接收機(jī)技術(shù)大體上有三類（如下圖）。

     最簡(jiǎn)單的技術(shù)是利用二極管檢波器作為寬帶檢測(cè)器，它將所有入射能量變換成與入射到二極管上的功率成正比的直流信號(hào)。另外兩類接收機(jī)是利用基波混頻和諧波混頻輸入結(jié)構(gòu)將射頻信號(hào)變換成較低頻的中頻信號(hào)的寬帶調(diào)諧接收機(jī)。調(diào)諧接收機(jī)具有窄通帶的中頻濾波器，用來抑制雜散信號(hào)并壓低接收機(jī)的本底噪聲。利用寬帶二極管檢波器的接收機(jī)用在標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀中，而調(diào)諧接收技術(shù)則用在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中。標(biāo)量系統(tǒng)是最經(jīng)濟(jì)的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)起來最簡(jiǎn)單。矢量測(cè)量系統(tǒng)（調(diào)諧接收機(jī)）有最寬的動(dòng)態(tài)范圍，不受諧波響應(yīng)和寄生相應(yīng)的影響，且能測(cè)量輸入信號(hào)的相位關(guān)系。此外，還提供使測(cè)量更精確的進(jìn)行更復(fù)雜校準(zhǔn)的能力。

4、處理器/顯示器

     檢測(cè)出射頻后，網(wǎng)絡(luò)分析儀必須處理檢測(cè)出的信號(hào)并顯示測(cè)得的量值。網(wǎng)絡(luò)分析儀是利用了一個(gè)參考通道和至少一個(gè)測(cè)試通道的多通道接收機(jī)。可以測(cè)量通道內(nèi)的絕對(duì)信道電平、通道之間的相對(duì)信號(hào)電平（比值）或通道之間的相對(duì)相位差，視分析儀而定。相對(duì)比值測(cè)量通常以dB為單位，dB是未知信道（測(cè)試通道）與所選擇的參考信號(hào)（參考通道）的對(duì)數(shù)比。這就能測(cè)量既有高電平，也有低電平電路響應(yīng)的變化時(shí)使用儀器的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍。例如，0dB意味著兩個(gè)信號(hào)電平具有為1的比值，而±20dB則意味著兩個(gè)信號(hào)之間的電壓比為10：1。所有網(wǎng)絡(luò)分析儀的相位測(cè)量都是相對(duì)測(cè)量，這時(shí)認(rèn)為參考通道信號(hào)具有零相位。然后，分析儀測(cè)量其余通道相對(duì)于參考通道的相位差。

四、測(cè)量精度

    任何網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量的規(guī)定精度是對(duì)被測(cè)器件和用于測(cè)量的特定的網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)兩方面必須考慮的許多因素的結(jié)果。只要可以確定誤差源并了解測(cè)量方法的理論模型，便能確保最終結(jié)果的精度。所得到的不確定度不僅隨測(cè)量系統(tǒng)而變，而且也隨被測(cè)件的參數(shù)而變。下圖是為了確定任何特定測(cè)量中的不確定度大小所必須考慮的因素的圖解。

影響測(cè)量不確定度和給定網(wǎng)絡(luò)分析儀性能的誤差源

1、不確定度

    用于計(jì)算任何測(cè)量不確定度的模型和分析方法都?xì)w結(jié)為一個(gè)測(cè)量誤差源的函數(shù)的表示式。最終不確定度的典型表示式具有下列形式：

Mag uncert=Systematic+[Random²+(Drift+stability²)]^1/2

式中Mag uncert為幅度測(cè)量的不確定度；Systematic為測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差；Random為測(cè)量系統(tǒng)的隨機(jī)誤差；Drift+stability為器件或測(cè)試系統(tǒng)的漂移特性。

   在這個(gè)表示形式中，系統(tǒng)誤差是以最壞情況的方式相加，隨機(jī)誤差、漂移誤差和穩(wěn)定性誤差則用平方和的平方根（RSS）方式表征，如表示式中的第二項(xiàng)所示。對(duì)于一個(gè)特定測(cè)試系統(tǒng)，了解這些誤差的來源和大小對(duì)確定所進(jìn)行的測(cè)量的質(zhì)量是至關(guān)重要的。

 系統(tǒng)誤差是在校準(zhǔn)之后不會(huì)發(fā)生變化的誤差且在測(cè)量期間維持穩(wěn)定。系統(tǒng)誤差與實(shí)際測(cè)試系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)理想激勵(lì)—響應(yīng)測(cè)試環(huán)境的好壞程度有關(guān)。因此，測(cè)試系統(tǒng)的剩余方向性、對(duì)直通響應(yīng)的統(tǒng)調(diào)以及等效源和負(fù)載匹配是可能導(dǎo)致誤差的真實(shí)系統(tǒng)的測(cè)量特性。

一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是等效源匹配的誤差，若測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)源不是理想匹配的，則被測(cè)件的反射波將被非理性源再次反射，并作為第二個(gè)入射波返回被測(cè)件，其結(jié)果是由于在測(cè)試源與被測(cè)件之間的多次反射造成的可能測(cè)量誤差，這個(gè)誤差的確是隨造成多次反射的兩個(gè)失配的幅度而變，有許多不同的方法可用來改善這類系統(tǒng)誤差。在等效源匹配的情況下，在測(cè)試端口增加一個(gè)固定的衰減器或進(jìn)行單端口系統(tǒng)校準(zhǔn)是能改善視在失配的兩種方法。

另一類系統(tǒng)誤差與特定網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)的檢測(cè)處理有關(guān)。動(dòng)態(tài)精度是大多數(shù)測(cè)量系統(tǒng)配置中的主要考慮因素。動(dòng)態(tài)精度與接收機(jī)在大的幅度范圍內(nèi)精確檢測(cè)信號(hào)的能力有關(guān)。在確定接收機(jī)可能測(cè)量的信號(hào)范圍時(shí)，最大輸入信號(hào)受接收機(jī)輸入裝置中的壓縮限制，而可能檢測(cè)的最小信號(hào)則受接收機(jī)本底噪聲或受測(cè)量硬件中通過不希望路徑的信號(hào)串?dāng)_和漏泄的限制。信號(hào)檢測(cè)電路的固有線性取決于所用接收機(jī)檢波器的類型。

為了解決各種系統(tǒng)誤差問題具體選用何種校準(zhǔn)方法，取決于被測(cè)件的特性和用于測(cè)量的特定網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)。

2、隨機(jī)誤差

隨機(jī)測(cè)量誤差的主要來源有噪聲源、連接器的重復(fù)性和電纜的穩(wěn)定性。在任何系統(tǒng)中都存在若干噪聲源，系統(tǒng)的靈敏度取決于接收機(jī)前端下變頻器或檢波器的噪聲。信號(hào)源的頻譜純度和接收機(jī)本振可能將噪聲增加到數(shù)據(jù)流上。具有可變檢測(cè)帶寬和數(shù)據(jù)平均的接收機(jī)裝置提供了減小噪聲的某些方法。一般矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的接收機(jī)具有這個(gè)功能，用戶可以設(shè)定接收機(jī)的中頻帶寬，在靈敏度和接收機(jī)的掃描速度之間作折衷考慮。

連接器的重復(fù)性可能依所用連接器系統(tǒng)的質(zhì)量而有顯著變化。在每種連接器標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)所使用的元件存在著不同的質(zhì)量等級(jí)。它們通常被分為工業(yè)用連接器、儀器用連接器和精密連接器。相應(yīng)的元件的成本、容差和射頻性能也有所不同。在任何連接器類別中，精密連接器的重復(fù)性可能大于60dB，而工業(yè)用連接器的重復(fù)性則可能小于30 dB。在任何部分特定情況下，連接器的重復(fù)性可以通過進(jìn)行多次連接并測(cè)量數(shù)據(jù)最終的差別來確定。分析應(yīng)在大量的樣本的基礎(chǔ)上進(jìn)行，并用統(tǒng)計(jì)方式加以表征。

  電纜是一個(gè)主要誤差源。若校準(zhǔn)之后不移動(dòng)電纜，則誤差一半很小，但這不是系統(tǒng)的典型應(yīng)用情況。典型情況下，傳輸相位誤差將大于幅度誤差。在測(cè)量要求極小的移動(dòng)時(shí)，硬線電纜往往更穩(wěn)定。但若電纜必須經(jīng)常移動(dòng)，則優(yōu)質(zhì)柔軟性電纜是必不可少的。

  漂移和穩(wěn)定性體現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)隨時(shí)間和溫度所發(fā)生的變化。這類誤差的典型來源可能歸因于接收機(jī)的下變頻和檢波隨溫度而變化。網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量系統(tǒng)的許多比值能幫助常用工作方式擺脫對(duì)飄移的潛在敏感性。解決這個(gè)誤差源問題的最適當(dāng)?shù)霓k法是，從利用最穩(wěn)定的硬件著手并在隨后經(jīng)常對(duì)測(cè)量進(jìn)行重新校準(zhǔn)，以避免在特殊測(cè)量環(huán)境中出現(xiàn)的一些問題。