一、標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀

標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)中最獨(dú)特的元件是用作射頻功率檢測(cè)器件的二極管檢波器。這樣便可實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻特性的十分經(jīng)濟(jì)寬帶幅度測(cè)量。

1、二極管檢波器

二極管檢波器將射頻信號(hào)變換為成正比的直流電壓。若信號(hào)是調(diào)幅信號(hào)，則二極管將恢復(fù)該調(diào)制信號(hào)。二極管檢波器可能具有很寬的帶寬（10MHz～50GHz）、快的響應(yīng)時(shí)間和達(dá)76dB的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍。典型的檢波器回波損耗為20dB。

二極管具有一個(gè)平方律區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，電壓輸出與功率輸出成正比（見下圖）。之所以稱為平方律區(qū)域，是因?yàn)殡妷狠敵雠c電壓輸入的平方成正比。超過某個(gè)功率電平，響應(yīng)便變?yōu)榫€性響應(yīng)。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機(jī)具有補(bǔ)償這個(gè)檢波器特性變化的能力，從而擴(kuò)大了允許的動(dòng)態(tài)范圍。

二極管檢波器的特性

      二極管檢波方案采用直流檢波或交流檢波。直流檢波器產(chǎn)生與入射到二極管上的功率成正比的直流信號(hào)。二極管的輸出直接由分析儀計(jì)讀，在這種情況下，分析儀成為一個(gè)具有對(duì)數(shù)響應(yīng)的品質(zhì)優(yōu)良的電壓表。交流檢波也產(chǎn)生與入射功率成正比的信號(hào)，但射頻源是方波調(diào)幅源，從而形成檢波器的方波輸出。

     與直流檢波相比，交流檢波具有消除二極管檢波器直流漂移和對(duì)溫度敏感的好處。此外，交流檢波還不受檢波器輸入端未經(jīng)調(diào)制的信號(hào)的影響。交流檢波需要射頻源調(diào)制，這有時(shí)難以實(shí)現(xiàn)且可能影響被測(cè)件的性能。標(biāo)量分析儀接收機(jī)容納多個(gè)（達(dá)四個(gè)）檢波器輸入。

      在利用寬帶檢波器時(shí)，必須注意一下事實(shí)：它們可能對(duì)在輸入端口出現(xiàn)的處于檢波器頻率范圍內(nèi)的所有信號(hào)起響應(yīng)。在這種測(cè)量情況下，必須注意源的諧波電平和寄生信號(hào)。若被測(cè)的信號(hào)處在檢波器的平方律區(qū)域，則不希望的信號(hào)將附加在功率檢測(cè)中。在檢波器功率響應(yīng)范圍的線性部分，不希望的信號(hào)會(huì)給線性檢測(cè)附加上不確定度。

       標(biāo)量分析儀系統(tǒng)中的定向電橋是檢波器和信號(hào)分離器件的組合。定向電橋的工作很像惠斯通電橋（如下圖）。

標(biāo)量分析儀定向電橋

     若四個(gè)臂的電阻相同（即測(cè)試端口=50Ω），則測(cè)出零電壓。若測(cè)試端口的負(fù)載不是50Ω，則電橋的端電壓與被測(cè)件（DUT）的失配（偏離50Ω）成正比。定向電橋具有寬帶特性以及很好（40dB）的方向性，但代價(jià)是是它們?cè)谌肷渖漕l通路中具有6dB的插入損耗，這可能影響在被測(cè)件上可利用的入射功率大小，因此可能限制傳輸測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍。

2、反射測(cè)量

      下圖是反射測(cè)量校準(zhǔn)配置和測(cè)量配置圖。

 

校準(zhǔn)配置（a）                                  測(cè)量配置（b）

     對(duì)基本反射測(cè)量配置中信號(hào)流程的分析可以得到反射不確定度的表示式，該表示式考慮了測(cè)量校準(zhǔn)和隨后被測(cè)件特性測(cè)量過程中引入的任何不確定度。下圖示出了反射校準(zhǔn)和實(shí)際測(cè)量的不確定度如何加入總測(cè)量不確定度。

反射測(cè)量的不確定度

這種情況的簡(jiǎn)化不確定度定義方程可以用下式給出△ρ=A+Bρ_L+Cρ_L²            式中，△ρ為反射的幅度不確定度；A為方向性；B為校準(zhǔn)誤差、頻率響應(yīng)、顯示器和儀器誤差；C為有效源匹配；ρ_L為被測(cè)件的反射系數(shù)。

第一個(gè)系數(shù)是信號(hào)分離器件的方向性項(xiàng)。如方向性的定義中所述，它等效于直接泄漏到反射信號(hào)檢波器的入射能量部分，而與待測(cè)的反射項(xiàng)無關(guān)。在強(qiáng)反射項(xiàng)的情況下，方向性不是主要關(guān)心的問題，但對(duì)于回波損耗大的測(cè)試器件，方向性則可能是主要誤差源。選擇方向性比待測(cè)的回波損耗大的信號(hào)分離器件是重要的。此外，還必須小心對(duì)待在反射器件的測(cè)試端口輸出處所附加的適配器，因?yàn)檫m配器的連接器匹配可能是系統(tǒng)方向性的限制因素。

不確定度方程中B項(xiàng)與被測(cè)件入射波的直接路徑和反射檢測(cè)器的反射波的返回路徑中的誤差有關(guān)。這一項(xiàng)的頻率響應(yīng)部分可以通過測(cè)試端口用短路器（ρ=1）進(jìn)行歸一化測(cè)量的方法校準(zhǔn)掉。這便減小了頻率響應(yīng)誤差，但未考慮顯示器和儀器誤差，如接收機(jī)的動(dòng)態(tài)精度。

最后的不確定度項(xiàng)是有效源匹配項(xiàng)C。這是反射波被非理想源重新反射并作為另一個(gè)入射波加以測(cè)量的結(jié)果。這個(gè)不確定度項(xiàng)是當(dāng)被測(cè)件具有接近于1的ρ_L時(shí)的潛在問題。改善等效源匹配的方法有：利用功分器--比值測(cè)量配置，改善激勵(lì)的輸出源穩(wěn)幅或在激勵(lì)通路內(nèi)置入緩沖器或衰減器加以改善。

在標(biāo)量系統(tǒng)中，還利用了另一種校準(zhǔn)技術(shù)，可減小由于方向性誤差和源匹配誤差之和引起的誤差。通過對(duì)短路響應(yīng)和開路響應(yīng)取平均，可以消除由于方向性誤差和源匹配誤差之和引起的校準(zhǔn)誤差。開路和短路平均往往能將校準(zhǔn)誤差平均掉，從而使B=0。下圖示出了開路和短路平均對(duì)校準(zhǔn)的影響。

標(biāo)量分析儀的開路和短路取平均的特性測(cè)量

大多數(shù)儀器供應(yīng)商提供的一種很有用的工具是反射計(jì)和適配誤差計(jì)算器。它是一種將方向性、失配、駐波比及不確定度關(guān)聯(lián)在一起的簡(jiǎn)單器具。方向性可以直接轉(zhuǎn)換為等效于反射系統(tǒng)測(cè)量中誤差項(xiàng)A的線性項(xiàng)。此外，還可以直接在反射系數(shù)、回波損耗和駐波比（SWR）之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。還可以計(jì)算由于多次失配引起的波動(dòng)大小。這在傳輸計(jì)算以及在反射不確定度的等效源匹配分析中都很有價(jià)值。

3、傳輸測(cè)量

進(jìn)行標(biāo)量分析儀的傳輸測(cè)量時(shí)，首先對(duì)直通參考連接進(jìn)行校準(zhǔn)，然后用被測(cè)件代替該直通路徑。所得到的傳輸幅度測(cè)量的不確定度是校準(zhǔn)測(cè)量的不確定度與器件測(cè)量的不確定度之和。起主要作用的誤差源是源和檢波器的失配。頻率響應(yīng)誤差通過歸一化來消除，但直通校準(zhǔn)具有由源匹配和檢波器負(fù)載之間多次反射引起的不確定度。當(dāng)插入被測(cè)件時(shí)，在源匹配與被測(cè)件輸入匹配之間以及在被測(cè)件輸出匹配與檢波器匹配之間將發(fā)生類似的不確定度。下圖說明了這些失配是如何起作用的。

傳輸測(cè)量是配的不確定度

下圖示出了實(shí)際多重失配不確定度如何相加。

失配不確定度模型

（ρs為源反射，ρ1為被測(cè)件的輸入反射，ρ2為被測(cè)件的輸出反射，ρd為檢波器的反射）

在信號(hào)源或檢波器前加緩沖衰減器、用穩(wěn)幅技術(shù)改善源匹配或采用功分器-比值測(cè)量是可用來改善系統(tǒng)的等效源匹配或檢波器匹配，因而降低測(cè)量不確定度的各種方法。

       4、特殊應(yīng)用

盡管標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的主要應(yīng)用是線性網(wǎng)絡(luò)的頻域特性測(cè)量，但仍有一些它們可以解決的其它應(yīng)用。例如，可以利用頻域測(cè)量來計(jì)算沿傳輸結(jié)構(gòu)回波損耗距離的變化。將傅里葉變換分析技術(shù)應(yīng)用于頻域信息，可以獲得其時(shí)域仿真，從而能根據(jù)特定傳輸媒質(zhì)的傳播速度對(duì)它按距離進(jìn)行定標(biāo)。所得到的輸出是傳輸結(jié)構(gòu)缺陷位置分析的有力工具。

在某些標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)中，可以個(gè)別針對(duì)檢波器的頻率響應(yīng)和動(dòng)態(tài)精度對(duì)其特性加以表征，這就使檢波器能以功率計(jì)的精度來測(cè)量功率。有了這樣的精度，標(biāo)量分析儀在測(cè)量有源器件如放大器的壓縮特性和對(duì)幅度的敏感特性時(shí)十分有用。此外，利用卓越的功率測(cè)量能力和所具有的諸如交流檢波之類的技術(shù)，標(biāo)量分析儀在測(cè)量變頻器件如混頻器元件或通信用上、下變頻系統(tǒng)元件中，正在獲得越來越多的應(yīng)用。

二、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

基本測(cè)量特性  矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀配置與標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的主要區(qū)別在于接收機(jī)的復(fù)雜程度和從檢波器外推的信息（見下圖）。

  

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀配置圖

信號(hào)分離器件包含功分器、耦合器和（或）電橋。信號(hào)處理元件和適當(dāng)?shù)纳漕l轉(zhuǎn)接通常一起布置在測(cè)量系統(tǒng)的“測(cè)試裝置”部分。這樣做是因?yàn)樵诓捎脧?fù)雜的校準(zhǔn)時(shí)，需要經(jīng)常進(jìn)行可重復(fù)的和精確信號(hào)的轉(zhuǎn)接。

• 調(diào)諧接收機(jī)

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)的接收機(jī)部分是以對(duì)信號(hào)源的頻率跟蹤的方式調(diào)諧的基波混頻或諧波混頻多通道接收機(jī)。接收機(jī)將寬帶掃描射頻信號(hào)向下變換成固定且與射頻測(cè)試頻率無關(guān)的中頻頻率。中頻頻率足夠低，使能用精密檢測(cè)電路確定每個(gè)接收機(jī)通道內(nèi)的信號(hào)幅度和任意兩個(gè)接收機(jī)通道的相位關(guān)系。結(jié)果是一種寬動(dòng)態(tài)范圍（100dB）的無雜散信號(hào)多通道接收機(jī)，能對(duì)其多個(gè)輸入中的任意兩個(gè)輸入的矢量量值（如反射系數(shù)和增益）進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量相位特性的能力賦予矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)被測(cè)件的復(fù)阻抗和相位延遲特性進(jìn)行表征的功能。能測(cè)量矢量和進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算允許這種測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的校準(zhǔn)，即通過測(cè)量精確已知的標(biāo)準(zhǔn)并計(jì)算出將應(yīng)用于被測(cè)件測(cè)得得數(shù)據(jù)的修正系數(shù)。檢波器能對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的矢量操作，這種能力允許系統(tǒng)顯著地改善測(cè)量的質(zhì)量并降低與測(cè)量結(jié)果相關(guān)的不確定度。檢波器還具有操作誤差修正數(shù)據(jù)的能力，使以許多不同的顯示格式（從線性相位或幅度隨頻率的變化到矢量的極坐標(biāo)顯示）給出信息。

與標(biāo)量檢波器的特性非常相似，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機(jī)對(duì)分析儀的性能也有若干限制。人們希望接收機(jī)在其變換特性時(shí)呈線性。因此，每個(gè)接收機(jī)通道在開始發(fā)生壓縮和限幅之前，存在著最大允許的輸入信號(hào)。在低信號(hào)電平下，接收機(jī)的靈敏度和精度受噪聲和不是測(cè)量通路一部分的低電平信號(hào)漏泄（串?dāng)_）的限制。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)（包括適當(dāng)?shù)男盘?hào)分離測(cè)試裝置）必須從信號(hào)電平的觀點(diǎn)仔細(xì)了解，以從系統(tǒng)獲得最佳性能。必須小心維持最佳入射測(cè)試信號(hào)和接收機(jī)輸入信號(hào)的幅度。

• 反射測(cè)量

利用測(cè)量矢量的能力，可能測(cè)量器件反射信號(hào)與入射信號(hào)之比。這個(gè)比值是反射系數(shù)_ГL的復(fù)數(shù)表示。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀能顯示反射系數(shù)的幅度或相位隨頻率的變化。它也能給出反射系數(shù)的極坐標(biāo)顯示。由于每個(gè)特定反射系數(shù)是與唯一的阻抗相關(guān)，故可能將矢量反射系數(shù)與阻抗相聯(lián)系。

下圖是所謂史密斯（Smith）圓圖的常用極坐標(biāo)顯示的簡(jiǎn)圖。它是反射系數(shù)的極坐標(biāo)顯示，具有對(duì)特性阻抗Z₀歸一化的交疊的恒定阻抗線。史密斯圓圖的極坐標(biāo)顯示是對(duì)被測(cè)件的輸入阻抗進(jìn)行評(píng)估的十分有效的分析工具。所有正實(shí)數(shù)電阻值變換為單位反射系數(shù)圓內(nèi)的點(diǎn)。

斯密斯圓圖上的阻抗測(cè)量

下圖是反射測(cè)量配置的模型。測(cè)得的反射系數(shù)（S₁₁）和實(shí)際反射系數(shù)的表示式表明，測(cè)量不確定度受方向性、統(tǒng)調(diào)和源匹配三項(xiàng)的影響。在這種情況下，采取若干校準(zhǔn)步驟可能比只注意可能達(dá)到的原始性能效果更好。第一步是將短路器置于測(cè)試端口；然后，將測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)短路器的反射（在180°處，_Г=1）歸一化。這稱之為響應(yīng)校準(zhǔn)，可消除測(cè)量系統(tǒng)中的頻率響應(yīng)誤差。

反射測(cè)量信號(hào)通路

更復(fù)雜一些的方法是進(jìn)行單端口校準(zhǔn)。這個(gè)步驟要求測(cè)量幾個(gè)不同的器件，以外推反射測(cè)量的誤差項(xiàng)。第一個(gè)被測(cè)器件是精密負(fù)載，測(cè)得的數(shù)據(jù)是誤差模型的方向性項(xiàng)。然后測(cè)量開路器和短路器。根據(jù)這兩組測(cè)量，可能得出系統(tǒng)的源匹配誤差和頻率響應(yīng)誤差。校準(zhǔn)之后，網(wǎng)絡(luò)分析儀的檢波器將儲(chǔ)存誤差項(xiàng)。這些誤差項(xiàng)用來將測(cè)得的數(shù)據(jù)變換為被測(cè)件反射特性經(jīng)修正后的顯示。“理想”校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)只將測(cè)量修正到它們自身的理想程度。例如，在很高的頻率上，很難制造出理想的固定終端，因此，高頻校準(zhǔn)器件包括了滑動(dòng)終端，利用滑動(dòng)終端，通過將負(fù)載在空氣線上滑動(dòng)來形成數(shù)據(jù)點(diǎn)“圓”，可以確定給定頻率上的方向性矢量。此數(shù)據(jù)點(diǎn)圓的圓心就是該頻率上的方向性矢量。

• 傳輸測(cè)量

在進(jìn)行二端口器件測(cè)量時(shí)，通常感興趣的是測(cè)量未知器件的反射特性和傳輸特性。這將出現(xiàn)某些必須考慮的有意義的互作用，下圖示出了測(cè)量情況。

傳輸測(cè)量的信號(hào)路徑

首先看到的是，在被測(cè)件的輸出端，測(cè)量系統(tǒng)的負(fù)載匹配將影響器件的輸入匹配。在傳輸路徑上，頻率響應(yīng)、源失配互作用、負(fù)載失配互作用和串?dāng)_是影響測(cè)量精度的幾個(gè)因素。同反射測(cè)量情況一樣，通過系統(tǒng)的計(jì)算代表特定測(cè)試系統(tǒng)特性的各項(xiàng)誤差，可能利用已知標(biāo)準(zhǔn)器件的測(cè)量來對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。

下圖是傳輸測(cè)量的信號(hào)流圖和表示式。注意，源匹配MS與S11A的互作用、負(fù)載匹配ML與S21A的互作用、傳輸頻率響應(yīng)誤差Tt和漏泄串?dāng)_（C）誤差。這個(gè)模型還表明，為了精確的得到S22A數(shù)據(jù)，必須知道精確為S11、S12和S22信息。

傳輸測(cè)量的信號(hào)流圖

利用全二端口測(cè)量校準(zhǔn)可以從數(shù)學(xué)上消除上述誤差的影響。單端口反射校準(zhǔn)用于表征源匹配特性，直通連接用于表征傳輸頻率響應(yīng)和負(fù)載匹配特性，而隔離校準(zhǔn)則用于確定傳輸漏泄或串?dāng)_。一個(gè)完整的全二端口測(cè)量模型包括正向測(cè)量和反向測(cè)量?jī)烧叩哪Ｐ汀榱司_測(cè)量單一S參數(shù)，必須測(cè)量所有參數(shù)。

一般校準(zhǔn)方法是利用傳統(tǒng)的開路/短路/負(fù)載/直通標(biāo)準(zhǔn)。然而制造這些標(biāo)準(zhǔn)并不總是簡(jiǎn)單易行，尤其是在非同軸媒質(zhì)中更是如此。固定寬帶負(fù)載很難制造，所以，為了獲得更高的精密度，可以用滑動(dòng)負(fù)載代替固定負(fù)載。在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的毫米波頻率上，用偏置負(fù)載和固定負(fù)載建立方向性矢量的中心點(diǎn)。在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中采用了偏置短路，因?yàn)椴豢赡艽嬖陂_路標(biāo)準(zhǔn)。直通/反射/傳輸線（TRL）校準(zhǔn)計(jì)算與其它方法相同的12個(gè)誤差項(xiàng)（二端口的方向性、二端口的正向匹配和反向匹配、傳輸和反射的正向和反向統(tǒng)調(diào)以及正向隔離和反向隔離），但利用了直通連接，大的未知反射以及一段傳輸線（其參數(shù)阻抗為Z₀參考）來獲得校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。與其它校準(zhǔn)方法相比，TRL校準(zhǔn)方法具有簡(jiǎn)單和精確的優(yōu)點(diǎn)。它特別適用于一些很難獲得的異常傳輸線環(huán)境，如微帶。下面的表格針對(duì)不同的校準(zhǔn)方法給出了利用在7mm連接環(huán)境中提供的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)所能達(dá)到的精度類型的概念。

 

剩余誤差	開路，短路，固定負(fù)載，dB	開路，短路，滑動(dòng)負(fù)載，dB	開路，短路，偏置負(fù)載，dB	TRL，dB
方向性δ	-40	-52	-60	-60
匹配τ	-35	-41	-42	-60
統(tǒng)調(diào)μ	±0.1	±0.47	±0.35	±0.0

 各種精度提高方法小結(jié)

測(cè)量校準(zhǔn)	使用場(chǎng)合	所消除的誤差
響應(yīng)	傳輸測(cè)量	只頻率響應(yīng)
	反射測(cè)量
	不要求最高精度時(shí)
S11端口	反射測(cè)量：最高精度	方向性 源匹配 頻率響應(yīng)
	用于單端口器件（可用于匹配良好的二端口器件）
全二端口	傳輸測(cè)量	方向性 源匹配，負(fù)載匹配隔離 頻率響應(yīng)
	反射測(cè)量
	二端口器件的最高測(cè)量精度

 任何特定網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表都會(huì)給出系統(tǒng)測(cè)量能力隨系統(tǒng)性能、校準(zhǔn)方法和待測(cè)的被測(cè)件參數(shù)變化的曲線圖。下圖是一張S參數(shù)測(cè)量精度的樣板圖，它是射頻網(wǎng)絡(luò)分析儀采用全二端口校準(zhǔn)以及在幾種連接器環(huán)境下（N型，3.5mm，7mm）得到的。

（a）傳輸測(cè)量                            （b）反射測(cè)量

• 特殊考慮

隨著矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀形成自己的內(nèi)部計(jì)算和控制能力，已發(fā)展了若干新的測(cè)量功能。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以通過計(jì)算所測(cè)相位的斜率來確定器件的群延時(shí)。群延時(shí)是用來描述器件的相位如何呈線性，因而可能對(duì)通信系統(tǒng)帶來多大失真的一個(gè)術(shù)語。群延時(shí)T_G具有時(shí)間的量綱。

最強(qiáng)大的分析手段之一是內(nèi)置時(shí)域功能。時(shí)域功能對(duì)測(cè)得的頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字傅里葉變換，并在時(shí)域中仿真對(duì)被測(cè)器件的脈沖或階躍響應(yīng)。時(shí)域顯示可用來分析傳輸模式下的階躍和脈沖特性，并可仿真反射特性測(cè)量中的時(shí)域反射計(jì)模式。這種仿真能深入了解測(cè)試器件的特性。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀還納入了一些校準(zhǔn)方法，允許針對(duì)功率輸出和功率入射校準(zhǔn)測(cè)試裝置端口，使其接近功率計(jì)精度的水平。利用這種功能，有源器件隨功率變化的特性測(cè)量就成為一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。放大器的增益壓縮就是一個(gè)對(duì)功率敏感元件十分重要的器件考慮的例子。此外，某些矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的方塊圖還具有使接收機(jī)跟蹤諧波或源以及基波輸入的能力。這就能對(duì)諧波含量進(jìn)行掃頻的特性測(cè)量。除諧波之外，某些系統(tǒng)還能使接收機(jī)偏離源頻率，從而能實(shí)現(xiàn)頻偏測(cè)量，這可用于測(cè)量變頻器或混頻器。