网络分析仪的原理详解

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　　一种独特的仪器
　　网络分析仪是一种功能强大的仪器，正确使用时，可以达到极高的精度。它的应用也十分广泛，在很多行业都不可或缺，尤其在测量无线射频（RF）元件和设备的线性特性方面非常有用。现代网络分析仪还可以应用于更具体的场合，例如，信号完整性和材料的测量。随着业界第一款PXI网络分析仪—NI PXIe - 5630的推出，你完全可以摆脱传统网络分析仪的高成本和大占地面积的束缚，轻松地将网络分析仪应用于设计验证和产线测试。
网络分析的基本原理     网络分析仪的发展
　　你可以使用图1所示的NI PXIe-5630矢量网络分析仪测量设备的幅度，相位和阻抗。由于网络分析仪是一种封闭的激励-响应系统，你可以在测量RF特性时实现绝佳的精度。当然，充分理解网络分析仪的基本原理，对于你最大限度的受益于网络分析仪非常重要。
网络分析的基本原理

　　图1. NI PXle-5630 矢量网络分析仪
　　在过去的十年中，矢量网络分析仪由于其较低的成本和高效的制造技术，流行度超过了标量网络分析仪。虽然网络分析理论已经存在了数十年，但是直到 20世纪80年代早期第一台现代独立台式分析仪才诞生。在此之前，网络分析仪身形庞大复杂，由众多仪器和外部器件组合而成，且功能受限。NI PXIe-5630的推出标志着网络分析仪发展的又一个里程碑，它将矢量网络分析功能成功地赋予了灵活，软件定义的PXI模块化仪器平台。
　　通常我们需要大量的测量实践，才能实现精确的幅值和相位参数测量，避免重大错误。由于射频仪器测量的不确定性，小的错误很可能会被忽略不计。而网络分析仪作为一种精密的仪器能够测量出极小的错误。
网络分析的基本原理     网络分析理论
　　网络是一个被高频率使用的术语，有很多种现代的定义。就网络分析而言，网络指一组内部相互关联的电子元器件。网络分析仪的功能之一就是量化两个射频元件间的阻抗不匹配，最大限度地提高功率效率和信号的完整性。每当射频信号由一个元件进入另一个时，总会有一部分信号被反射，而另一部分被传输，类似于图2所示。
　　这就好比光源发出的光射向某种光学器件，例如透镜。其中，透镜就类似于一个电子网络。根据透镜的属性，一部分光将反射回光源，而另一部分光被传输过去。根据能量守恒定律，被反射的信号和传输信号的能量总和等于原信号或入射信号的能量。在这个例子中，由于热量产生的损耗通常是微不足道的，所以忽略不计。
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　　图2. 利用光来类比网络分析的一个基本原理
　　我们可以定义参数反射系数（G），它是一个包含幅值和相位的矢量，代表被反射的光占总（入射）光的比例。同样，定义传输系数（T）代表传输的光占入射光的矢量比。图3示意了这两个参数。
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　　图3. 传输系数（T）和反射系数（G）
　通过反射系数和传输系数，你可以更深入地了解被测器件（DUT）的性能。回顾光的类比，如果DUT是一面镜子，你会希望得到高反射系数。如果DUT是一个镜头，你会希望得到高传输系数。而太阳镜可能同时具有反射和透射特性。
　　电子网络的测量方式与测量光器件的方式类似。网络分析仪产生一个正弦信号，通常是一个扫频信号。DUT响应时，会传输并且反射入射信号。传输和反射信号的强度通常随着入射信号的频率发生变化。
　　DUT对于入射信号的响应是DUT性能以及系统特性阻抗不连续性的表征。例如，带通滤波器的带外具有很高的反射系数，带内则具有较高的传输系数。如果DUT 略微偏离特性阻抗则会造成阻抗失配，产生额外的非期望响应信号。我们的目标是建立一个精确的测量方法，测量DUT响应，同时最大限度的减少或消除不确定性。
网络分析的基本原理     网络分析仪测量方法
　　反射系数（G）和传输系数（T）分别对应入射信号中反射信号和传输信号所占的比例。图3示意了这两个向量。现代网络分析基于散射参数或S-参数扩充了这种思想。
　　S-参数是一种复杂的向量，它们代表了两个射频信号的比值。S-参数包含幅值和相位，在笛卡尔形式下表现为实和虚。S-参数用S坐标系表示，X 代表DUT被测量的输出端，Y代表入射RF信号激励的DUT输入端。图4示意了一个简单的双端口器件，它可以表征为射频滤波器，衰减器或放大器。
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　　图4. 简单的双端口设备的 S-参数表示
　　S11定义为端口1反射的能量占端口1入射信号的比例，S21定义为传输到DUT端口2 的能量占端口1入射信号的比例。参数S11和S21为前向S-参数，这是因为入射信号来自端口1的射频源。对于从端口2入射信号，S22为端口2反射的能量占端口2入射信号的比例，S12为传输到DUT端口1的能量占端口2入射信号的比例。它们都是反向S-参数。
　　你可以基于多端口或者N端口S-参数扩展这个概念。例如，射频环形器，功率分配器，耦合器都是三端口器件。你可以采用类似于双端口的分析方法测量和计算S-参数，如S13,S32,S33。S11，S22, S33等下标数字一致的S-参数表征反射信号，而S12,S32,S21和S13等下标数字不一致的S-参数表征传输信号。此外，S-参数的总个数等于器件端口数的平方，这样才能完整的描述一个设备的RF特性。
　　表征传输的S-参数，如S21，类似于增益，插入损耗，衰减等其它常见术语。表征反射的S-参数，如S11，对应于电压驻波比（VSWR），回波损耗，或反射系数。S-参数还具有其他优点。它们被广泛认可并应用于现代射频测量。你可以很容易地将S-参数转换成H、Z或其他参数。你也可以对多个设备进行S-参数级联，表征复合系统的RF特性。更重要的是，S参数用比率表示。因此，你不需要把入射源功率设置为精确值。DUT的响应会反映出入射信号的任何微小差别，但通过比率方式表征传输信号或反射信号相对于入射信号的比率关系时，差别就会被消去。
网络分析的基本原理      网络分析仪结构
　　网络分析仪可以分为标量（只包含幅度信息）和矢量（包含幅度和相位信息）两种分析仪。标量分析仪曾一度因其结构简单，成本低廉而广泛使用。矢量分析仪可以提供更好的误差校正和更复杂的测量能力。随着技术的进步，集成度和计算效率的提高，成本的降低，矢量网络分析仪的使用越来越普及。
　网络分析仪有四个基本功能模块，如图5所示。
网络分析的基本原理

　　图5. 现代网络分析仪基本功能模块
　　信号源，用于产生入射信号，既支持连续扫频也支持离散频点，并且功率可调。信号源通过信号分离模块馈入DUT输入端，信号分离模块可看作一个测试装置。在这里，将反射信号和传输信号分离进不同的组件测量。对于每一个频点，处理器测量信号并计算参数值（例如S21或驻波比）。用户校准主要用于提供数据的错误校正，将在后续详细介绍。最终，当与网络分析仪交互时，你可以在显示器上查看参数以及修正后的数值，并使用其它用户功能，比如缩放波形图。
　　根据网络分析仪性能和成本的不同，有多种方式实现结构中的四个模块。测试装置可以设计成传输/反射（T/R）或全S-参数。其中，T/R测试装置是最基本的实现方式，结构见图6。
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　　图6. 网络分析仪T/R测试装置结构
　　T/R结构包括一个稳定信号源，它能够提供指定频率和功率的正弦波信号；一个参考接收器R，它与功率分配器或定向耦合器相连，用于测量入射信号的幅值和相位。入射信号从网络分析仪端口1发出，馈入DUT的输入端。定向耦合接收器A测量任何反射回端口1的信号（包括幅值和相位）。定向耦合器和电阻桥功能类似，都可以用于分离信号，你可以根据性能，频率范围和成本要求进行选择。信号经过DUT传输进入网络分析仪的端口2，端口2处的接收器B用于测量该信号的幅值和相位。
　　接收器针对不同的特性要求也有不同的结构，可被看作是带有下变频器、中频滤波器以及矢量检测器的窄带接收机，类似于矢量信号分析仪。它们可以提取出信号的实、虚部，用于计算幅值和相位信息。此外，所有接收器都与信号源使用相同的相位参考，你可以在相同的相位参考下计算接收信号与入射信号的相位关系。
　　T/R结构具有性价比高，结构简单，性能好的特点。但仅只支持前向参数测量，例如S11和S21。如要测量反向参数，需要断开并反转DUT，或者借助外部开关控制。由于不能切换源（入射信号）到端口2，端口2的纠错能力有限。如果T/R结构设计符合你的项目要求，这种结构是一种高精度和高性价比的选择。
　　全S-参数结构如图7所示，在参考接收耦合器后的信号通路中嵌入了一个开关。
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　　图7. 全S-参数网络分析仪
　　当开关连通端口1，分析仪测量前向参数。当开关连通端口2，你无需重置DUT外部连接，就可以测量反向参数。端口2处的定向耦合接收器B测量前向传输参数和反向反射参数。接收器A测量前向反射参数和反向传输参数。
　　由于开关放置在网络分析仪的测量路径上，因此用户校准时需要考虑开关的不确定性。尽管如此，两个开关位置仍可能会有细微的差别。另外，随着时间的推移，开关触点磨损，需要更频繁的用户校准。为了解决这个问题，可以把开关移到源输出，并且采用两个参考接收机，R1和R2，分别对应前向和反向，如图 8所示。由于采用了更高性能的架构，成本和复杂性也随之而来。
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　　图8. 带有双参考接收器的全S-参数网络分析仪
　　网络分析仪的基本结构绝大部分在测试装置中实现。一旦分析仪测量出入射信号（R参考接收器）和传输信号的幅值和相位，或者是反射信号（A和B接收器）的幅值和相位，就可计算出四个S-参数值，如图9所示。
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　　图9. 全双端口网络的四个S-参数
　　您可以综合应用，性能，精度，和成本等因素，选择合适的网络分析仪结构。
网络分析的基本原理误差和不确定度
　　理解矢量网络分析仪不确定度的来源有助于你采取行之有效的用户校准方法。对于图10所示的完整的双端口网络分析仪结构，我们从前向开始分析。
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　　图10. 完整的两端口网络分析仪源的不确定性
　　首先，第一个不确定性是传输信号和反射信号由于在频率上或者分别正，反向的轨道导致的信号丢失。其次，DUT的输入阻抗和网络分析仪或系统阻抗的差异。同样，DUT输出端也存在类似情况，它们分别属于源匹配和负载匹配。
　　用于信号分离的定向耦合器的效率，也需要考虑。理想的定向耦合器在耦合臂产生输出信号，它是与主臂一个方向上的标准信号成比例，而相反方向的信号不产生输出信号。耦合器输出（耦合臂）和标准输入信号（直通臂）的区别是耦合系数。耦合系数通常在10分贝到30分贝之间，意味着当输入信号以适当方向通过直通臂时，输出RF功率电平比其小10到30分贝。
　　定向耦合器对于反方向的信号不产生输出。但实际上，这是很难实现的。尽管是很小的，反方向的信号通过实际的耦合器仍然会在输出端产生不必要的响应。这种不需要的信号定义为耦合器泄露。耦合系数与耦合泄露的差别称为耦合器的定向性。
　　最后是隔离。端口2的接收器检测到端口1辐射或传导的少量的信号，在现代网络分析仪，这种不必要的泄露通常很小。总的来说，不影响测量，除非DUT有很高的损失。尽管推荐，在许多现代矢量网络分析仪中。隔离在校准中只是一种可选的操作。
　　一个完整的网络分析仪正向不确定性的来源包括：传输和反射追踪；负载和源匹配；定向性和隔离，这些再结合反向6个误差项，共有12误差项。用户校准需要充分考虑这12个误差，以便得到适当的修正系数来用到测量数据当中。这项修正是矢量网络分析仪的显著的精度的主要原因。
网络分析的基本原理     校准
　　RF设备的校准经常需要把仪器周期性的送到一个经过认定的仪器校准实验室来进行以确保该仪器运行在生产商的说明以内，实验室也往往把仪器的性能调整到一个标准，比如说国家标准和技术研究院所指定的标准。（NIST）。
　　网络分析仪也不例外。它们太需要周期性的校准，以至于有时达不到高的精准度，用户的校准也经常被需要。网络分析仪的校准通常通过一个网络分析仪的套包的一系列校准标准或者是用户制定，用户定义的标准来完成。一系列的修正参数通过比较已经知道的存储在网络分析仪的数据和根据校准标准所产生的测量数据产生了出来。在校准测试中这些就被用在数据中以补偿在前面章节讨论过的错误源。
　　许多因素决定着用户校准需要多久进行一次。你需要考虑的因素包括 需要的测试精度，环境因素，以及DUT连接的可重复性。通常情况下，网络分析仪每几个小时或每几天需要一次用户校准，你应当根据核实的标准，测试不稳定因素来源的认定，以及个人经验来决定多久才需要进行校准。需要说明一点，本次讨论用周期校准来描述用户校准，不要与推荐的每年经过认定的工厂校准相混淆。
　　三个系列的校准经常用在网络分析仪的校准当中：
　　1.　　　　 短路的，开路的，负荷的，直达的（SOLT）
　　2.　　　　 直达的，反射的，线性的 (TRL)
　　3.　　　　 使用外部自动化的校准模型的自动校准
　　由于每一个系列的校准都有很多不同的要求，需要根据DUT，测试系统，以及测试要求来决定使用哪一种方法。由于SOLT被广泛地使用，我们用它来说明一个校准系列中的变化。
　　SOLT要求在系统（和DUT）以及阻抗中采用短路的，开路的，负荷型的，直通的的标准。由他们的机械上的特点所决定的精准的标准数据在校准之前被载入到网络分析器中。你连接校准标准的位置（网络分析仪端口，线缆的末端，或者在测试的固定装置里面）就是测试时开始和结束的地方。这就是参考平台或者是测试平台。
　　进一步说明，你必须用一个可插入的连接制作一个直通的连接。举个例子，一个公口对母口的连接，或者其他不需要外部设备或转接器的连接来完成在SOLT测试期间的直通连接。在校准期间插入任何器件以及不在校准测量中使用该器件都会导致测量错误。
　　如果你不能做一个直通的连接，将会被称为不可插入的。这里有几种方法可以用来处理不可插入的情况。，最简单的是使用一套相位相同的（包括在大多数的校准套包中）转接器以及每种类型的短路，开路，负载,在校准过程中使用一个转接器来完成直通的连接，而且在校准测试过程中为了DUT连接用一个合适的转接器与其交换。
　　其他校准在SOLT系列的校准包括响应型校准。它比较迅速，但是却没有移除在频率上的带宽损失那样精确。它只考虑了在12错误模型的正反向的情况。你可以通过放置短路，开路，负载的情况在端口一来进行一个端口的校准。这样可以节省一些时间，如果你只要进行一个端口测量的话，比如一个天线的回传损失。一个加强的一个端口校准如同一个完全的一端口校准，而且使用直通的连接来测量端口二，这在端口二没有源的T/R结构中很普遍。最终这里有按照校准规定的可以在两个端口都放置短路，开路，负载的完全双端口SOLT校准。图11总结了这些普通的SOLT系列校准。
网络分析的基本原理
　　图11. 普通的SOLT 校准
　　SOLT和TRL校准有很多变化，你可以在实际端子不存在比如探针节点或者如果DUT是在一个测试固定物中的应用中使用TRL校准。因为TRL并不需要负载，在这些情况下他可以得到很好的实现。
　　自动化校准是一种比较新的途径，由于它们的速度，可重复性，简单易用很快已经获得了流行。更进一步，它们去除了大多数的人工干预，从而极大地减少了在校准期间误操作的概率。这些单元传统上包括一个电子元件，比如二极管，终端或者其他的标志物以及在EEPROM上存储的经过编码的相关的细节化的电子描述信息。当连接到了网络分析器上以后，自动校准就会被设置到不同的状态。在校准过程中这些状态被测量并和EEPROM中存储的相关状态相比较，以达到正确的修正值。
　　无论你采用了哪一种校准方法，随机的错误发生来源都应当予以避免，减少IF带宽，使用平均值减少噪音，提供更好的结果。当校准网络分析仪的时候，高质量的组成部分，巩固的测量实践，以及一个关于校准步骤和仪器的全面理解是同等重要的。
网络分析的基本原理工序要求
　　当用网络分析仪进行精确测量时，需要理解和正确执行每个步骤以便得到得到最佳结果。使用高性能的元件和全面的测量实践。考虑一台经过良好校准的并提供校正参数的网络分析仪和一台要求精确测量的高性能DUT之间 RF连接：
　　是否有电缆，适配器，和其它高性能的组成部分？
　　你是否适当地清洁了他们
　是否使用了合适的转矩？
　　如果连接到DUT的RF的性能与规定的系统精度不相符，即使最好的网络分析仪也是没有作用的。
　　当使用网络分析仪时，使用工序是非常有用的。工序可以增强操作并改善结果。下面是一个使用网络分析仪的例子架构。
　　准备
　　准备网络分析仪和DUT
　　清洁，检查和测量所有连接器
　　如果使用SOLT校准，选择一种处理非插入式连接的方法
　　连接分析仪的电缆和适配器到分析仪上
　　操作
　　预调网络分析仪
　　设定源参数，包括频率，功率，速度系数和IF带宽
　　连接DUT，验证安装，电缆，适配器和运行
　　选择S-参数测量和显示格式
　　若可以，设定特殊的测量目标，如参考平面的扩展
　　观察响应
　　移除DUT
　　校准
　　选择适当的校准工具包或定义输入校准标准
　　设置IF带宽并平均以最小化校准期间的噪声
　　手动校正或使用自动校准
　　采用熟知的核查标准验证校准质量
　　保存仪器状态和校准
　　执行
　　连接DUT
　　从校准步骤中得到合适的校正参数
　　测量并保存DUT参数
网络分析的基本原理一台仪器，多种应用
　　网络分析仪在正确使用的前提下，是某些最精确的射频仪器，典型的精度为± 0.1 dB和±0.1度。它可以进行精确，可重复的RF测量。现代网络分析仪提供的配置和测量能力像他们应用范围一样广泛。选择合适的仪器，校准，功能，以及采用可靠的RF测量方法，可以最优化你的网络分析仪的结果。