网络测试分析仪 射频测试基础——网络分析与网络分析仪

由几个电气元件连接而成的系统称为网络。“网络”可以作为电路的代名词，“网络分析”就是电路分析，但很少这么说，这就增加了一点神秘感。在射频通信领域，任何有一个以上端口的电路单元都可以称为网络，而这个网络往往被视为一个“黑匣子”。不是关注电路单元内部发生的情况，而是向端口添加适当的激励信号来测试电路的响应，从而表征该网络的特性。网络分析是射频通信领域常说的以端口为边界描述射频电路性能的工作。

散射参数

为了进一步了解网络分析带来的便利，需要了解网络分析的语言——散射参数。图(1)是一个π衰减器，图(2)是其电路图。如何最简单明了的描述它的表现？熟悉传统电路分析的人不难想到，可以先打开右边的端口，然后用万用表测试左边的电阻；再次打开左侧，测试右侧的电阻。向左侧施加适当的电流，然后用电压表测试右侧的电压，然后反向再次测试。根据这些数据，依次得到四个参数:开路输入电阻、开路输出电阻、开路正向传输电阻和开路反向传输电阻。看到这一堆熟悉的参数，你肯定会问:这个东西和衰减器有什么关系，大家喜欢看的衰减是什么？

图2

这个例子表明，低频电路中常用的Z参数(开路阻抗参数)在射频通信领域既不是惯用的，也不是难以测量的。综上所述，促使我们选择一个新的参数来描述电路的原因有三个:(1)大多数射频电路不允许端口开路或短路，因为这样做会使电路偏离预定的工作状态；(2)当波长很短时，即使信号只传播很短的距离，也会出现不可忽略的相移，使得测试计算非常困难；(3)需要一套完整的方法，可以根据得到的参数快速简单的设计电路。由于这些原因，散射参数应运而生。

散射参数通常简称为s参数。类似于阻抗参数，对于具有两个端口的网络(如衰减器)，它还包括四个部分，用Sij表示，其中I表示待检测端口，j表示激励信号的入射端口:

S11:被测设备(DUT)端口对信号的反射量，也称为回波损耗；

S21:信号通过被测器件时的变化(幅度和相位变化，也称为插入损耗或增益)；

S12:信号以相反方向通过被测器件时产生的变化；

S22:被测设备另一端口信号的反射量。

当测试中不使用端口时，应连接匹配的负载，使电路非常接近正常工作状态。在测量散射参数时，我们只需要知道信号流经被测器件时的变化，同时也不会影响电路的正常工作，因此更简单直接。后面介绍的网络分析仪是测量散射参数的专用设备。

通过数学计算，散射参数可以转换成其他类型的参数。

s参数是一个标准化的相对值

四个S参数都代表输出信号和输入信号的电压比(或功率比，计算时要统一)。以衰减器为例。在图(2)中，入射信号的功率为1W，当它通过待测器件并输出0.1W时，S21=0.1/1=0.1。换算成分贝的数值是-10dB。所以这个衰减器的衰减是10dB。这个相对值是频率的函数。随着频率的变化，衰减器的衰减可能会波动。以频率为横坐标，衰减为纵坐标，可以得到幅频特性图。

有时，需要注意信号通过电路后的相位变化。比如天线输入1w≈0的信号。在天线端口测得的反射信号功率是入射信号的0.5倍(称为反射系数)，但反射信号与入射信号的电压相位差为90度，所以天线的S11表示为0.707≈90度，表示回波损耗为-3dB，相位滞后为90度。

网络分析的好处

知道散射参数后就很容易理解网络分析的好处了。经过上面例子中衰减器的网络分析，可以直接得到衰减的参数，这样我们就可以直观的知道衰减器接在射频电路上会有什么样的效果。下面的天线例子进一步说明了这种分析方法的方便性。

通过网络分析，可以直接测量天线的S11参数，包括幅度(或功率)关系和相位关系，如0.5≈90。图(3)是极坐标中的S11关系图，其中径向坐标表示振幅关系，围绕轴的旋转角度表示相位关系。图(4)是用直角坐标表示的阻抗图，横坐标表示电阻，纵坐标表示电抗。将图(4)的坐标由直角坐标转换为极坐标，使比例尺符合单位阻抗(Zn=Z/Z0，Z0 = 50ω)与反射系数(γ) Zn = (1+γ)/(1-γ)的关系，即可得到图(5)所示的阻抗圆图。图(3)和图(5)重叠以获得史密斯图(史密斯聊天，图6)。在此图上，可以根据S11参数直接读取天线的输入阻抗。我们的目标是匹配传输最大功率。此时有两种方法:(1)传输线的末端提供与天线输入阻抗共轭的输出阻抗；(2)通过调试和连接匹配元件，天线的输入阻抗变为纯50欧姆。对于后一种方法，匹配元素的大小可以很容易地在史密斯图上求解。

图7

在扫频器上增加反射桥或定向耦合器可以用来测量S11参数。S11参数和VSWR可以直接转换，所以可以显示VSWR曲线。

扫频仪只能获得幅频特性图，所以是标量网络分析仪。

多输入通道扫频器

图7中的扫频仪器只有一个检测通道。虽然该仪器给出的s参数是一个相对值，但它测量的是一个绝对值。从绝对值到S21参数，取决于测试结果与存储结果的比较。这种方法不能避免一个问题:信号源的输出功率可能随着被测设备的不同而变化。为了消除这种误差，通常使用双通道频率扫描仪(图8)，其中一个用作“参考通道”。部分信号由分路器直接从信号源中取出，送到参考通道，另一通道的值与参考通道进行比较，得到S参数。常见的标量网络分析仪几乎都是这种多通道扫频器。

图8

多通道标量网络分析仪也可以通过一些巧妙的方法实现矢量分析，如卡雷尔·霍夫曼技术。随着矢量分析仪的发展，这种应用日益减少。

带有跟踪源的分光计

扫频检波器具有宽带特性。无论是测试信号，信号源的谐波，还是外部耦合干扰，都是同时检测的。如果被测器件是陷波滤波器，则不能有效压缩谐波，因此测得的陷波量不能小于谐波量。如果被测设备是已安装的天线，天线接收到的in 空信号也会进入检波器，导致测得的驻波值人为变大。此外，检波器的动态范围通常高达70dB左右，导致仪器的动态范围较小。

带有跟踪源的分光计用分光计的接收器代替频率扫描的检测器。频谱接收机只响应中频带宽内的信号，跟踪源的谐波和外部耦合的干扰对测试结果没有明显影响，可以对陷波器进行测试。该光谱仪检测噪声低，中频放大器好。由跟踪源和光谱仪组成的网络分析仪通常可以达到100分贝以上的动态范围。

如果没有跟踪源，可以利用光谱仪的最大值保持功能，与手动扫描的信号源组成一个简单的网络分析系统。

一些高级标量网络分析仪也采用类似的方案。由于网络分析仪的信号源的频率和谐波是可以预测的，所以这种仪器的“频谱接收机”不需要太好的带外抑制指标，可以采用比通常的频谱分析仪简单得多的接收机。

相位检测

除了一些特殊场合，上述网络分析仪只能获得幅频特性图和由其导出的驻波图，因此是标量仪器。为了获得被测设备的阻抗参数，需要比较输入和输出信号的相位，因此需要使用矢量网络分析仪(VNA)。所有网络分析仪都由信号源和专门用于检测信号源发出的信号的某种检测器组成。矢量网络和标准网络的主要硬件区别在于检测器。为了在足够的动态范围内进行矢量检测，通常需要先将信号混合，用中频滤波器精确地选通信号源产生的信号，然后在中频进行相位比较。该仪器的原理如图(9)所示。

图9矢量网络分析仪示意框图

历史上，相位检测主要基于触发原理。首先，对相位需要比较的两个中频信号进行整形，然后发送到两个触发器。当信号上升沿过零触发触发时，计数器开始计数时钟脉冲。当触发另一个触发器时，停止脉冲计数。这样，获得了两个中频上升沿之间的时间差。由于中频是已知的，相位差可以通过简单的转换得到。假设中频频率为100KHz，为了获得0.1度的相位分辨率，在没有额外措施的情况下，时钟频率应高于360MHz。

目前常用的相位检测方法都是基于同步检测原理，逐渐依靠数字信号处理技术。和其他方法一样，试件的输出信号和一部分输入信号(称为参考输入，在仪器上用R口表示)首先同步下变频到相对较低的中频。如果没有参考通道，信号源需要用同频本振锁定。经过中频滤波和幅度调理后，用ADC进行同步采样，得到的数字信号进入大规模FPGA，进行数字变频，产生两组I/Q信号。数字滤波后，一组信号与另一组信号共轭相乘，然后通过适当的矢量旋转算法计算相位差。其他的数学运算也可以用来计算相位差，基本都是软件做的，灵活性很高。通过精心设计数字处理过程，可以高效率地实现0.1度以内的鉴相精度。

仅仅得到相位差和振幅差是不够的——这些测量值并不是被测零件上的真实情况。无论是混频、滤波、信号调理、电缆、插座、电桥，都会对幅度和相位产生影响，必须从实测原始数据中剔除，才能得到正确的结果。为了消除S11测量误差，通常采用开路-短路-负载三步校准法。这种校准需要先打开仪器端口，在打开状态下存储一组数据，然后在短路和匹配负载下存储数据。这些数据，作为误差模型的已知量，用于确定任何其他测试的误差，并将结果返回到原始值。

使用合适的校准模型不仅可以消除仪器内外各种连接线的电气长度误差，以及滤波器和放大器的相移，还可以大大降低对硬件某些指标的要求，而这些指标恰好是难以提高的，电桥的方向性就是一个例子。

下面是一个理想化的例子。实际情况要复杂得多。已知驻波桥的指向性为0dB，即没有指向性。如何测量回波损耗小于30dB，即驻波小于1.1的天线？了解人才表的读者可能会觉得有点异想天开，但是校准确实可以解决这个问题——前提是在正向信号的提取点和电桥之间有缓冲。想象一下，如果仪器接一个匹配负载，被测正向信号和“反向信号”的幅度和相位关系就会被存储起来。然后连接天线，让仪器重新测量，根据存储的相位-幅度关系计算背景“反向信号”，从结果中减去，得到实际的反向信号。这个时候你大概在想，如果S21测试的隔离不好，你还能这么做吗？

刚才我们做了一个减法，把方向性从无到有。看起来很好玩，但是成本很高。仪器必须有足够的相位和幅度分辨率，这样软件才能算出一点方向性。两个正弦信号，如果一点都不差，相减正好等于零。稍有不同，减法后会剩下很多东西。对于矢量网，0.1dB的幅度分辨率和0.1的相位分辨率是最小指标。在这个分辨率下很难保持稳定。校准模型一旦漂移或改变测试条件，就会立即失去效力，因此需要经常校准。

网络分析的常见用途

通过以上描述，读者可能比作者更思考网络分析能做什么。最后我给大家整理一下，作为文章的结尾。

最简单的网络分析仪——扫频仪，用少量的附件(如驻波桥)，已经可以满足通信工程中大多数验证目的和少量调试目的的需要，得到S11和S21标量数据。例如，检查天线、电缆和分离器等射频设备。如果有软件支持，也可以作为信号发生器和场强计使用，虽然不太准确。同时扫频仪可以调试带通滤波器，找到线圈的谐振点和谐振网络。对于带阻滤波器、陷波滤波器等。，如果不需要大的陷阱比，也可以初步调试。调试大陷波比的陷波器(如双工器)时，可以通过串联低通或带通滤波器来增加观测范围。当然扫频仪是简单的标量仪器，不能直接读取阻抗，所以无法直观的找到匹配参数。基于宽带检测的特点，不提倡调试放大器等有源电路。

天线分析仪是一种单端口网络分析仪。虽然很多东西被称为天线分析仪，但它们的性质却大不相同。如果把电桥内置在频率扫描器中，就成为最简单的天线分析仪，可以测试天线的驻波曲线。无论是扫频机还是这种简单的天赋，在外界干扰很强的情况下使用，都有可能使测试结果为假。

在扫频仪和矢量天线分析仪之间，还有一种“半矢量天赋”，具有某种形式的测试相位或阻抗的能力，但不提供校准功能。用它测量纯电阻为100ω的天线，如果连接相当于八分之一波长的电缆，将被测量为40-j30ω。做这个测试的时候一定要手动纠正，不然会比较混乱。合理利用这一天赋，可以调试天线和放大器的输入阻抗，测量天线和线圈的谐振点。如果有软件支持，也可以作为信号源使用。

Vector talent是一款标准的网络分析仪，可以测量复杂的S11参数以及由其衍生的一系列数据。由于具有完善的校准功能，可以测试的回波损耗范围通常优于50dB，测得的阻抗也是可信的。通过对一个频段的测试数据进行傅里叶逆变换，可以得到几个时域参数，如不同距离处电缆的回波损耗。向量天赋在通信以外的领域也有一定程度的应用，比如测试农作物的含水量。

带跟踪源的光谱仪和带跟踪接收器的标量网络与扫频仪用途相似，但都有好得多的动态范围和更好的选择性，可用于强干扰条件下的天线测量和大陷波比的陷波器调试，如调试双工器。

全功能的双端口或多端口矢量网络涵盖了上述所有目的，并具有强大的分析功能。需要说明的是，全功能矢量网络一般都是标配群时延显示和功率扫描功能。后者可以分析器件的非线性特性。

网络分析仪的种类很多，远不止以上几种。它们都有信号源和几个幅度或相位幅度检测通道。结合必要的信号分配装置，内部或外部定向桥和耦合器构成一个完整的仪器。netscore的使用也不是固定的。在了解了它的测量原理后，可以推导出很多巧妙的用途，将其比作射频领域的万能仪也不为过。网络分析和网络分析仪是射频电路设计、调试和改进最基本的手段和工具。掌握了网络分析技术后，射频通信电路的设计和制作会更有意思。

赵强最初的微波笔记专栏: