网络分析仪的使用.docx

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网络分析仪的使用

网络分析仪的使用

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不同的是S参数是采用入射、反射及穿透波能量来描述待测装置的输入及输出端口特性，而不若Z、Y参数必须找到电压或电流的开路或短路的解，使得在高频领域下的应用更为广泛。

图2则是两端口组件S参数的表示方式，其中a表示发射源，b则为接收器，而a、b的下标则代表从第一埠（Port1）或第二埠（Port2）来量测，如a1则表示从第一端口的发射信号源，b2则表示在第二端口的信号接收器。

以一个双端口组件而言，会衍生出四个S参数，若为三埠或多端口以上的组件，就会有N2个相对应参数，基本上，在微波工程中常用以矩阵来表示。

而每一个S参数，都有其对应的边界条件，如，即表示第二端口时没有信号反射时，亦即待测物输出端有负载阻抗的匹配时，所得到待测物在输入端的反射系数。

经过以上的定义，我们将反射、穿透及S参数与相对应的量测参数整理如图3。

仪器结构示意图

基本上，网络分析仪的架构可以分成四大部分：

一个是信号的发射源，另一种为用以分离入射、反射及穿透波的信号分离电路，第三是将射频或微波信号转换至中频信号的接收器，最后是负责将侦测信号作运算处理的处理器及显示屏。

信号源担任激励（Stimulus）的角色

信号源在网络分析仪中是担任一个激励（Stimulus）的角色，主要是提供一个扫频或功率扫描的信号送到待测物上，当信号打到待测物之后，就会反应出穿透或反射的行为，据此，我们就可以得到某个频率或功率范围下的响应，而信号源的频率范围、频率稳定度、信号纯度以至于功率位准即位准控制能力都会影响量测的结果，一般用于网络分析仪中大致有两类，其一是振荡器（Oscillator），另一个是合成器（Synthesizer），前者好处是价格低廉，但频率稳定度及精确度远不及后者，若我们量测的组件其响应变化优于振荡器时，如量测晶体滤波器的残存FM（residualFM）频宽时，就应该采用更稳定的合成器信号源。

信号分离电路将入射、反射及穿透信号分离处理

当信号源产生入射的信号行为后，接下来就是要将入射、反射及穿透信号予以分离处理，进而侦测每一分量的振幅及相位特性。

担任信号分离工作的是一些被动组件，主要有单向耦合器（DirectionalCoupler）、电桥（Bridge）、功率分离器（PowerSplitter）等，图4中即为单向耦合器的示意图，其中主路径只有单一方向的功率行进情况下，才会有能量被耦合到耦合路径上，而被耦合的路径的信号位准通常较低，而下降位准的总量称为耦合因子（CouplingFactor），例如耦合因子为20dB的单向性耦合器，代表入射信号的1%能量会耦合到耦合路径上，而99%的功率则仍在主路径上行进。

另一个单向耦合器的重要参数为方向性（Directivity），其定义为：

Directivity（dB）=Isolation（dB）-CouplingFactor（dB）-Loss（dB）

代表信号在顺向及逆向所检测到的信号差，造成方向性误差的来源有信号的泄漏（Leakage）或称为隔绝性（Isolation）、耦合器内部及接头阻抗不匹配的反射（亦即耦合因子）等。

在仪器内部中，方向性应尽可能的好，一般至少要在30dB以上，如此才不致受到信号泄漏的误差而影响量测。

而功率分离电路的特性是将入射信号分离成两个路径，一般而言，两个分离信号的功率位准比原入射信号低6dB，分离器的主要目的是产生一个具有与信号源完全匹配的量测环境，一般连接的方式是将其中一个输出路径连接到参考接收器（ReferenceDetector），而另一个输出路径则连接到待测物上，若在待测物的输出端后接上一个传输接收器（TransmissionDetector），就可以从两个功率比值中得到穿透系数，综而言之，功率分离器是一个宽频且良好频率响应的组件，并能与信号源及接收器间有良好的匹配。

第三种是电桥，其工作原理类似于惠斯同电桥（WheatstoneBridge），其等效于单向性耦合器的方向性定义为最大的平衡值（MaximumBalance，即接上完美的负载）与最小的平衡值（MinimumBalance，即接上开路或短路）所得的比率（dB），是单向耦合器的替代方案。

在量测上，与单向耦合器不同的地方是它可以工作在直流下，因此仪器可以有较大的频率量测范围，一般单向耦合器有高通（HighPass）的反应现象，因此在低于40MHz以下就必须用电桥来取代。

但电桥也有其缺点，因为它的信号位准从待测物传回值较小，因此会有较大的损耗，相较于单向耦合器则具有低损耗（LowLoss）的优点，电桥则减少了量测的动态范围。

上述的各个组件一般工作在50或75欧姆下的环境，实际上量测反射系数时，我们会搭配一对或一个单向性耦合器及一个功率分离器，如图5下方所示，才能将入射与反射信号分离，而对于穿透系数量测上，基本上使用一个功率分离器或单向性耦合器就可完成入射与穿透信号的分离动作，在穿透量测上使用单向性耦合器的好处是可以将大部分的能量送到待测物上，而可以得到较佳的动态范围，而电桥的接法与单向性耦合器类似，在此不再赘述。

接收器

接收器的角色，就是将分离电路所得的射频/微波讯号转换至中频或直流位准，以便于后方的数字处理器作运算的工作。

基本上的接收器有两类，即为二极管（Diode）及调谐型接收器（TunedReceiver），其中最简单也最便宜的技术就是使用宽频的二极管接收器，二极管有整流的功能，可以将高频讯号能量转换成直流的信号，但使用这种接收器的缺点是因频率响应是宽频的，因此对于信号源或待测物所产生的谐波（Harmonic）或虚拟（Spurious）效应也会加入量测范围内，因此其动态范围会限制在50~60dB左右，但对于这种宽频量测行为的好处是它的侦测方式与频率无关，因此对于频率转换的组件、大的直流增益放大器及动态范围较小的窄波滤波器上有其应用的范围，另外需注意的是得到信号仅有纯量的信息，所以搭配此类型接收器多半是较廉价的纯量式（Scalar）网络分析仪。

另外一种是属于窄频的调谐接收器，其中混波的方式可以有基频混波（FundamentalMixing）及谐波混波（HarmonicMixing）的方式，将侦测到的射频/微波信号利用中频滤波器（IFfilter）转换成较低频的中频信号，如图6右方所示，这种方式的好处是对于虚拟讯号（SpuriousSignal）可以有过滤的效果，另外，使用窄频滤波的方式，可以将噪声位准（NoiseLevel）降低，这原理与频谱分析仪相当类似，如此一来就可以得到较大的动态范围，除此之外，一般搭配调谐接收器的网络分析仪可以量测与输入信号间的相位关系，因此向量网络分析仪内部接收器以此类为主。

信号处理及显示屏

分析仪中有许多组接收器，其中一个对应的处理单元会针对参考信道，纪录输入信号的绝对功率位准及相位归零值，而有另一个或以上的处理单元则担任测试信道纪录的工作，而从参考与测试信道之间就可以得到信号位准比值及相对应相位差，例如两信道之间量测电压比值为20dB，则代表两信道之间信号位准的比例为10：

1，而所有网络分析仪的S参数都是采用相对性表示法得到，在相位部分，一般会以参考信道相位为零度去比较出其它测试信道的相位差而得到有关向量的参数。

因此，当信号经过降频处理及纪录后，仪器内部就会对所侦测到的信号，根据运算的数值作适当的显示，包括不同的图表格式如史密斯图、极坐标、SWR、相位、群速延迟等，另外如光标显示、限制线（LimitLine）设定、不同S参数的显示及存盘、打印等工作，都是由内部的处理单元来完成，近来更因微软的窗口操作系统相当便利之故，并有其强大的COM/DCOM功能可以透过局域网络联机（LAN）作外部计算机控制的动作，而在下一世代的仪器中，会渐渐走向窗口平台操作系统，因此无论在操作上或资料的转换上都相当的便利，不需要再考虑资料打印时打印机是否支持、以及量测资料格式是否兼容于计算机的问题，使用者可以专注于量测及分析的工作以提高生产效率。

校正原理

在所有网络的量测系统中，都会有所谓的误差来源，他们分别来自于如缆线、治具及环境所造成的系统误差（SystematicError），我们假设它不随时间而变（这也代表当缆线或治具改变时，就必须重新作校正），因此可以用校正模型或数学运算的方式将其去除，在网络中，这些误差计有信号泄漏（SignalLeakage）、信号反射（SignalReflection）以及频率响应（FrequencyResponse）等。

另一类误差为随机误差（RandomError），它是会随着时间而改变且不可预期的，如仪器的噪声位准、取样噪声等，我们无法对此类误差作校正的动作，但我们可藉由增加入射讯号功率、降低中频滤波器频宽或使用平均方式来尽量减少此类误差。

第三种是当校正后因使用时间增加所产生的飘移误差（DriftError），它主要来自于环境温度改变的贡献，而飘移误差的大小就决定了何时必须再做一次的校正工作，若我们可以控制环境温度为一稳定值，例如，则系统就可以维持在一定的精确度范围内。

必须注意的是，以上所述的这些误差大小会随着测试系统架设方式而有不同，因此在做每次精确的量测前，我们建议都必须作校正的动作，以下就是探讨误差的来源及相对应的解决方案。

单埠误差来源及解决方案（1-Port）

这里所提到的单埠，就是表示在所谓反射系数的量测上，误差主要来自于三项贡献，即方向性（Directivity）、信号源不匹配（SourceMismatch）、反射频率响应（ReflectionTracking）等。

若对照到仪器及缆线端的架构上，可以由图7来表示，第一个误差项为方向性，前已提到，它主要来自于单向耦合器或电桥的信号泄漏的因素；其次是信号源匹配部分，由于信号源到缆线之间阻抗匹配的问题，会造成信号源与待测物输入端间多次反射现象，而产生量测误差；第三是反射频率响应问题，对于反射系数而言，它代表参考接收器与待测接收器的比值（亦即图7中的R与A接收器），但同样的信号从两端信号的路径中，所得到的值会因为内部缆线长短及两接收器的频率响应而有所不同，总称为频率响应误差。

对于前述三种误差来源，我们可以用已知的三个校正工具，利用数学矩阵仿真运算的方式，将三项误差去除，在同轴式的接头上，我们会采用标准的开路（Open）、短路（Short）及50欧姆的负载（Load）作为参考值，将各个频率下的误差订正（Correction），对于校正完后，应进一步做验证的动作，以确保在量测时的校正平面（CalibrationPlane）是够精准的，例如在50欧姆负载端接上时，S11值应小于-60dB、在开路或短路的情况下，S11值应小于±0.05dB等。

双埠误差来源及解决方案（Full2-Port）

同样是在单端口模型下的情形，但多了穿透特性的量测，因此在误差来源上，比纯粹反射系数多了三项误差，它们分别是穿透频率响应（Transmissiontracking）、输出端不匹配（LoadMismatch）以及串音（Crosstalk）。

如同前所述反射频率响应一般，穿透系数是由图中两接收器R、B所定义，当两接收器反应不一致时，就会造成误差；其次在信号输出端与穿透接收器之间的阻抗也必须匹配，否则信号同样会在输出端与接收器之间来回振荡而使信号多了一个不确定性；最后一个是串音的现象，对于切换器或动态范围较大的组件，必须考虑到当信号不直接通过待测物但透过空气传递的现象，因此，对于这方面我们就必须比纯作反射系数量测上，多做额外的三项校正。

为了解决上述的误差来源，我们会采用直接缆线对接的方式，称之为Through校正，同样也是经由数学运算，此时可以解决输出端不匹配及穿透频率响应的问题。

对于串音部分，一般为一选项校正，除非串音对待测组件影响较大，不然可以将此误差项忽略，实际上若要校正，必须两埠都接上50欧姆或先接上待测物再串接50欧姆负载做校正才正确。

以上为单端