由幾個(gè)電氣元件連接而成的系統(tǒng)稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)?！熬W(wǎng)絡(luò)”可以作為電路的代名詞，“網(wǎng)絡(luò)分析”就是電路分析，但很少這么說(shuō)，這就增加了一點(diǎn)神秘感。在射頻通信領(lǐng)域，任何有一個(gè)以上端口的電路單元都可以稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)，而這個(gè)網(wǎng)絡(luò)往往被視為一個(gè)“黑匣子”。不是關(guān)注電路單元內(nèi)部發(fā)生的情況，而是向端口添加適當(dāng)?shù)募?lì)信號(hào)來(lái)測(cè)試電路的響應(yīng)，從而表征該網(wǎng)絡(luò)的特性。網(wǎng)絡(luò)分析是射頻通信領(lǐng)域常說(shuō)的以端口為邊界描述射頻電路性能的工作。

散射參數(shù)

為了進(jìn)一步了解網(wǎng)絡(luò)分析帶來(lái)的便利，需要了解網(wǎng)絡(luò)分析的語(yǔ)言——散射參數(shù)。圖(1)是一個(gè)π衰減器，圖(2)是其電路圖。如何最簡(jiǎn)單明了的描述它的表現(xiàn)？熟悉傳統(tǒng)電路分析的人不難想到，可以先打開(kāi)右邊的端口，然后用萬(wàn)用表測(cè)試左邊的電阻；再次打開(kāi)左側(cè)，測(cè)試右側(cè)的電阻。向左側(cè)施加適當(dāng)?shù)碾娏?，然后用電壓表測(cè)試右側(cè)的電壓，然后反向再次測(cè)試。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，依次得到四個(gè)參數(shù):開(kāi)路輸入電阻、開(kāi)路輸出電阻、開(kāi)路正向傳輸電阻和開(kāi)路反向傳輸電阻?？吹竭@一堆熟悉的參數(shù)，你肯定會(huì)問(wèn):這個(gè)東西和衰減器有什么關(guān)系，大家喜歡看的衰減是什么？

圖2

這個(gè)例子表明，低頻電路中常用的Z參數(shù)(開(kāi)路阻抗參數(shù))在射頻通信領(lǐng)域既不是慣用的，也不是難以測(cè)量的。綜上所述，促使我們選擇一個(gè)新的參數(shù)來(lái)描述電路的原因有三個(gè):(1)大多數(shù)射頻電路不允許端口開(kāi)路或短路，因?yàn)檫@樣做會(huì)使電路偏離預(yù)定的工作狀態(tài)；(2)當(dāng)波長(zhǎng)很短時(shí)，即使信號(hào)只傳播很短的距離，也會(huì)出現(xiàn)不可忽略的相移，使得測(cè)試計(jì)算非常困難；(3)需要一套完整的方法，可以根據(jù)得到的參數(shù)快速簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)電路。由于這些原因，散射參數(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

散射參數(shù)通常簡(jiǎn)稱(chēng)為s參數(shù)。類(lèi)似于阻抗參數(shù)，對(duì)于具有兩個(gè)端口的網(wǎng)絡(luò)(如衰減器)，它還包括四個(gè)部分，用Sij表示，其中I表示待檢測(cè)端口，j表示激勵(lì)信號(hào)的入射端口:

S11:被測(cè)設(shè)備(DUT)端口對(duì)信號(hào)的反射量，也稱(chēng)為回波損耗；

S21:信號(hào)通過(guò)被測(cè)器件時(shí)的變化(幅度和相位變化，也稱(chēng)為插入損耗或增益)；

S12:信號(hào)以相反方向通過(guò)被測(cè)器件時(shí)產(chǎn)生的變化；

S22:被測(cè)設(shè)備另一端口信號(hào)的反射量。

當(dāng)測(cè)試中不使用端口時(shí)，應(yīng)連接匹配的負(fù)載，使電路非常接近正常工作狀態(tài)。在測(cè)量散射參數(shù)時(shí)，我們只需要知道信號(hào)流經(jīng)被測(cè)器件時(shí)的變化，同時(shí)也不會(huì)影響電路的正常工作，因此更簡(jiǎn)單直接。后面介紹的網(wǎng)絡(luò)分析儀是測(cè)量散射參數(shù)的專(zhuān)用設(shè)備。

通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算，散射參數(shù)可以轉(zhuǎn)換成其他類(lèi)型的參數(shù)。

s參數(shù)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的相對(duì)值

四個(gè)S參數(shù)都代表輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的電壓比(或功率比，計(jì)算時(shí)要統(tǒng)一)。以衰減器為例。在圖(2)中，入射信號(hào)的功率為1W，當(dāng)它通過(guò)待測(cè)器件并輸出0.1W時(shí)，S21=0.1/1=0.1。換算成分貝的數(shù)值是-10dB。所以這個(gè)衰減器的衰減是10dB。這個(gè)相對(duì)值是頻率的函數(shù)。隨著頻率的變化，衰減器的衰減可能會(huì)波動(dòng)。以頻率為橫坐標(biāo)，衰減為縱坐標(biāo)，可以得到幅頻特性圖。

有時(shí)，需要注意信號(hào)通過(guò)電路后的相位變化。比如天線輸入1w≈0的信號(hào)。在天線端口測(cè)得的反射信號(hào)功率是入射信號(hào)的0.5倍(稱(chēng)為反射系數(shù))，但反射信號(hào)與入射信號(hào)的電壓相位差為90度，所以天線的S11表示為0.707≈90度，表示回波損耗為-3dB，相位滯后為90度。

網(wǎng)絡(luò)分析的好處

知道散射參數(shù)后就很容易理解網(wǎng)絡(luò)分析的好處了。經(jīng)過(guò)上面例子中衰減器的網(wǎng)絡(luò)分析，可以直接得到衰減的參數(shù)，這樣我們就可以直觀的知道衰減器接在射頻電路上會(huì)有什么樣的效果。下面的天線例子進(jìn)一步說(shuō)明了這種分析方法的方便性。

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析，可以直接測(cè)量天線的S11參數(shù)，包括幅度(或功率)關(guān)系和相位關(guān)系，如0.5≈90。圖(3)是極坐標(biāo)中的S11關(guān)系圖，其中徑向坐標(biāo)表示振幅關(guān)系，圍繞軸的旋轉(zhuǎn)角度表示相位關(guān)系。圖(4)是用直角坐標(biāo)表示的阻抗圖，橫坐標(biāo)表示電阻，縱坐標(biāo)表示電抗。將圖(4)的坐標(biāo)由直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)，使比例尺符合單位阻抗(Zn=Z/Z0，Z0 = 50ω)與反射系數(shù)(γ) Zn = (1+γ)/(1-γ)的關(guān)系，即可得到圖(5)所示的阻抗圓圖。圖(3)和圖(5)重疊以獲得史密斯圖(史密斯聊天，圖6)。在此圖上，可以根據(jù)S11參數(shù)直接讀取天線的輸入阻抗。我們的目標(biāo)是匹配傳輸最大功率。此時(shí)有兩種方法:(1)傳輸線的末端提供與天線輸入阻抗共軛的輸出阻抗；(2)通過(guò)調(diào)試和連接匹配元件，天線的輸入阻抗變?yōu)榧?0歐姆。對(duì)于后一種方法，匹配元素的大小可以很容易地在史密斯圖上求解。

圖7

在掃頻器上增加反射橋或定向耦合器可以用來(lái)測(cè)量S11參數(shù)。S11參數(shù)和VSWR可以直接轉(zhuǎn)換，所以可以顯示VSWR曲線。

掃頻儀只能獲得幅頻特性圖，所以是標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

多輸入通道掃頻器

圖7中的掃頻儀器只有一個(gè)檢測(cè)通道。雖然該儀器給出的s參數(shù)是一個(gè)相對(duì)值，但它測(cè)量的是一個(gè)絕對(duì)值。從絕對(duì)值到S21參數(shù)，取決于測(cè)試結(jié)果與存儲(chǔ)結(jié)果的比較。這種方法不能避免一個(gè)問(wèn)題:信號(hào)源的輸出功率可能隨著被測(cè)設(shè)備的不同而變化。為了消除這種誤差，通常使用雙通道頻率掃描儀(圖8)，其中一個(gè)用作“參考通道”。部分信號(hào)由分路器直接從信號(hào)源中取出，送到參考通道，另一通道的值與參考通道進(jìn)行比較，得到S參數(shù)。常見(jiàn)的標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀幾乎都是這種多通道掃頻器。

圖8

多通道標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀也可以通過(guò)一些巧妙的方法實(shí)現(xiàn)矢量分析，如卡雷爾·霍夫曼技術(shù)。隨著矢量分析儀的發(fā)展，這種應(yīng)用日益減少。

帶有跟蹤源的分光計(jì)

掃頻檢波器具有寬帶特性。無(wú)論是測(cè)試信號(hào)，信號(hào)源的諧波，還是外部耦合干擾，都是同時(shí)檢測(cè)的。如果被測(cè)器件是陷波濾波器，則不能有效壓縮諧波，因此測(cè)得的陷波量不能小于諧波量。如果被測(cè)設(shè)備是已安裝的天線，天線接收到的in 空信號(hào)也會(huì)進(jìn)入檢波器，導(dǎo)致測(cè)得的駐波值人為變大。此外，檢波器的動(dòng)態(tài)范圍通常高達(dá)70dB左右，導(dǎo)致儀器的動(dòng)態(tài)范圍較小。

帶有跟蹤源的分光計(jì)用分光計(jì)的接收器代替頻率掃描的檢測(cè)器。頻譜接收機(jī)只響應(yīng)中頻帶寬內(nèi)的信號(hào)，跟蹤源的諧波和外部耦合的干擾對(duì)測(cè)試結(jié)果沒(méi)有明顯影響，可以對(duì)陷波器進(jìn)行測(cè)試。該光譜儀檢測(cè)噪聲低，中頻放大器好。由跟蹤源和光譜儀組成的網(wǎng)絡(luò)分析儀通?？梢赃_(dá)到100分貝以上的動(dòng)態(tài)范圍。

如果沒(méi)有跟蹤源，可以利用光譜儀的最大值保持功能，與手動(dòng)掃描的信號(hào)源組成一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)。

一些高級(jí)標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀也采用類(lèi)似的方案。由于網(wǎng)絡(luò)分析儀的信號(hào)源的頻率和諧波是可以預(yù)測(cè)的，所以這種儀器的“頻譜接收機(jī)”不需要太好的帶外抑制指標(biāo)，可以采用比通常的頻譜分析儀簡(jiǎn)單得多的接收機(jī)。

相位檢測(cè)

除了一些特殊場(chǎng)合，上述網(wǎng)絡(luò)分析儀只能獲得幅頻特性圖和由其導(dǎo)出的駐波圖，因此是標(biāo)量?jī)x器。為了獲得被測(cè)設(shè)備的阻抗參數(shù)，需要比較輸入和輸出信號(hào)的相位，因此需要使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)。所有網(wǎng)絡(luò)分析儀都由信號(hào)源和專(zhuān)門(mén)用于檢測(cè)信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)的某種檢測(cè)器組成。矢量網(wǎng)絡(luò)和標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的主要硬件區(qū)別在于檢測(cè)器。為了在足夠的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)進(jìn)行矢量檢測(cè)，通常需要先將信號(hào)混合，用中頻濾波器精確地選通信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)，然后在中頻進(jìn)行相位比較。該儀器的原理如圖(9)所示。

圖9矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀示意框圖

歷史上，相位檢測(cè)主要基于觸發(fā)原理。首先，對(duì)相位需要比較的兩個(gè)中頻信號(hào)進(jìn)行整形，然后發(fā)送到兩個(gè)觸發(fā)器。當(dāng)信號(hào)上升沿過(guò)零觸發(fā)觸發(fā)時(shí)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖。當(dāng)觸發(fā)另一個(gè)觸發(fā)器時(shí)，停止脈沖計(jì)數(shù)。這樣，獲得了兩個(gè)中頻上升沿之間的時(shí)間差。由于中頻是已知的，相位差可以通過(guò)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換得到。假設(shè)中頻頻率為100KHz，為了獲得0.1度的相位分辨率，在沒(méi)有額外措施的情況下，時(shí)鐘頻率應(yīng)高于360MHz。

目前常用的相位檢測(cè)方法都是基于同步檢測(cè)原理，逐漸依靠數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。和其他方法一樣，試件的輸出信號(hào)和一部分輸入信號(hào)(稱(chēng)為參考輸入，在儀器上用R口表示)首先同步下變頻到相對(duì)較低的中頻。如果沒(méi)有參考通道，信號(hào)源需要用同頻本振鎖定。經(jīng)過(guò)中頻濾波和幅度調(diào)理后，用ADC進(jìn)行同步采樣，得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入大規(guī)模FPGA，進(jìn)行數(shù)字變頻，產(chǎn)生兩組I/Q信號(hào)。數(shù)字濾波后，一組信號(hào)與另一組信號(hào)共軛相乘，然后通過(guò)適當(dāng)?shù)氖噶啃D(zhuǎn)算法計(jì)算相位差。其他的數(shù)學(xué)運(yùn)算也可以用來(lái)計(jì)算相位差，基本都是軟件做的，靈活性很高。通過(guò)精心設(shè)計(jì)數(shù)字處理過(guò)程，可以高效率地實(shí)現(xiàn)0.1度以?xún)?nèi)的鑒相精度。

僅僅得到相位差和振幅差是不夠的——這些測(cè)量值并不是被測(cè)零件上的真實(shí)情況。無(wú)論是混頻、濾波、信號(hào)調(diào)理、電纜、插座、電橋，都會(huì)對(duì)幅度和相位產(chǎn)生影響，必須從實(shí)測(cè)原始數(shù)據(jù)中剔除，才能得到正確的結(jié)果。為了消除S11測(cè)量誤差，通常采用開(kāi)路-短路-負(fù)載三步校準(zhǔn)法。這種校準(zhǔn)需要先打開(kāi)儀器端口，在打開(kāi)狀態(tài)下存儲(chǔ)一組數(shù)據(jù)，然后在短路和匹配負(fù)載下存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)，作為誤差模型的已知量，用于確定任何其他測(cè)試的誤差，并將結(jié)果返回到原始值。

使用合適的校準(zhǔn)模型不僅可以消除儀器內(nèi)外各種連接線的電氣長(zhǎng)度誤差，以及濾波器和放大器的相移，還可以大大降低對(duì)硬件某些指標(biāo)的要求，而這些指標(biāo)恰好是難以提高的，電橋的方向性就是一個(gè)例子。

下面是一個(gè)理想化的例子。實(shí)際情況要復(fù)雜得多。已知駐波橋的指向性為0dB，即沒(méi)有指向性。如何測(cè)量回波損耗小于30dB，即駐波小于1.1的天線？了解人才表的讀者可能會(huì)覺(jué)得有點(diǎn)異想天開(kāi)，但是校準(zhǔn)確實(shí)可以解決這個(gè)問(wèn)題——前提是在正向信號(hào)的提取點(diǎn)和電橋之間有緩沖。想象一下，如果儀器接一個(gè)匹配負(fù)載，被測(cè)正向信號(hào)和“反向信號(hào)”的幅度和相位關(guān)系就會(huì)被存儲(chǔ)起來(lái)。然后連接天線，讓儀器重新測(cè)量，根據(jù)存儲(chǔ)的相位-幅度關(guān)系計(jì)算背景“反向信號(hào)”，從結(jié)果中減去，得到實(shí)際的反向信號(hào)。這個(gè)時(shí)候你大概在想，如果S21測(cè)試的隔離不好，你還能這么做嗎？

剛才我們做了一個(gè)減法，把方向性從無(wú)到有?？雌饋?lái)很好玩，但是成本很高。儀器必須有足夠的相位和幅度分辨率，這樣軟件才能算出一點(diǎn)方向性。兩個(gè)正弦信號(hào)，如果一點(diǎn)都不差，相減正好等于零。稍有不同，減法后會(huì)剩下很多東西。對(duì)于矢量網(wǎng)，0.1dB的幅度分辨率和0.1的相位分辨率是最小指標(biāo)。在這個(gè)分辨率下很難保持穩(wěn)定。校準(zhǔn)模型一旦漂移或改變測(cè)試條件，就會(huì)立即失去效力，因此需要經(jīng)常校準(zhǔn)。

網(wǎng)絡(luò)分析的常見(jiàn)用途

通過(guò)以上描述，讀者可能比作者更思考網(wǎng)絡(luò)分析能做什么。最后我給大家整理一下，作為文章的結(jié)尾。

最簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)分析儀——掃頻儀，用少量的附件(如駐波橋)，已經(jīng)可以滿(mǎn)足通信工程中大多數(shù)驗(yàn)證目的和少量調(diào)試目的的需要，得到S11和S21標(biāo)量數(shù)據(jù)。例如，檢查天線、電纜和分離器等射頻設(shè)備。如果有軟件支持，也可以作為信號(hào)發(fā)生器和場(chǎng)強(qiáng)計(jì)使用，雖然不太準(zhǔn)確。同時(shí)掃頻儀可以調(diào)試帶通濾波器，找到線圈的諧振點(diǎn)和諧振網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于帶阻濾波器、陷波濾波器等。，如果不需要大的陷阱比，也可以初步調(diào)試。調(diào)試大陷波比的陷波器(如雙工器)時(shí)，可以通過(guò)串聯(lián)低通或帶通濾波器來(lái)增加觀測(cè)范圍。當(dāng)然掃頻儀是簡(jiǎn)單的標(biāo)量?jī)x器，不能直接讀取阻抗，所以無(wú)法直觀的找到匹配參數(shù)?；趯拵z測(cè)的特點(diǎn)，不提倡調(diào)試放大器等有源電路。

天線分析儀是一種單端口網(wǎng)絡(luò)分析儀。雖然很多東西被稱(chēng)為天線分析儀，但它們的性質(zhì)卻大不相同。如果把電橋內(nèi)置在頻率掃描器中，就成為最簡(jiǎn)單的天線分析儀，可以測(cè)試天線的駐波曲線。無(wú)論是掃頻機(jī)還是這種簡(jiǎn)單的天賦，在外界干擾很強(qiáng)的情況下使用，都有可能使測(cè)試結(jié)果為假。

在掃頻儀和矢量天線分析儀之間，還有一種“半矢量天賦”，具有某種形式的測(cè)試相位或阻抗的能力，但不提供校準(zhǔn)功能。用它測(cè)量純電阻為100ω的天線，如果連接相當(dāng)于八分之一波長(zhǎng)的電纜，將被測(cè)量為40-j30ω。做這個(gè)測(cè)試的時(shí)候一定要手動(dòng)糾正，不然會(huì)比較混亂。合理利用這一天賦，可以調(diào)試天線和放大器的輸入阻抗，測(cè)量天線和線圈的諧振點(diǎn)。如果有軟件支持，也可以作為信號(hào)源使用。

Vector talent是一款標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)分析儀，可以測(cè)量復(fù)雜的S11參數(shù)以及由其衍生的一系列數(shù)據(jù)。由于具有完善的校準(zhǔn)功能，可以測(cè)試的回波損耗范圍通常優(yōu)于50dB，測(cè)得的阻抗也是可信的。通過(guò)對(duì)一個(gè)頻段的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉逆變換，可以得到幾個(gè)時(shí)域參數(shù)，如不同距離處電纜的回波損耗。向量天賦在通信以外的領(lǐng)域也有一定程度的應(yīng)用，比如測(cè)試農(nóng)作物的含水量。

帶跟蹤源的光譜儀和帶跟蹤接收器的標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)與掃頻儀用途相似，但都有好得多的動(dòng)態(tài)范圍和更好的選擇性，可用于強(qiáng)干擾條件下的天線測(cè)量和大陷波比的陷波器調(diào)試，如調(diào)試雙工器。

全功能的雙端口或多端口矢量網(wǎng)絡(luò)涵蓋了上述所有目的，并具有強(qiáng)大的分析功能。需要說(shuō)明的是，全功能矢量網(wǎng)絡(luò)一般都是標(biāo)配群時(shí)延顯示和功率掃描功能。后者可以分析器件的非線性特性。

網(wǎng)絡(luò)分析儀的種類(lèi)很多，遠(yuǎn)不止以上幾種。它們都有信號(hào)源和幾個(gè)幅度或相位幅度檢測(cè)通道。結(jié)合必要的信號(hào)分配裝置，內(nèi)部或外部定向橋和耦合器構(gòu)成一個(gè)完整的儀器。netscore的使用也不是固定的。在了解了它的測(cè)量原理后，可以推導(dǎo)出很多巧妙的用途，將其比作射頻領(lǐng)域的萬(wàn)能儀也不為過(guò)。網(wǎng)絡(luò)分析和網(wǎng)絡(luò)分析儀是射頻電路設(shè)計(jì)、調(diào)試和改進(jìn)最基本的手段和工具。掌握了網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)后，射頻通信電路的設(shè)計(jì)和制作會(huì)更有意思。

趙強(qiáng)最初的微波筆記專(zhuān)欄: