网络分析仪及其使用（一）

一、概述

     对工作在高频的电子电路特性的正确表征提出了某些独特的要求。在高频上，工作波长变得可与电路元器件的实际尺寸相比拟，这便导致电路性能呈分布属性。与其描述特定电路节点处的电压和电流，不如描述传输媒质中的电波如何对其路径上的元件作出相应更为适当。网络分析仪是为精确和高效率地表征射频（RF）元件随频率变化的特性而发展起来的一类仪器。

    网络分析仪是通过在所考察频率范围内的激励---响应测试来建立线性网络的传递和（或）阻抗特性的数据模型的过程。在高于1MHz的频率上，集总元件实际上变成由基本元件加上寄生现象，如杂散电容、引线电感和未知吸收损耗组成的“电路”。由于寄生现象取决于各个别器件及其结构，故它们几乎不可能被预示。高于1GHz时，元件的几何尺寸可以与信号波长相比拟，从而增强了由于器件结构而引起的电路性能变化。网络分析一般局限于确定线性网络。因为线性条件的约束，受正弦波激励的网络产生正弦波输出，故正弦波测试是表征幅度和相位随频率变化的理想方法。

二、元件特性

    射频（频率低于3GHz）能量或微波（频率在3～30GHz范围）能量可以比作光波。入射到被测件（DUT）上的能量或是被器件反射，或是通过器件传输（如下图）。

入射到被测件上的波的反射特性和传输特性

通过测量两个新产生的波之间的幅度比和相位差，就可能确定器件的反射（阻抗）特性和传输（增益）特性

1、反射和传输

    有许多用来描述这些特性的术语。某些特性只利用幅度信息（标量）。而另一些特性则包含幅度和相位两种信息（矢量）。若器件上的入射波表示为V_INCID，则V_INCID与I_INCID之比称为传输系统的特性阻抗Z₀，端接传输系统的器件具有所谓负载阻抗Z_L的输入阻抗，于是，几个重要的器件特性可以定义为：

反射术语：

=V_REFLEC/V_INCID=(Z_L-Z₀)/(Z_L+Z₀)

      式中为器件反射系数；V_INCID为测试器件上的入射波；V_REFLEC为测试器件上的反射波；Z₀为传输媒质的特性阻抗；Z_L为测试器件的阻抗。

ρ=∣∣

式中，ρ为反射系数的幅度；为复反射系数。

式中SWR为传输媒质上电流或电压的驻波比；ρ=反射系数的幅度。

 式中Z_L为负载的复阻抗；为复反射系数；Z₀为传输媒质的特性阻抗。

回波损耗（dB）=-20logρ

式中，ρ为反射系数的幅度。

   传输术语：

传输系数=V_TRANS/V_INCID

式中，V_INCID为被测件上的入射波；V_TRANS为通过被测件的传输波。

插入损耗（dB）=20log（V_TRANS/V_INCID）

增益（dB）=20log∣V_TRANS/V_INCID∣

           式中，V_INCID为被测件上的入射波的幅度；V_TRANS为通过被测件的传输波的幅度。

插入相位=∠V_TRANS-∠V_INCID

           式中，∠V_INCID为被测件上的入射波矢量的相对相角；∠V_TRANS为通过被测件的传输波矢量的相对相角。

2、散射（S）系数

   许多元件测量都具有二端口网络，如放大器、滤波器和电缆。这些元件的特性通常用来确定作为更复杂系统的一部分的特定器件将起何作用。为了提供射频环境下对全二端口网络建立模型和分析的方法，定义了散射（S）系数（如下图）。

被测件的散射参数测量

    这是一种与低频Z或Y模型相似的表征方法，只是它利用入射波、传输波和反射波来表征器件的输入端口和输出端口，而不是利用在高频上不能测量的电压和电流。S参数在一定条件下与其它表征相关。例如S₁₁是在器件输出端具有  理想Z₀匹配的条件下等效于器件的输入反射系数_IN。器件的S参数表征在测量、模型化和设计具有多个元件的复杂系统等方面起着关键作用。S参数的定义还使它们能够用网络分析仪进行测量。

三、网络分析系统的组成部分

    网络分析仪测量系统可以分成四大部分，即提供入射信号的信号源、用来分离入射信号、反射信号和传输信号的信号分离器件、将微波信号变为较低的中频（IF）信号的接收机以及用于处理中频信号和显示检测出的信息的信号处理器和显示器部分（如下图）。

网络分析仪测量系统的主要组成部分

     1、信号源

信号源（射频或微波）产生用于激励测试器件的入射信号。测试器件的响应是反射一部分入射能量和传输余下部分能量。通过对信号源的频率扫描，可以确定器件的频率响应。频率范围、频率稳定度、信号纯度、输出功率电平和电