射頻萬用表-網(wǎng)絡分析與網(wǎng)絡分析儀

射頻萬用表——網(wǎng)絡分析與網(wǎng)絡分析儀若干電氣元件相互連接形成的系統(tǒng)叫做網(wǎng)絡?！熬W(wǎng)絡”可以作為電路的代名詞，“網(wǎng)絡分析”就是電路分析，只是平常很少這樣說，由此增添了幾分神秘色彩。到了射頻通信領域，可以把任何具有一個以上端口的電路單元稱為網(wǎng)絡，并且常常把這種網(wǎng)絡視為“黑箱”，并不去關心電路單元內(nèi)部是怎么回事，而是給端口加上適當?shù)募钚盘?，測試電路的反應，從而表征這個網(wǎng)絡的特點。射頻通信領域常說的“網(wǎng)絡分析”，就是這種以端口為界，描繪射頻電路性能的工作。散射參數(shù)為了進一步了解網(wǎng)絡分析給我們帶來的便利，有必要先了解網(wǎng)絡分析的語言——散射參數(shù)。圖（1）是一個Π型衰減器，圖（2）是它的電路圖，如何最簡單明確的描述它的性能呢？熟悉傳統(tǒng)電路分析的人不難想到，可以先把右邊的端口開路，然后用萬用表測試左邊的電阻；再把左邊開路，測試右邊的電阻。給左邊通上適當?shù)碾娏鳎缓笥秒妷罕頊y試右邊的電壓，然后反過來再測試一次。根據(jù)這些數(shù)據(jù)依次得到四個參數(shù)：開路輸入電阻、開路輸出電阻，開路正向傳輸電阻、開路反向傳輸電阻。當看到這一堆似曾相識參數(shù)之后，您一定會問：這東西與衰減器有啥關系，大家喜聞樂見的衰減量是多少？圖1圖2這個例子說明，在低頻電路上常用的Z參數(shù)（開路阻抗參數(shù)），用在射頻通信領域既不符合習慣，也難以測量。歸納起來，有三個重要原因促使我們選擇一種新的參數(shù)來描述電路：（1）大多數(shù)射頻電路不允許端口開路或短路，因為這樣做會讓電路偏離預定的工作狀態(tài)；（2）波長很短的時候，即使信號只傳播很短距離，也會發(fā)生不可忽視的相位移動，使測試計算變得非常困難；（3）需要有一整套方法，能夠根據(jù)所得到的參數(shù)迅速簡便的設計電路?；谏鲜鲈?，散射參數(shù)應運而生。散射參數(shù)（ScatteringParameters）常被簡稱為S參數(shù)。和阻抗參數(shù)類似，對于有兩個端口的網(wǎng)絡（例如衰減器）而言，它也包括四個部分，用Sij表示，其中，i表示待檢測端口，j表示激勵信號的入射端口：S11：被測器件（deviceundertesting，簡稱DUT）的一個端口對信號的反射量，又稱回波損耗；S21：信號通過被測器件時產(chǎn)生的變化（幅度和相位變化，又稱插損或增益）；S12：信號以相反方向通過被測器件時產(chǎn)生的變化；S22：被測器件的另一個端口對信號的反射量。當一個端口在測試時沒有被用到時，應接上匹配負載，于是電路能夠非常接近正常的工作狀態(tài)。測量散射參數(shù)，只需要了解信號流經(jīng)被測器件時產(chǎn)生的變化，同時又不會對電路的正常工作造成影響，因此更加簡單、直接。后面將要介紹的網(wǎng)絡分析儀，就是專門測量散射參數(shù)的裝置。通過數(shù)學計算，散射參數(shù)能夠被轉換為其它類型的參數(shù)。S參數(shù)是歸一化的相對值四個S參數(shù)都代表出射信號與入射信號的電壓比（或功率比，在計算時應統(tǒng)一）。還是用衰減器來舉例，圖（2）中，入射信號的功率是1W，經(jīng)過待測器件，輸出0.1W，則S21=0.1/1=0.1。換算成分貝值則為-10dB。于是這支衰減器的衰減量是10dB。這一相對值又是頻率的函數(shù)。隨著頻率的變化，衰減器的衰減量可能發(fā)生波動。把頻率作為橫坐標，衰減量作為縱坐標，可以得到幅度——頻率特性圖，簡稱幅頻特性圖。有的時候還需要關心信號通過電路以后相位發(fā)生的變化。例如一支天線，給他輸入1W∠0°的信號，在天線的端口上測到反射信號功率為入射信號的0.5倍（稱為反射系數(shù)），但是反射信號與入射信號之間，電壓的相位相差了90度，則天線的S11表示為0.707∠90°，表明有-3dB的回波損耗，且相位滯后90度。網(wǎng)絡分析的效益了解了散射參數(shù)以后再來探討網(wǎng)絡分析的效益就很容易理解。上面舉例的衰減器，當對他進行網(wǎng)絡分析以后，直接得到了衰減量這個參數(shù)，就能直觀的了解衰減器接入射頻電路以后會產(chǎn)生什么效果。下面天線的例子，進一步說明了這種分析方法的方便之處。通過網(wǎng)絡分析，能夠直接測到天線的S11參數(shù)，包含一個幅度（或功率）關系和一個相位關系，例如0.5∠90°。圖（3）是一個極坐標的S11關系圖，它的徑向坐標代表幅度關系，繞軸旋轉的角度代表相位關系。圖（4）是一個直角坐標表示的阻抗圖，橫坐標代表電阻，縱坐標代表電抗。對圖（4）做從直角坐標到極坐標的坐標變換，并讓刻度符合單位阻抗（Zn=Z/Z0,Z0=50Ω）與反射系數(shù)（Γ）之間的關系式Zn=（1+Γ）/(1-Γ)，可以得到圖（5）所示的阻抗圓圖。圖（3）和圖（5）重疊起來，得到史密斯圓圖（SmithChat，圖6）。在這張圖上，可以根據(jù)S11參數(shù)，直接讀取天線的輸入阻抗。我們的目的是匹配以傳輸最大的功率，這時有兩種方法：（1）傳輸線末端提供一個與天線輸入阻抗共軛的輸出阻抗；（2）通過調(diào)試和接入匹配元件，讓天線的輸入阻抗變?yōu)榧兇獾?0歐。對于后一種方法，匹配元件的大小，可以在史密斯圖上方便的求解。圖3圖4圖5圖6不論是反射系數(shù)-相位圖還是史密斯圖，都沒有頻率坐標。一個頻率的S參數(shù)，只對應圖上的一個點。網(wǎng)絡分析儀顯示結果的過程，就是掃描若干頻率，然后把測得的S參數(shù)都畫在圖上，用平滑的曲線連接起來。事實上人們發(fā)明了一整套使用S參數(shù)的辦法，能夠極大的簡化射頻電路設計。這方面已經(jīng)有很多資料，感興趣的讀者可以自行了解。網(wǎng)絡分析儀有了上文的基礎，現(xiàn)在我們應該關心一下如何求得S參數(shù)。在很久以前，求S參數(shù)雖然已經(jīng)是網(wǎng)絡分析中最便捷的手段，但仍是一件非常麻煩的事情。原理上無外乎用信號源給待測器件送入一個穩(wěn)定的信號，然后用電平表測輸出功率，或者用測量線在不同的距離上測試電壓，從而計算得到幅度和相位。問題就在于這種測試每次只能針對一個頻率，如果要了解不同頻率上的變化趨勢，就需要進行多次測量，有的時候一測就是幾天。隨著自動化技術的發(fā)展，計算機控制的網(wǎng)絡分析儀問世，這種儀器可以連續(xù)不斷的對多個頻率的S參數(shù)進行測量，而且只需要若干秒時間。特別是最近十年，3GHz以下的網(wǎng)絡分析儀大幅度降價，在國內(nèi)還出現(xiàn)了所謂“公版”儀器，各地廠商風起云涌，讓這種以前只有大型科研單位才能安置的昂貴設備，一下子普及到幾乎所有射頻工程師手中，不久的將來，還會普及到愛好者手中。最簡單的網(wǎng)絡分析儀——掃頻儀掃頻儀是一種S21參數(shù)的測試裝置，它的框圖如圖（7）。它由一個頻率可變的信號源和一個檢波器組成。待測器件接在信號源和檢波器之間。測試時，先把檢波器直接接在信號源上，讓信號源掃過所有需要測試的頻率，并把檢波器檢測到的幅度存儲下來。接上待測器件之后，檢波器檢測到一個新的幅度（功率）值。把新的幅度值與剛才存儲的幅度值進行比較，即可得到S21參數(shù)。用計算機控制信號源連續(xù)的掃描，可以繪制出幅頻特性圖。圖7為掃頻儀增加反射電橋或定向耦合器，便可用于測量S11參數(shù)。S11參數(shù)和電壓駐波比（VSWR）之間可以直接換算，因此又可以顯示駐波比曲線。掃頻儀只能得到幅頻特性圖，因此是一種標量網(wǎng)絡分析儀。多輸入通道的掃頻儀圖7的掃頻儀只有一個檢測通道，這種儀器給出的S參數(shù)雖然是相對值，但是測量的卻是絕對值。從絕對值到S21參數(shù)，靠的是把測試結果與存儲的結果進行比較。這種方式無法回避一個問題：隨著待測器件的不同，信號源的輸出功率可能會發(fā)生變化。為了消除這種誤差，通常使用兩通道的掃頻儀（圖8），其中一個通道作為“參考通道”。用分路器從信號源上直接取出一部分信號送進參考通道，另一個通道數(shù)值和參考通道進行比較，得到S參數(shù)。平常看到的標量網(wǎng)絡分析儀幾乎都是這種多通道的掃頻儀。圖8多通道的標量網(wǎng)絡分析儀還可以借助一些巧妙的辦法實現(xiàn)矢量分析，例如卡雷爾·霍夫曼的技術。隨著矢量分析儀的進步，這種應用已經(jīng)日趨減少。帶跟蹤源的頻譜儀掃頻儀的檢波器具有寬帶特性。不論是測試信號，還是信號源的諧波以及外部耦合的各種干擾，都同時被檢波。被測器件如果是陷波器，對諧波就不能產(chǎn)生有效的壓縮，于是測到的陷波量不能小于諧波的量。如果被測器件是已經(jīng)安裝好的天線，那么天線接收到的空中信號也會進入檢波器，這會導致測到的駐波值虛大。此外，檢波器的動態(tài)范圍通常最多達到70dB左右，導致儀器的動態(tài)范圍較小。帶跟蹤源的頻譜儀把掃頻儀的檢波器換成了頻譜儀的接收機。頻譜接收機只響應中頻帶寬內(nèi)的信號，跟蹤源的諧波和外部耦合的干擾不對測試結果產(chǎn)生明顯影響，因此可以測試陷波型器件。頻譜儀具有較低的檢波噪聲和良好的中頻放大器，這種由跟蹤源和頻譜儀組成的網(wǎng)絡分析儀通常能達到100dB以上的動態(tài)范圍。如果沒有跟蹤源，可以使用頻譜儀的最大值保持功能，與手動掃描的信號源組成簡易網(wǎng)絡分析系統(tǒng)。一些高檔的標量網(wǎng)絡分析儀也采用類似方案。由于網(wǎng)絡分析儀的信號源頻率及其諧波是可以預知的，因此這種儀器的“頻譜接收機”并不需要太好的帶外抑制指標，可以采用比通常的頻譜儀簡單得多的接收機。相位檢測除了一些特殊場合，前面談到的網(wǎng)絡分析儀只能得到幅頻特性圖及由它衍生而來的駐波曲線圖，因此是標量儀器。要想得到被測器件的阻抗參數(shù)，必須對輸入、輸出信號的相位進行比較，因而需要用到矢量網(wǎng)絡分析儀（VectorNetworkAnalyzer，VNA），簡稱矢網(wǎng)。所有的網(wǎng)絡分析儀都由信號源和某種形式的、專門用于檢測信號源發(fā)出的信號的檢測器組成，矢網(wǎng)與標網(wǎng)的主要硬件區(qū)別在于檢測器。為了在足夠的動態(tài)范圍上進行矢量檢測，一般來說需要先對信號進行混頻，用中頻濾波器精確的選通信號源產(chǎn)生的信號，然后在中頻上進行相位比較。這種儀器的原理如圖（9）所示。圖9矢量網(wǎng)絡分析儀示意框圖歷史上，相位檢測多是基于觸發(fā)器原理。首先對需要比較相位的兩路中頻信號進行整形，然后送入兩個觸發(fā)器中。當一個觸發(fā)器被信號的上升沿過零觸發(fā)的時候，計數(shù)器開始數(shù)時鐘脈沖。當另一個觸發(fā)器被觸發(fā)時，停止脈沖計數(shù)。這樣得到的是兩路中頻的上升沿的時間差。由于中頻頻率是已知的，經(jīng)過簡單換算就能得到相位差。假設中頻頻率是100KHz，為了得到0.1度的相位分辨率，在不采用額外手段的情況下，需要時鐘頻率高于360MHz。當前常用的相位檢測方法基于同步檢波的原理，并且逐漸依靠數(shù)字信號處理技術來實現(xiàn)。同其他方法一樣，待測件的輸出信號和輸入信號的一部分（稱之為參考輸入，在儀器上用R端口表示）首先被同步下變頻到比較低的中頻頻率。如果不設參考通道，則信號源需要同變頻本振鎖相。經(jīng)過中頻濾波和幅度調(diào)理以后，用ADC進行同步采樣，得到的數(shù)字信號進入大規(guī)模FPGA，進行數(shù)字變頻產(chǎn)生兩組I/Q信號，經(jīng)數(shù)字濾波后，將其中一組信號取共軛以后與另一組信號相乘，再采用適當?shù)氖噶啃D算法求取相位差。也可以采用其他數(shù)學運算求得相位差，這些處理基本上由軟件完成，具有很高的靈活性。對數(shù)字處理過程進行精心設計，能夠以比較高的效率達到0.1度以內(nèi)的鑒相精度。僅僅得到相位差和幅度差是不夠的——測到的這些數(shù)值，并不是待測件上的真實情況。不論是混頻、濾波、信號調(diào)理，還是電纜、插座、電橋，都會對幅度和相位造成影響，必須把這些影響從測到的原始數(shù)據(jù)上消去才能得到正確的結果。對于S11測量誤差的消除，通常采用開路-短路-負載三步法校準。這種校準要求先將儀器端口開路，存儲開路狀態(tài)下的一組數(shù)據(jù)，然后再存儲短路和接匹配負載時的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)作為誤差模型的已知量，用于確定任意其他測試時的誤差并讓結果返璞歸真。采用適當?shù)男誓Ｐ停坏芟x器內(nèi)外各種連接線的電長度誤差、濾波器和放大器的相移，還能大幅降低對硬件的某些指標的要求，正巧這些指標原本已經(jīng)很難提高了，電橋的定向性就是一例。這里舉一個理想化的例子，實際情況復雜得多。已知駐波電橋的定向性為0dB，即沒有定向性，如何測量一個回波損耗小于30dB，即駐波小于1.1的天線？了解天分儀的讀者或許認為有點天方夜譚，但是校準確實能解決這個問題——前提是正向信號的提取點和電橋之間有緩沖。試想如果給儀器接上匹配負載，將此時測到的正向信號和“反向信號”的幅度和相位關系存儲下來。然后接上天線，讓儀器重新測量，并根據(jù)剛才存儲的相位幅度關系，推算出本底的“反向信號”，將其從結果中減去，就得到了實際的反向信號。此時您大概在想，如果S21測試的隔離度不好，能否如法炮制？剛才我們做了一個減法，讓定向性無中生有，看起來很好玩，但成本卻很高。儀器必須有足夠的相位和幅度分辨率，軟件才能算出并不太多的一點定向性來。兩個正弦信號，如果絲毫不差，它們相減恰好等于零。如果差一點點，相減以后就會留下不少東西。對于矢網(wǎng)而言，0.1dB的幅度分辨率和0.1°的相位分辨率是起碼的指標。在這樣的分辨率上保持穩(wěn)定很難，一旦漂移或改變測試條件，校準模型即刻失效，因此要經(jīng)常校準。網(wǎng)絡分析的常見用途通過上面的敘述，網(wǎng)絡分析能做什么，讀者可能已經(jīng)比還想得遠了。最后再為大家梳理一下，作為文章的結尾。最簡單的網(wǎng)絡分析儀——掃頻儀，利用少量的附件（例如駐波電橋），已經(jīng)可以滿足通信工程中的大部分驗證性用途和少部分調(diào)試用途之需，得到的是S11和S21標量數(shù)據(jù)。例如檢驗天線、電纜、分路器等射頻器件。如果軟件支持，還能當信號發(fā)生器和場強表使用，雖然不太準確。同時，掃頻儀可以調(diào)試帶通濾波器，尋找線圈和諧振網(wǎng)絡的諧振點，對于帶阻濾波器、陷波器等，如果不要求很大的陷波比，也可以進行初步的調(diào)試。在調(diào)試大陷波比的陷波器（例如雙工器）時，可通過串聯(lián)低通或帶通濾波器來增大觀察范圍。當然，掃頻儀是一種簡單的標量儀器，無法直接讀出阻抗，也就不能直觀的找出匹配參數(shù)。基于寬帶檢波的特性，也不主張用它調(diào)試放大器和其它有源電路。天線分析儀屬于單端口網(wǎng)絡分析儀。雖然很多東西都叫天線分析儀，但是性質(zhì)卻相差甚遠。如果把電橋內(nèi)置在掃頻儀中，就成為最簡單的天線分析儀，能夠測試天線的駐波曲線。不論是掃頻儀還是這種簡單天分，用于有強烈外部干擾的場合都可能使測試結果虛大。介于掃頻儀和矢量天線分析儀之間，還有一種“半矢量天分”，它具有某種形式的測試相位或阻抗的能力，但是并不提供校準功能。用它測一支100Ω純電阻的天線，如果連接了相當于八分之一