網(wǎng)絡(luò)分析儀的使用

一般而言，網(wǎng)絡(luò)分析儀在射頻及微波組件方面的量測(cè)上，是最基本、應(yīng)用層次也最廣的儀器，它可以提供線性及非線性特性組件的量測(cè)參數(shù)，因此，舉凡所有射頻主被動(dòng)組件的仿真、制程及測(cè)試上，幾乎都會(huì)使用到。在量測(cè)參數(shù)上，它不但可以提供反射系數(shù)，并從反射系數(shù)換算出阻抗的大小，且可以量測(cè)穿透系數(shù)，以及推演出重要的S參數(shù)及其它重要的參數(shù)，如相位、群速度延遲(GroupDelay)、插入損失(InsertionLoss)、增益(Gain)甚至放大器的1dB壓縮點(diǎn)(Compressionpoint)等?；驹黼娮与娐方M件在高頻下工作時(shí)，許多特性與低頻的行為有所不同，在高頻時(shí)，其波長與實(shí)際電路組件的物理尺度相比會(huì)相對(duì)變小，舉例來說，在真空下的電磁波其速度即為光速，則c=λ×f，其中c為光速3×108m/sec，若操作在2.4GHz的頻率下，若不考慮空氣的介電系數(shù)，則波長λ=12.5cm，亦即在短短的數(shù)公分內(nèi)，電壓大小就會(huì)因相位的偏移而有極大的變化。因此在高頻下，我們會(huì)使用能量及阻抗的觀念來取代低頻的電壓及電流的表示法，此時(shí)我們就會(huì)引入前述文章所提「波」的概念。光波屬于電磁波的一種，當(dāng)我們用光分析一個(gè)組件時(shí)，會(huì)使用一個(gè)已知的入射光源測(cè)量未知的待測(cè)物，當(dāng)光波由空氣到達(dá)另一個(gè)介質(zhì)時(shí)，會(huì)因折射率的不同產(chǎn)生部分反射及部分穿透的特性，例如化學(xué)成分分析上使用的穿透及反射光譜。對(duì)于同樣是屬電磁波的射頻來說，道理是相通的，光之于折射率就好比微波之于阻抗的概念，當(dāng)一個(gè)電磁波到達(dá)另一個(gè)不連續(xù)的阻抗接口時(shí)，同樣也會(huì)有穿透及反射的行為，從這些反射及穿透行為的大小及相位變化中，就可以分析出該組件的特性。用來描述組件的參數(shù)有許多種，其中某些只包含振幅的訊息，如回返損耗(R.L.ReturnLoss)、駐波比(SWRStandingWaveRatio)或插入損失(I.L.InsertionLoss)等，我們稱為純量，而能得到如反射系數(shù)(ΓReflectioncoefficient)及穿透系數(shù)(ΤTransmissioncoefficient)等，我們稱之為向量，其中向量可以推導(dǎo)出純量行為，但純量卻因無相位信息而無法推導(dǎo)出向量特性。重要的向量系數(shù)反射特性在此，我們重點(diǎn)介紹幾個(gè)重要的向量系數(shù)︰首先，我們從反射系數(shù)來定義，其中Vrefect為反射波、Vinc為入射波，兩者皆為向量，亦即包含振幅及相位的信息，而反射系數(shù)代表入射與反射能量的比值，經(jīng)過理論的演算，可以從傳輸線的特性阻抗ZO(CharacteristicImpedance)得到待測(cè)組件的負(fù)載阻抗ZL，亦即，在網(wǎng)絡(luò)分析中，一般使用史密斯圖(SmithChart)來標(biāo)示不同頻率下的阻抗值。另外，反射系數(shù)也可以使用極坐標(biāo)表示：，其中為反射系數(shù)的大小，φ則表示入射與反射波的相位差值。接下來，介紹兩個(gè)純量的參數(shù)--駐波比及回返損耗，其中駐波的意義是入射波與被待測(cè)裝置反射回來的反射波造成在傳輸線上的電壓或電流駐波效應(yīng)，而駐波比(SWR)的定義就是駐波中的最大與最小能量的比值，我們可以從純量的反射系數(shù)中得到。同樣，我們也可以從ρ值定義出回返損耗(R.L.)，其意義是反射能量與入射能量的比值，其值愈大，代表反射回來的能量愈小。對(duì)于反射系數(shù)所衍生的相關(guān)純量參數(shù)，我們將其整理成表1，基本上，它們之間是換算的過程，會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)業(yè)及應(yīng)用的不同而傾向于使用某一參數(shù)。REMARK:駐波系數(shù)又叫做駐波比,如果電纜線路上有反射波,它與行波相互作用就會(huì)產(chǎn)生駐波,這時(shí)線上某些點(diǎn)的電壓振幅為最大值Vmax,某些點(diǎn)的電壓振幅為最小值Vmin,最大振幅與最小振幅之比稱為駐波系數(shù).駐波系數(shù)越大,表示線路上反射波成分愈大,也表示線路不均勻或線路終端失配較大.為控制電纜的不均勻性,要求一定長度的終端匹配的電纜在使用頻段上的輸入駐波系數(shù)S不超過某一規(guī)定的數(shù)值.電纜中不均勻性的大小,也可用反射衰減來表示.反射系數(shù)的倒數(shù)的絕對(duì)值取對(duì)數(shù),稱為反射衰減.反射衰減愈大,即反射系數(shù)愈小,也就是駐波比愈小,即表示內(nèi)部不均勻性越小.穿透特性對(duì)于穿透的特性，一樣有分為純量與向量兩種，對(duì)于向量系數(shù)而言，最重要的就是穿透系數(shù)，其中Vtrans為經(jīng)過待測(cè)物后的穿透波、Vinc為入射波，而τ即為穿透系數(shù)的純量大小，θ則表示入射與穿透波的相位差值。對(duì)于純量的定義上，以被動(dòng)組件而言，最常使用的就是插入損失(I.L.InsertionLoss)，亦即與上述的τ值是相關(guān)的參數(shù)，定義為。若為主動(dòng)組件如放大器等，穿透的信號(hào)有放大的效應(yīng)則為增益(Gain)，此時(shí)定義為。對(duì)于向量的行為，則計(jì)有插入相位(InsertionPhase)，其表示入射與穿透信號(hào)的相位差，我們可以從相位的變化中，推導(dǎo)出另一個(gè)很重要的參數(shù)-群速延遲(G.D.GroupDelay)，它代表的意義就是不同頻率的波在一段傳輸線中，因介電材料或其它邊界效應(yīng)(Boundarycondition)的影響，使到達(dá)時(shí)間不同而產(chǎn)生的延遲現(xiàn)象，其中又有分為平均延遲時(shí)間(AverageGroupDelay)與波浪(Ripple)或稱為平坦度(Flatness)的定義，前者表示不同頻率到達(dá)的平均時(shí)間，并可以從中推算出電氣長度(ElectricalLength)，后者則表示不同頻率間的到達(dá)時(shí)間差，一般我們會(huì)希望平坦度愈小愈好，如此在通訊上不致造成信號(hào)失真的問題。散射參數(shù)(Scatteringparameter)在高頻的量測(cè)上，S參數(shù)提供了相當(dāng)有用的定性量測(cè)方法，以便分析雙端口甚至是多端口組件的所有特性，如放大器、濾波器、天線以及纜線等，S參數(shù)與低頻的Z、Y參數(shù)定義相當(dāng)類似，但濾的效果，另外，使用窄頻濾波的方式，可以將噪聲位準(zhǔn)(NoiseLevel)降低，這原理與頻譜分析儀相當(dāng)類似，如此一來就可以得到較大的動(dòng)態(tài)范圍，除此之外，一般搭配調(diào)諧接收器的網(wǎng)絡(luò)分析儀可以量測(cè)與輸入信號(hào)間的相位關(guān)系，因此向量網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部接收器以此類為主。信號(hào)處理及顯示屏分析儀中有許多組接收器，其中一個(gè)對(duì)應(yīng)的處理單元會(huì)針對(duì)參考信道，紀(jì)錄輸入信號(hào)的絕對(duì)功率位準(zhǔn)及相位歸零值，而有另一個(gè)或以上的處理單元?jiǎng)t擔(dān)任測(cè)試信道紀(jì)錄的工作，而從參考與測(cè)試信道之間就可以得到信號(hào)位準(zhǔn)比值及相對(duì)應(yīng)相位差，例如兩信道之間量測(cè)電壓比值為20dB，則代表兩信道之間信號(hào)位準(zhǔn)的比例為10：1，而所有網(wǎng)絡(luò)分析儀的S參數(shù)都是采用相對(duì)性表示法得到，在相位部分，一般會(huì)以參考信道相位為零度去比較出其它測(cè)試信道的相位差而得到有關(guān)向量的參數(shù)。因此，當(dāng)信號(hào)經(jīng)過降頻處理及紀(jì)錄后，儀器內(nèi)部就會(huì)對(duì)所偵測(cè)到的信號(hào)，根據(jù)運(yùn)算的數(shù)值作適當(dāng)?shù)娘@示，包括不同的圖表格式如史密斯圖、極坐標(biāo)、SWR、相位、群速延遲等，另外如光標(biāo)顯示、限制線(LimitLine)設(shè)定、不同S參數(shù)的顯示及存盤、打印等工作，都是由內(nèi)部的處理單元來完成，近來更因微軟的窗口操作系統(tǒng)相當(dāng)便利之故，并有其強(qiáng)大的COM/DCOM功能可以透過局域網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)(LAN)作外部計(jì)算機(jī)控制的動(dòng)作，而在下一世代的儀器中，會(huì)漸漸走向窗口平臺(tái)操作系統(tǒng)，因此無論在操作上或資料的轉(zhuǎn)換上都相當(dāng)?shù)谋憷恍枰倏紤]資料打印時(shí)打印機(jī)是否支持、以及量測(cè)資料格式是否兼容于計(jì)算機(jī)的問題，使用者可以專注于量測(cè)及分析的工作以提高生產(chǎn)效率。校正原理在所有網(wǎng)絡(luò)的量測(cè)系統(tǒng)中，都會(huì)有所謂的誤差來源，他們分別來自于如纜線、治具及環(huán)境所造成的系統(tǒng)誤差(SystematicError)，我們假設(shè)它不隨時(shí)間而變(這也代表當(dāng)纜線或治具改變時(shí)，就必須重新作校正)，因此可以用校正模型或數(shù)學(xué)運(yùn)算的方式將其去除，在網(wǎng)絡(luò)中，這些誤差計(jì)有信號(hào)泄漏(SignalLeakage)、信號(hào)反射(SignalReflection)以及頻率響應(yīng)(FrequencyResponse)等。另一類誤差為隨機(jī)誤差(RandomError)，它是會(huì)隨著時(shí)間而改變且不可預(yù)期的，如儀器的噪聲位準(zhǔn)、取樣噪聲等，我們無法對(duì)此類誤差作校正的動(dòng)作，但我們可藉由增加入射訊號(hào)功率、降低中頻濾波器頻寬或使用平均方式來盡量減少此類誤差。第三種是當(dāng)校正后因使用時(shí)間增加所產(chǎn)生的飄移誤差(DriftError)，它主要來自于環(huán)境溫度改變的貢獻(xiàn)，而飄移誤差的大小就決定了何時(shí)必須再做一次的校正工作，若我們可以控制環(huán)境溫度為一穩(wěn)定值，例如，則系統(tǒng)就可以維持在一定的精確度范圍內(nèi)。必須注意的是，以上所述的這些誤差大小會(huì)隨著測(cè)試系統(tǒng)架設(shè)方式而有不同，因此在做每次精確的量測(cè)前，我們建議都必須作校正的動(dòng)作，以下就是探討誤差的來源及相對(duì)應(yīng)的解決方案。單埠誤差來源及解決方案(1-Port)這里所提到的單埠，就是表示在所謂反射系數(shù)的量測(cè)上，誤差主要來自于三項(xiàng)貢獻(xiàn)，即方向性(Directivity)、信號(hào)源不匹配(SourceMismatch)、反射頻率響應(yīng)(ReflectionTracking)等。若對(duì)照到儀器及纜線端的架構(gòu)上，可以由圖7來表示，第一個(gè)誤差項(xiàng)為方向性，前已提到，它主要來自于單向耦合器或電橋的信號(hào)泄漏的因素；其次是信號(hào)源匹配部分，由于信號(hào)源到纜線之間阻抗匹配的問題，會(huì)造成信號(hào)源與待測(cè)物輸入端間多次反射現(xiàn)象，而產(chǎn)生量測(cè)誤差；第三是反射頻率響應(yīng)問題，對(duì)于反射系數(shù)而言，它代表參考接收器與待測(cè)接收器的比值(亦即圖7中的R與A接收器)，但同樣的信號(hào)從兩端信號(hào)的路徑中，所得到的值會(huì)因?yàn)閮?nèi)部纜線長短及兩接收器的頻率響應(yīng)而有所不同，總稱為頻率響應(yīng)誤差。對(duì)于前述三種誤差來源，我們可以用已知的三個(gè)校正工具，利用數(shù)學(xué)矩陣仿真運(yùn)算的方式，將三項(xiàng)誤差去除，在同軸式的接頭上，我們會(huì)采用標(biāo)準(zhǔn)的開路(Open)、短路(Short)及50歐姆的負(fù)載(Load)作為參考值，將各個(gè)頻率下的誤差訂正(Correction)，對(duì)于校正完后，應(yīng)進(jìn)一步做驗(yàn)證的動(dòng)作，以確保在量測(cè)時(shí)的校正平面(CalibrationPlane)是夠精準(zhǔn)的，例如在50歐姆負(fù)載端接上時(shí)，S11值應(yīng)小于-60dB、在開路或短路的情況下，S11值應(yīng)小于±0.05dB等。雙埠誤差來源及解決方案(Full2-Port)同樣是在單端口模型下的情形，但多了穿透特性的量測(cè)，因此在誤差來源上，比純粹反射系數(shù)多了三項(xiàng)誤差，它們分別是穿透頻率響應(yīng)(Transmissiontracking)、輸出端不匹配(LoadMismatch)以及串音(Crosstalk)。如同前所述反射頻率響應(yīng)一般，穿透系數(shù)是由圖中兩接收器R、B所定義，當(dāng)兩接收器反應(yīng)不一致時(shí)，就會(huì)造成誤差；其次在信號(hào)輸出端與穿透接收器之間的阻抗也必須匹配，否則信號(hào)同樣會(huì)在輸出端與接收器之間來回振蕩而使信號(hào)多了一個(gè)不確定性；最后一個(gè)是串音的現(xiàn)象，對(duì)于切換器或動(dòng)態(tài)范圍較大的組件，必須考慮到當(dāng)信號(hào)不直接通過待測(cè)物但透過空氣傳遞的現(xiàn)象，因此，對(duì)于這方面我們就必須比純作反射系數(shù)量測(cè)上，多做額外的三項(xiàng)校正。為了解決上述的誤差來源，我們會(huì)采用直接纜線對(duì)接的方式，稱之為Through校正，同樣也是經(jīng)由數(shù)學(xué)運(yùn)算，此時(shí)可以解決輸出端不匹配及穿透頻率響應(yīng)的問題。對(duì)于串音部分，一般為一選項(xiàng)校正，除非串音對(duì)待測(cè)組件影響較大，不然可以將此誤差項(xiàng)忽略，實(shí)際上若要校正，必須兩埠都接上50歐姆或先接上待測(cè)物再串接50歐姆負(fù)載做校正才正確。以上為單端口的誤差來源模型，共計(jì)有6個(gè)誤差項(xiàng)，若對(duì)于兩端口組件上，因信號(hào)源入射方向及待測(cè)物所走的路徑不同，而會(huì)有對(duì)應(yīng)到12個(gè)誤差來源，對(duì)于三埠，則有27個(gè)誤差項(xiàng)，若為四埠，則計(jì)有48個(gè)誤差來源，因此當(dāng)測(cè)量埠愈多時(shí)，相對(duì)的誤差也會(huì)較多，但對(duì)于誤差來源的原因，都可以歸納成圖八所提的六大類誤差之中。校正方式及校正工具介紹在了解誤差的來源后，接下來，就是對(duì)應(yīng)到儀器如何操作，我們以雙端口網(wǎng)絡(luò)分析儀為例，以速度及精準(zhǔn)度來分，計(jì)有響應(yīng)(Response)、單埠反射校正(1-Port)、全雙埠校正(Full2-Port)三種。所謂的響應(yīng)，就是單做開路、短路、負(fù)載或者是穿透(Through)其中一種，其中以穿透較為常見，因做全雙埠校正需要較多的接頭轉(zhuǎn)換次數(shù)，為了節(jié)省時(shí)間或不需要非常精確的量測(cè)，只做穿透校正就可以將其中四項(xiàng)誤差更正，例如使用頻譜分析儀(SpectrumAnalyzer)加上同步信號(hào)產(chǎn)生器(TrackingGenerator)所得純量穿透系數(shù)所做的歸一化(Normalization)就屬于同樣類型的校正原理。對(duì)于單埠的反射系數(shù)量測(cè)上，則須做三次接頭轉(zhuǎn)換，其分別為開路、短路及負(fù)載，這類似于高頻的阻抗分析儀，若只純粹量測(cè)反射相關(guān)參數(shù)如阻抗、反射損失等，就僅做此校正即可。但對(duì)于較有彈性的量測(cè)上，如濾波器或放大器等需同時(shí)量測(cè)反射及穿透相關(guān)參數(shù)，則需要做全雙埠校正而將10或12項(xiàng)誤差(其中兩項(xiàng)為串音誤差，一般可以忽略掉)做訂正的動(dòng)作，圖9為不同校正方式與其相對(duì)應(yīng)的校正工具。另外，相對(duì)于不同的接頭型態(tài)、涵蓋頻率及精準(zhǔn)度，就會(huì)有不同校正工具的選擇，如APC-7、N-Type、3.5mm、2.4mm等等，端視欲量的待測(cè)物為何種形式的接頭而定。如圖10左方，為傳統(tǒng)3.5mm的校正工具，而右方則是目前較新式的電子切換式校正工具，使用者只須連接一次而不必再換接頭就可以將所有的誤差來源校正完成，這應(yīng)該是未來多埠校正工具的趨勢(shì)。儀器規(guī)格及特征如同頻譜分析儀一般，網(wǎng)絡(luò)分析儀也有相對(duì)應(yīng)的規(guī)格，而規(guī)格的好壞并非絕對(duì)，主要須能符合量測(cè)應(yīng)用的領(lǐng)域范圍及未來的需要為優(yōu)先考量因素，另外就是價(jià)格方面的問題，某些量測(cè)設(shè)備，可能會(huì)因?yàn)樘砑幽承┻x項(xiàng)而可以做某方面特殊的應(yīng)用等(如時(shí)域反射偵測(cè)、FullTRL校正)，而會(huì)使整體價(jià)格提升，但為了作正確的測(cè)量及應(yīng)用，這方面的投資是必要的。一般來說，儀器規(guī)格大致可以區(qū)分成系統(tǒng)、信號(hào)源、測(cè)試端口、掃描項(xiàng)目、校正、選項(xiàng)及支持性等六類，以下我們舉實(shí)例來做參考。系統(tǒng)規(guī)格儀器規(guī)格中，有定義所謂的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍(DynamicRange)，它的計(jì)算方式是輸出功率或接收器的最大輸入信號(hào)位準(zhǔn)與接收器噪聲位準(zhǔn)的差值，單位為dB，其值愈大愈好，一般都會(huì)在70dB以上，但必須同時(shí)考慮到掃描的時(shí)間，若儀器動(dòng)態(tài)范圍夠大，但相對(duì)的掃描時(shí)間過長，就不適用于產(chǎn)線上實(shí)時(shí)的量測(cè)監(jiān)控，一般來說，單次掃描時(shí)間為數(shù)十毫秒到數(shù)秒之間。另外，會(huì)標(biāo)示反射或穿透的不確定性(Uncertainly)，這是代表在做完校正動(dòng)作之后，儀器因噪聲、接頭重復(fù)性及切換器所造成最差情況的誤差貢獻(xiàn)，造成量測(cè)的不確定，單位為dB，其值愈小愈好。信號(hào)源規(guī)格頻率范圍(FrequencyRange)代表信號(hào)源所能掃描的頻率范圍，而頻率分辨率(FrequencyResolution)則表示信號(hào)源掃頻時(shí)的最小頻率間隔，一般為數(shù)kHz至1Hz，在頻率穩(wěn)定度(Stability)及精確度(Accuracy)規(guī)格上，則表示有多少成分的頻率會(huì)偏離欲調(diào)變的頻率中心，單位為ppm，另外，影響較大的如殘存FM(ResidualFM)，又稱為相位噪聲(PhaseNoise)，其值越低越好，一般在數(shù)kHz左右。在功率規(guī)格上，較重要的有位準(zhǔn)精確度(LevelAccuracy)及線性度(Linearity)，前者表示輸出功率有多精準(zhǔn)，而后者就是的振幅平坦度，另外，若針對(duì)放大器的量測(cè)上，也會(huì)有相關(guān)最小輸出功率的定義(一般會(huì)采用內(nèi)含步階衰減器的選項(xiàng))。測(cè)試端口規(guī)格包括平均噪聲位準(zhǔn)(AverageNoiseLevel)及方向性(Directivity)，前者表示接收器所能偵測(cè)到的最低功率值