網(wǎng)絡(luò)分析儀及其使用

1、網(wǎng)絡(luò)分析儀（一）一、概述     對(duì)工作在高頻的電子電路特性的正確表征提出了某些獨(dú)特的要求。在高頻上，工作波長(zhǎng)變得可與電路元器件的實(shí)際尺寸相比擬，這便導(dǎo)致電路性能呈分布屬性。與其描述特定電路節(jié)點(diǎn)處的電壓和電流，不如描述傳輸媒質(zhì)中的電波如何對(duì)其路徑上的元件作出相應(yīng)更為適當(dāng)。網(wǎng)絡(luò)分析儀是為精確和高效率地表征射頻（RF）元件隨頻率變化的特性而發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)儀器。    網(wǎng)絡(luò)分析儀是通過(guò)在所考察頻率范圍內(nèi)的激勵(lì)-響應(yīng)測(cè)試來(lái)建立線性網(wǎng)絡(luò)的傳遞和（或）阻抗特性的數(shù)據(jù)模型的過(guò)程。在高于1MHz的頻率上，集總元件實(shí)際上變成由基本元件加上寄生

2、現(xiàn)象，如雜散電容、引線電感和未知吸收損耗組成的“電路”。由于寄生現(xiàn)象取決于各個(gè)別器件及其結(jié)構(gòu)，故它們幾乎不可能被預(yù)示。高于1GHz時(shí)，元件的幾何尺寸可以與信號(hào)波長(zhǎng)相比擬，從而增強(qiáng)了由于器件結(jié)構(gòu)而引起的電路性能變化。網(wǎng)絡(luò)分析一般局限于確定線性網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)榫€性條件的約束，受正弦波激勵(lì)的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生正弦波輸出，故正弦波測(cè)試是表征幅度和相位隨頻率變化的理想方法。二、元件特性    射頻（頻率低于3GHz）能量或微波（頻率在330GHz范圍）能量可以比作光波。入射到被測(cè)件（DUT）上的能量或是被器件反射，或是通過(guò)器件傳輸（如下圖）。  入射到被測(cè)件上的波的反射

3、特性和傳輸特性通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)新產(chǎn)生的波之間的幅度比和相位差，就可能確定器件的反射（阻抗）特性和傳輸（增益）特性1、反射和傳輸    有許多用來(lái)描述這些特性的術(shù)語(yǔ)。某些特性只利用幅度信息（標(biāo)量）。而另一些特性則包含幅度和相位兩種信息（矢量）。若器件上的入射波表示為VINCID，則VINCID與IINCID之比稱(chēng)為傳輸系統(tǒng)的特性阻抗Z0，端接傳輸系統(tǒng)的器件具有所謂負(fù)載阻抗ZL的輸入阻抗，于是，幾個(gè)重要的器件特性可以定義為：反射術(shù)語(yǔ)：=VREFLEC/VINCID=(ZL-Z0)/(ZL+Z0)      式中為器件反射系

4、數(shù)；VINCID為測(cè)試器件上的入射波；VREFLEC為測(cè)試器件上的反射波；Z0為傳輸媒質(zhì)的特性阻抗；ZL為測(cè)試器件的阻抗。=式中，為反射系數(shù)的幅度；為復(fù)反射系數(shù)。式中SWR為傳輸媒質(zhì)上電流或電壓的駐波比；=反射系數(shù)的幅度。 式中ZL為負(fù)載的復(fù)阻抗；為復(fù)反射系數(shù)；Z0為傳輸媒質(zhì)的特性阻抗?；夭〒p耗（dB）=-20log式中，為反射系數(shù)的幅度。   傳輸術(shù)語(yǔ)：傳輸系數(shù)=VTRANS/VINCID式中，VINCID為被測(cè)件上的入射波；VTRANS為通過(guò)被測(cè)件的傳輸波。插入損耗（dB）=20log（VTRANS/VINCID）增益（dB）=20logVTRANS/VINC

5、ID           式中，VINCID為被測(cè)件上的入射波的幅度；VTRANS為通過(guò)被測(cè)件的傳輸波的幅度。插入相位=VTRANS-VINCID           式中，VINCID為被測(cè)件上的入射波矢量的相對(duì)相角；VTRANS為通過(guò)被測(cè)件的傳輸波矢量的相對(duì)相角。2、散射（S）系數(shù)   許多元件測(cè)量都具有二端口網(wǎng)絡(luò)，如放大器、濾波器和電纜。這些元件的特性通常用來(lái)確定作為更復(fù)

6、雜系統(tǒng)的一部分的特定器件將起何作用。為了提供射頻環(huán)境下對(duì)全二端口網(wǎng)絡(luò)建立模型和分析的方法，定義了散射（S）系數(shù)（如下圖）。被測(cè)件的散射參數(shù)測(cè)量    這是一種與低頻Z或Y模型相似的表征方法，只是它利用入射波、傳輸波和反射波來(lái)表征器件的輸入端口和輸出端口，而不是利用在高頻上不能測(cè)量的電壓和電流。S參數(shù)在一定條件下與其它表征相關(guān)。例如S11是在器件輸出端具有  理想Z0匹配的條件下等效于器件的輸入反射系數(shù)IN。器件的S參數(shù)表征在測(cè)量、模型化和設(shè)計(jì)具有多個(gè)元件的復(fù)雜系統(tǒng)等方面起著關(guān)鍵作用。S參數(shù)的定義還使它們能夠用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)量。三、網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)的組成部分

7、    網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量系統(tǒng)可以分成四大部分，即提供入射信號(hào)的信號(hào)源、用來(lái)分離入射信號(hào)、反射信號(hào)和傳輸信號(hào)的信號(hào)分離器件、將微波信號(hào)變?yōu)檩^低的中頻（IF）信號(hào)的接收機(jī)以及用于處理中頻信號(hào)和顯示檢測(cè)出的信息的信號(hào)處理器和顯示器部分（如下圖）。網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量系統(tǒng)的主要組成部分     1、信號(hào)源信號(hào)源（射頻或微波）產(chǎn)生用于激勵(lì)測(cè)試器件的入射信號(hào)。測(cè)試器件的響應(yīng)是反射一部分入射能量和傳輸余下部分能量。通過(guò)對(duì)信號(hào)源的頻率掃描，可以確定器件的頻率響應(yīng)。頻率范圍、頻率穩(wěn)定度、信號(hào)純度、輸出功率電平和電平控制是可能影響測(cè)量的因素。用于網(wǎng)絡(luò)分

8、析儀測(cè)量的信號(hào)源大體上有兩類(lèi)，即掃頻振蕩器和合成掃頻振蕩器（包括合成信號(hào)發(fā)生器）。掃頻振蕩器的成本低，但它的頻率精度和穩(wěn)定度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及合成器。若器件響應(yīng)在掃頻發(fā)生器的剩余調(diào)頻頻譜范圍內(nèi)顯著改變，便應(yīng)利用更穩(wěn)定的信號(hào)源，如合成器或合成掃頻振蕩器。此外，若器件的相位響應(yīng)隨頻率迅速改變（即電氣上的器件，如長(zhǎng)電纜），便應(yīng)利用頻率穩(wěn)定的信號(hào)源，如合成器來(lái)避免頻率漂移。     2、信號(hào)分離測(cè)量過(guò)程的下一步是對(duì)入射信號(hào)、反射信號(hào)和傳輸信號(hào)進(jìn)行分離。分離之后，就能測(cè)量它們各自的幅度和（或）相位差。這一點(diǎn)可以利用定向耦合器、電橋、功分器乃至高阻抗探頭完成。下圖給出可能的傳

9、輸測(cè)量配置。傳輸測(cè)量配置定向耦合器是一種由兩路耦合器傳輸線構(gòu)成的器件，傳輸線配置成使能量在一個(gè)方向上通過(guò)主端口時(shí)可將能量耦合至輔助端口，而相反方向則不能把能量耦合至輔助端口。定向耦合器在主線路徑上的損耗通常相當(dāng)小，因而對(duì)入射功率產(chǎn)生小的損耗。定向耦合器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖。定向耦合器的耦合特性耦合臂只對(duì)行進(jìn)在一個(gè)方向的信號(hào)取樣。耦合信號(hào)處于降低了電平，降低電平的大小稱(chēng)為耦合系數(shù)。20dB定向耦合器意味著耦合端口的電平比輸入低20dB，相當(dāng)于入射功率的1%。余下的99%入射功率都通過(guò)主臂傳送。定向耦合器的另一個(gè)重要特性是方向性。方向性定義為正向檢測(cè)出的型號(hào)與反向檢測(cè)出的信號(hào)之差。方向性不理想的原因是信號(hào)

10、泄露、耦合器內(nèi)部負(fù)載的反射及連接器的反射。典型定向耦合器將以30dB的方向性工作在幾個(gè)倍頻程范圍。二電阻功分器（如下圖）用于對(duì)入射信號(hào)或傳輸信號(hào)取樣。二電阻功分器    輸入信號(hào)平均分配到兩個(gè)臂上，每個(gè)臂的輸出信號(hào)（功率）都比輸入低6dB。功分器的主要應(yīng)用是使測(cè)量有極好的源匹配。如果功分器輸出的一臂接到參考檢波器上，而另一臂經(jīng)過(guò)被測(cè)件通向傳輸檢波器，則傳輸與入射的比值顯示的效果是使功分器中的電阻器決定了測(cè)量的等效源匹配，在功分器之前所有對(duì)源匹配的其它影響皆被取比值所排除。功分器的帶寬極寬，具有優(yōu)良的頻率響應(yīng)。且在側(cè)試器件的輸入端呈現(xiàn)良好的匹配。 

11、0;  在不同于典型50或75的環(huán)境中，可以用高阻抗探頭進(jìn)行測(cè)量。重要的是探頭阻抗要比電路阻抗大，使不會(huì)發(fā)生不需要的加載。    下圖示出了反射測(cè)量的裝置。反射測(cè)量需要一個(gè)定向器件。分離入射信號(hào)和反射信號(hào)可以用雙定向耦合器或電橋完成。其重要差別在于所涉及的功率電平。定向耦合器的主臂損耗較小，而電橋則趨向于在寬頻范圍內(nèi)有較好的響應(yīng)，因而更經(jīng)常使用。反射測(cè)量配置3、接收機(jī)接收機(jī)提供將射頻或微波信號(hào)變換成較低的中頻或直流信號(hào)，使能進(jìn)行精確檢測(cè)的手段。網(wǎng)絡(luò)分析儀中采用的接收機(jī)技術(shù)大體上有三類(lèi)（如下圖）。     最簡(jiǎn)單的技

12、術(shù)是利用二極管檢波器作為寬帶檢測(cè)器，它將所有入射能量變換成與入射到二極管上的功率成正比的直流信號(hào)。另外兩類(lèi)接收機(jī)是利用基波混頻和諧波混頻輸入結(jié)構(gòu)將射頻信號(hào)變換成較低頻的中頻信號(hào)的寬帶調(diào)諧接收機(jī)。調(diào)諧接收機(jī)具有窄通帶的中頻濾波器，用來(lái)抑制雜散信號(hào)并壓低接收機(jī)的本底噪聲。利用寬帶二極管檢波器的接收機(jī)用在標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀中，而調(diào)諧接收技術(shù)則用在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中。標(biāo)量系統(tǒng)是最經(jīng)濟(jì)的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)起來(lái)最簡(jiǎn)單。矢量測(cè)量系統(tǒng)（調(diào)諧接收機(jī)）有最寬的動(dòng)態(tài)范圍，不受諧波響應(yīng)和寄生相應(yīng)的影響，且能測(cè)量輸入信號(hào)的相位關(guān)系。此外，還提供使測(cè)量更精確的進(jìn)行更復(fù)雜校準(zhǔn)的能力。4、處理器/顯示器   

13、  檢測(cè)出射頻后，網(wǎng)絡(luò)分析儀必須處理檢測(cè)出的信號(hào)并顯示測(cè)得的量值。網(wǎng)絡(luò)分析儀是利用了一個(gè)參考通道和至少一個(gè)測(cè)試通道的多通道接收機(jī)?？梢詼y(cè)量通道內(nèi)的絕對(duì)信道電平、通道之間的相對(duì)信號(hào)電平（比值）或通道之間的相對(duì)相位差，視分析儀而定。相對(duì)比值測(cè)量通常以dB為單位，dB是未知信道（測(cè)試通道）與所選擇的參考信號(hào)（參考通道）的對(duì)數(shù)比。這就能測(cè)量既有高電平，也有低電平電路響應(yīng)的變化時(shí)使用儀器的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍。例如，0dB意味著兩個(gè)信號(hào)電平具有為1的比值，而±20dB則意味著兩個(gè)信號(hào)之間的電壓比為10：1。所有網(wǎng)絡(luò)分析儀的相位測(cè)量都是相對(duì)測(cè)量，這時(shí)認(rèn)為參考通道信號(hào)具有零相位。然后，分析儀測(cè)量

14、其余通道相對(duì)于參考通道的相位差。四、測(cè)量精度    任何網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量的規(guī)定精度是對(duì)被測(cè)器件和用于測(cè)量的特定的網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)兩方面必須考慮的許多因素的結(jié)果。只要可以確定誤差源并了解測(cè)量方法的理論模型，便能確保最終結(jié)果的精度。所得到的不確定度不僅隨測(cè)量系統(tǒng)而變，而且也隨被測(cè)件的參數(shù)而變。下圖是為了確定任何特定測(cè)量中的不確定度大小所必須考慮的因素的圖解。影響測(cè)量不確定度和給定網(wǎng)絡(luò)分析儀性能的誤差源1、不確定度    用于計(jì)算任何測(cè)量不確定度的模型和分析方法都?xì)w結(jié)為一個(gè)測(cè)量誤差源的函數(shù)的表示式。最終不確定度的典型表示式具有下列形式：Mag

15、uncert=Systematic+Random2+(Drift+stability2)1/2式中Mag uncert為幅度測(cè)量的不確定度；Systematic為測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差；Random為測(cè)量系統(tǒng)的隨機(jī)誤差；Drift+stability為器件或測(cè)試系統(tǒng)的漂移特性。   在這個(gè)表示形式中，系統(tǒng)誤差是以最壞情況的方式相加，隨機(jī)誤差、漂移誤差和穩(wěn)定性誤差則用平方和的平方根（RSS）方式表征，如表示式中的第二項(xiàng)所示。對(duì)于一個(gè)特定測(cè)試系統(tǒng)，了解這些誤差的來(lái)源和大小對(duì)確定所進(jìn)行的測(cè)量的質(zhì)量是至關(guān)重要的。 系統(tǒng)誤差是在校準(zhǔn)之后不會(huì)發(fā)生變化的誤差且在測(cè)量期間維持穩(wěn)定。系

16、統(tǒng)誤差與實(shí)際測(cè)試系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)理想激勵(lì)響應(yīng)測(cè)試環(huán)境的好壞程度有關(guān)。因此，測(cè)試系統(tǒng)的剩余方向性、對(duì)直通響應(yīng)的統(tǒng)調(diào)以及等效源和負(fù)載匹配是可能導(dǎo)致誤差的真實(shí)系統(tǒng)的測(cè)量特性。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是等效源匹配的誤差，若測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)源不是理想匹配的，則被測(cè)件的反射波將被非理性源再次反射，并作為第二個(gè)入射波返回被測(cè)件，其結(jié)果是由于在測(cè)試源與被測(cè)件之間的多次反射造成的可能測(cè)量誤差，這個(gè)誤差的確是隨造成多次反射的兩個(gè)失配的幅度而變，有許多不同的方法可用來(lái)改善這類(lèi)系統(tǒng)誤差。在等效源匹配的情況下，在測(cè)試端口增加一個(gè)固定的衰減器或進(jìn)行單端口系統(tǒng)校準(zhǔn)是能改善視在失配的兩種方法。另一類(lèi)系統(tǒng)誤差與特定網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)的檢測(cè)處理有關(guān)。動(dòng)

17、態(tài)精度是大多數(shù)測(cè)量系統(tǒng)配置中的主要考慮因素。動(dòng)態(tài)精度與接收機(jī)在大的幅度范圍內(nèi)精確檢測(cè)信號(hào)的能力有關(guān)。在確定接收機(jī)可能測(cè)量的信號(hào)范圍時(shí)，最大輸入信號(hào)受接收機(jī)輸入裝置中的壓縮限制，而可能檢測(cè)的最小信號(hào)則受接收機(jī)本底噪聲或受測(cè)量硬件中通過(guò)不希望路徑的信號(hào)串?dāng)_和漏泄的限制。信號(hào)檢測(cè)電路的固有線性取決于所用接收機(jī)檢波器的類(lèi)型。為了解決各種系統(tǒng)誤差問(wèn)題具體選用何種校準(zhǔn)方法，取決于被測(cè)件的特性和用于測(cè)量的特定網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)。2、隨機(jī)誤差隨機(jī)測(cè)量誤差的主要來(lái)源有噪聲源、連接器的重復(fù)性和電纜的穩(wěn)定性。在任何系統(tǒng)中都存在若干噪聲源，系統(tǒng)的靈敏度取決于接收機(jī)前端下變頻器或檢波器的噪聲。信號(hào)源的頻譜純度和接收機(jī)本振可能

18、將噪聲增加到數(shù)據(jù)流上。具有可變檢測(cè)帶寬和數(shù)據(jù)平均的接收機(jī)裝置提供了減小噪聲的某些方法。一般矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的接收機(jī)具有這個(gè)功能，用戶可以設(shè)定接收機(jī)的中頻帶寬，在靈敏度和接收機(jī)的掃描速度之間作折衷考慮。連接器的重復(fù)性可能依所用連接器系統(tǒng)的質(zhì)量而有顯著變化。在每種連接器標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)所使用的元件存在著不同的質(zhì)量等級(jí)。它們通常被分為工業(yè)用連接器、儀器用連接器和精密連接器。相應(yīng)的元件的成本、容差和射頻性能也有所不同。在任何連接器類(lèi)別中，精密連接器的重復(fù)性可能大于60dB，而工業(yè)用連接器的重復(fù)性則可能小于30 dB。在任何部分特定情況下，連接器的重復(fù)性可以通過(guò)進(jìn)行多次連接并測(cè)量數(shù)據(jù)最終的差別來(lái)確定。分析應(yīng)在大

19、量的樣本的基礎(chǔ)上進(jìn)行，并用統(tǒng)計(jì)方式加以表征。  電纜是一個(gè)主要誤差源。若校準(zhǔn)之后不移動(dòng)電纜，則誤差一半很小，但這不是系統(tǒng)的典型應(yīng)用情況。典型情況下，傳輸相位誤差將大于幅度誤差。在測(cè)量要求極小的移動(dòng)時(shí)，硬線電纜往往更穩(wěn)定。但若電纜必須經(jīng)常移動(dòng)，則優(yōu)質(zhì)柔軟性電纜是必不可少的。  漂移和穩(wěn)定性體現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)隨時(shí)間和溫度所發(fā)生的變化。這類(lèi)誤差的典型來(lái)源可能歸因于接收機(jī)的下變頻和檢波隨溫度而變化。網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量系統(tǒng)的許多比值能幫助常用工作方式擺脫對(duì)飄移的潛在敏感性。解決這個(gè)誤差源問(wèn)題的最適當(dāng)?shù)霓k法是，從利用最穩(wěn)定的硬件著手并在隨后經(jīng)常對(duì)測(cè)量進(jìn)行重新校準(zhǔn)，以避免在特殊測(cè)量環(huán)境中

20、出現(xiàn)的一些問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)分析儀（二）一、標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀      標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)中最獨(dú)特的元件是用作射頻功率檢測(cè)器件的二極管檢波器。這樣便可實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻特性的十分經(jīng)濟(jì)寬帶幅度測(cè)量。        1、二極管檢波器      二極管檢波器將射頻信號(hào)變換為成正比的直流電壓。若信號(hào)是調(diào)幅信號(hào)，則二極管將恢復(fù)該調(diào)制信號(hào)。二極管檢波器可能具有很寬的帶寬（10MHz50GHz）、快的響應(yīng)時(shí)間和達(dá)76dB的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍。典型的檢波器回波損耗為2

21、0dB。二極管具有一個(gè)平方律區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，電壓輸出與功率輸出成正比（見(jiàn)下圖）。之所以稱(chēng)為平方律區(qū)域，是因?yàn)殡妷狠敵雠c電壓輸入的平方成正比。超過(guò)某個(gè)功率電平，響應(yīng)便變?yōu)榫€性響應(yīng)。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機(jī)具有補(bǔ)償這個(gè)檢波器特性變化的能力，從而擴(kuò)大了允許的動(dòng)態(tài)范圍。二極管檢波器的特性      二極管檢波方案采用直流檢波或交流檢波。直流檢波器產(chǎn)生與入射到二極管上的功率成正比的直流信號(hào)。二極管的輸出直接由分析儀計(jì)讀，在這種情況下，分析儀成為一個(gè)具有對(duì)數(shù)響應(yīng)的品質(zhì)優(yōu)良的電壓表。交流檢波也產(chǎn)生與入射功率成正比的信號(hào)，但射頻源是方波調(diào)幅源，從而形成檢波器的方

22、波輸出。     與直流檢波相比，交流檢波具有消除二極管檢波器直流漂移和對(duì)溫度敏感的好處。此外，交流檢波還不受檢波器輸入端未經(jīng)調(diào)制的信號(hào)的影響。交流檢波需要射頻源調(diào)制，這有時(shí)難以實(shí)現(xiàn)且可能影響被測(cè)件的性能。標(biāo)量分析儀接收機(jī)容納多個(gè)（達(dá)四個(gè)）檢波器輸入。      在利用寬帶檢波器時(shí)，必須注意一下事實(shí)：它們可能對(duì)在輸入端口出現(xiàn)的處于檢波器頻率范圍內(nèi)的所有信號(hào)起響應(yīng)。在這種測(cè)量情況下，必須注意源的諧波電平和寄生信號(hào)。若被測(cè)的信號(hào)處在檢波器的平方律區(qū)域，則不希望的信號(hào)將附加在功率檢測(cè)中。在檢波器功率響應(yīng)范圍的線

23、性部分，不希望的信號(hào)會(huì)給線性檢測(cè)附加上不確定度。       標(biāo)量分析儀系統(tǒng)中的定向電橋是檢波器和信號(hào)分離器件的組合。定向電橋的工作很像惠斯通電橋（如下圖）。標(biāo)量分析儀定向電橋     若四個(gè)臂的電阻相同（即測(cè)試端口=50），則測(cè)出零電壓。若測(cè)試端口的負(fù)載不是50，則電橋的端電壓與被測(cè)件（DUT）的失配（偏離50）成正比。定向電橋具有寬帶特性以及很好（40dB）的方向性，但代價(jià)是是它們?cè)谌肷渖漕l通路中具有6dB的插入損耗，這可能影響在被測(cè)件上可利用的入射功率大小，因此可能限制傳輸測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍。

24、2、反射測(cè)量      下圖是反射測(cè)量校準(zhǔn)配置和測(cè)量配置圖。 校準(zhǔn)配置（a）                                  測(cè)量配置（b）     對(duì)

25、基本反射測(cè)量配置中信號(hào)流程的分析可以得到反射不確定度的表示式，該表示式考慮了測(cè)量校準(zhǔn)和隨后被測(cè)件特性測(cè)量過(guò)程中引入的任何不確定度。下圖示出了反射校準(zhǔn)和實(shí)際測(cè)量的不確定度如何加入總測(cè)量不確定度。反射測(cè)量的不確定度這種情況的簡(jiǎn)化不確定度定義方程可以用下式給出=A+BL+CL2            式中，為反射的幅度不確定度；A為方向性；B為校準(zhǔn)誤差、頻率響應(yīng)、顯示器和儀器誤差；C為有效源匹配；L為被測(cè)件的反射系數(shù)。第一個(gè)系數(shù)是信號(hào)分離器件的方向性項(xiàng)。如方向性的定義中所述，它等效于直接泄漏

26、到反射信號(hào)檢波器的入射能量部分，而與待測(cè)的反射項(xiàng)無(wú)關(guān)。在強(qiáng)反射項(xiàng)的情況下，方向性不是主要關(guān)心的問(wèn)題，但對(duì)于回波損耗大的測(cè)試器件，方向性則可能是主要誤差源。選擇方向性比待測(cè)的回波損耗大的信號(hào)分離器件是重要的。此外，還必須小心對(duì)待在反射器件的測(cè)試端口輸出處所附加的適配器，因?yàn)檫m配器的連接器匹配可能是系統(tǒng)方向性的限制因素。不確定度方程中B項(xiàng)與被測(cè)件入射波的直接路徑和反射檢測(cè)器的反射波的返回路徑中的誤差有關(guān)。這一項(xiàng)的頻率響應(yīng)部分可以通過(guò)測(cè)試端口用短路器（=1）進(jìn)行歸一化測(cè)量的方法校準(zhǔn)掉。這便減小了頻率響應(yīng)誤差，但未考慮顯示器和儀器誤差，如接收機(jī)的動(dòng)態(tài)精度。最后的不確定度項(xiàng)是有效源匹配項(xiàng)C。這是反射波被

27、非理想源重新反射并作為另一個(gè)入射波加以測(cè)量的結(jié)果。這個(gè)不確定度項(xiàng)是當(dāng)被測(cè)件具有接近于1的L時(shí)的潛在問(wèn)題。改善等效源匹配的方法有：利用功分器-比值測(cè)量配置，改善激勵(lì)的輸出源穩(wěn)幅或在激勵(lì)通路內(nèi)置入緩沖器或衰減器加以改善。在標(biāo)量系統(tǒng)中，還利用了另一種校準(zhǔn)技術(shù)，可減小由于方向性誤差和源匹配誤差之和引起的誤差。通過(guò)對(duì)短路響應(yīng)和開(kāi)路響應(yīng)取平均，可以消除由于方向性誤差和源匹配誤差之和引起的校準(zhǔn)誤差。開(kāi)路和短路平均往往能將校準(zhǔn)誤差平均掉，從而使B=0。下圖示出了開(kāi)路和短路平均對(duì)校準(zhǔn)的影響。標(biāo)量分析儀的開(kāi)路和短路取平均的特性測(cè)量大多數(shù)儀器供應(yīng)商提供的一種很有用的工具是反射計(jì)和適配誤差計(jì)算器。它是一種將方向性、失

28、配、駐波比及不確定度關(guān)聯(lián)在一起的簡(jiǎn)單器具。方向性可以直接轉(zhuǎn)換為等效于反射系統(tǒng)測(cè)量中誤差項(xiàng)A的線性項(xiàng)。此外，還可以直接在反射系數(shù)、回波損耗和駐波比（SWR）之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。還可以計(jì)算由于多次失配引起的波動(dòng)大小。這在傳輸計(jì)算以及在反射不確定度的等效源匹配分析中都很有價(jià)值。3、傳輸測(cè)量進(jìn)行標(biāo)量分析儀的傳輸測(cè)量時(shí)，首先對(duì)直通參考連接進(jìn)行校準(zhǔn)，然后用被測(cè)件代替該直通路徑。所得到的傳輸幅度測(cè)量的不確定度是校準(zhǔn)測(cè)量的不確定度與器件測(cè)量的不確定度之和。起主要作用的誤差源是源和檢波器的失配。頻率響應(yīng)誤差通過(guò)歸一化來(lái)消除，但直通校準(zhǔn)具有由源匹配和檢波器負(fù)載之間多次反射引起的不確定度。當(dāng)插入被測(cè)件時(shí)，在源匹配與被測(cè)件

29、輸入匹配之間以及在被測(cè)件輸出匹配與檢波器匹配之間將發(fā)生類(lèi)似的不確定度。下圖說(shuō)明了這些失配是如何起作用的。傳輸測(cè)量是配的不確定度下圖示出了實(shí)際多重失配不確定度如何相加。失配不確定度模型（s為源反射，1為被測(cè)件的輸入反射，2為被測(cè)件的輸出反射，d為檢波器的反射）在信號(hào)源或檢波器前加緩沖衰減器、用穩(wěn)幅技術(shù)改善源匹配或采用功分器-比值測(cè)量是可用來(lái)改善系統(tǒng)的等效源匹配或檢波器匹配，因而降低測(cè)量不確定度的各種方法。       4、特殊應(yīng)用盡管標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的主要應(yīng)用是線性網(wǎng)絡(luò)的頻域特性測(cè)量，但仍有一些它們可以解決的其它應(yīng)用。例如，可以

30、利用頻域測(cè)量來(lái)計(jì)算沿傳輸結(jié)構(gòu)回波損耗距離的變化。將傅里葉變換分析技術(shù)應(yīng)用于頻域信息，可以獲得其時(shí)域仿真，從而能根據(jù)特定傳輸媒質(zhì)的傳播速度對(duì)它按距離進(jìn)行定標(biāo)。所得到的輸出是傳輸結(jié)構(gòu)缺陷位置分析的有力工具。在某些標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)中，可以個(gè)別針對(duì)檢波器的頻率響應(yīng)和動(dòng)態(tài)精度對(duì)其特性加以表征，這就使檢波器能以功率計(jì)的精度來(lái)測(cè)量功率。有了這樣的精度，標(biāo)量分析儀在測(cè)量有源器件如放大器的壓縮特性和對(duì)幅度的敏感特性時(shí)十分有用。此外，利用卓越的功率測(cè)量能力和所具有的諸如交流檢波之類(lèi)的技術(shù)，標(biāo)量分析儀在測(cè)量變頻器件如混頻器元件或通信用上、下變頻系統(tǒng)元件中，正在獲得越來(lái)越多的應(yīng)用。二、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀基本測(cè)量特性&#

31、160; 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀配置與標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的主要區(qū)別在于接收機(jī)的復(fù)雜程度和從檢波器外推的信息（見(jiàn)下圖）。  矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀配置圖信號(hào)分離器件包含功分器、耦合器和（或）電橋。信號(hào)處理元件和適當(dāng)?shù)纳漕l轉(zhuǎn)接通常一起布置在測(cè)量系統(tǒng)的“測(cè)試裝置”部分。這樣做是因?yàn)樵诓捎脧?fù)雜的校準(zhǔn)時(shí)，需要經(jīng)常進(jìn)行可重復(fù)的和精確信號(hào)的轉(zhuǎn)接。· 調(diào)諧接收機(jī) 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)的接收機(jī)部分是以對(duì)信號(hào)源的頻率跟蹤的方式調(diào)諧的基波混頻或諧波混頻多通道接收機(jī)。接收機(jī)將寬帶掃描射頻信號(hào)向下變換成固定且與射頻測(cè)試頻率無(wú)關(guān)的中頻頻率。中頻頻率足夠低，使能用精密檢測(cè)電路確定每個(gè)接收機(jī)通道內(nèi)的信號(hào)幅度和任意兩個(gè)

32、接收機(jī)通道的相位關(guān)系。結(jié)果是一種寬動(dòng)態(tài)范圍（100dB）的無(wú)雜散信號(hào)多通道接收機(jī)，能對(duì)其多個(gè)輸入中的任意兩個(gè)輸入的矢量量值（如反射系數(shù)和增益）進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量相位特性的能力賦予矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)被測(cè)件的復(fù)阻抗和相位延遲特性進(jìn)行表征的功能。能測(cè)量矢量和進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算允許這種測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的校準(zhǔn)，即通過(guò)測(cè)量精確已知的標(biāo)準(zhǔn)并計(jì)算出將應(yīng)用于被測(cè)件測(cè)得得數(shù)據(jù)的修正系數(shù)。檢波器能對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的矢量操作，這種能力允許系統(tǒng)顯著地改善測(cè)量的質(zhì)量并降低與測(cè)量結(jié)果相關(guān)的不確定度。檢波器還具有操作誤差修正數(shù)據(jù)的能力，使以許多不同的顯示格式（從線性相位或幅度隨頻率的變化到矢量的極坐標(biāo)顯示）給出信息。與標(biāo)量檢波器的

33、特性非常相似，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機(jī)對(duì)分析儀的性能也有若干限制。人們希望接收機(jī)在其變換特性時(shí)呈線性。因此，每個(gè)接收機(jī)通道在開(kāi)始發(fā)生壓縮和限幅之前，存在著最大允許的輸入信號(hào)。在低信號(hào)電平下，接收機(jī)的靈敏度和精度受噪聲和不是測(cè)量通路一部分的低電平信號(hào)漏泄（串?dāng)_）的限制。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)（包括適當(dāng)?shù)男盘?hào)分離測(cè)試裝置）必須從信號(hào)電平的觀點(diǎn)仔細(xì)了解，以從系統(tǒng)獲得最佳性能。必須小心維持最佳入射測(cè)試信號(hào)和接收機(jī)輸入信號(hào)的幅度。· 反射測(cè)量 利用測(cè)量矢量的能力，可能測(cè)量器件反射信號(hào)與入射信號(hào)之比。這個(gè)比值是反射系數(shù)L的復(fù)數(shù)表示。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀能顯示反射系數(shù)的幅度或相位隨頻率的變化。它也能給出反射系數(shù)

34、的極坐標(biāo)顯示。由于每個(gè)特定反射系數(shù)是與唯一的阻抗相關(guān)，故可能將矢量反射系數(shù)與阻抗相聯(lián)系。下圖是所謂史密斯（Smith）圓圖的常用極坐標(biāo)顯示的簡(jiǎn)圖。它是反射系數(shù)的極坐標(biāo)顯示，具有對(duì)特性阻抗Z0歸一化的交疊的恒定阻抗線。史密斯圓圖的極坐標(biāo)顯示是對(duì)被測(cè)件的輸入阻抗進(jìn)行評(píng)估的十分有效的分析工具。所有正實(shí)數(shù)電阻值變換為單位反射系數(shù)圓內(nèi)的點(diǎn)。斯密斯圓圖上的阻抗測(cè)量下圖是反射測(cè)量配置的模型。測(cè)得的反射系數(shù)（S11）和實(shí)際反射系數(shù)的表示式表明，測(cè)量不確定度受方向性、統(tǒng)調(diào)和源匹配三項(xiàng)的影響。在這種情況下，采取若干校準(zhǔn)步驟可能比只注意可能達(dá)到的原始性能效果更好。第一步是將短路器置于測(cè)試端口；然后，將測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)短

35、路器的反射（在180°處，=1）歸一化。這稱(chēng)之為響應(yīng)校準(zhǔn)，可消除測(cè)量系統(tǒng)中的頻率響應(yīng)誤差。反射測(cè)量信號(hào)通路更復(fù)雜一些的方法是進(jìn)行單端口校準(zhǔn)。這個(gè)步驟要求測(cè)量幾個(gè)不同的器件，以外推反射測(cè)量的誤差項(xiàng)。第一個(gè)被測(cè)器件是精密負(fù)載，測(cè)得的數(shù)據(jù)是誤差模型的方向性項(xiàng)。然后測(cè)量開(kāi)路器和短路器。根據(jù)這兩組測(cè)量，可能得出系統(tǒng)的源匹配誤差和頻率響應(yīng)誤差。校準(zhǔn)之后，網(wǎng)絡(luò)分析儀的檢波器將儲(chǔ)存誤差項(xiàng)。這些誤差項(xiàng)用來(lái)將測(cè)得的數(shù)據(jù)變換為被測(cè)件反射特性經(jīng)修正后的顯示?！袄硐搿毙?zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)只將測(cè)量修正到它們自身的理想程度。例如，在很高的頻率上，很難制造出理想的固定終端，因此，高頻校準(zhǔn)器件包括了滑動(dòng)終端，利用滑動(dòng)終端，通過(guò)將

36、負(fù)載在空氣線上滑動(dòng)來(lái)形成數(shù)據(jù)點(diǎn)“圓”，可以確定給定頻率上的方向性矢量。此數(shù)據(jù)點(diǎn)圓的圓心就是該頻率上的方向性矢量。· 傳輸測(cè)量 在進(jìn)行二端口器件測(cè)量時(shí)，通常感興趣的是測(cè)量未知器件的反射特性和傳輸特性。這將出現(xiàn)某些必須考慮的有意義的互作用，下圖示出了測(cè)量情況。傳輸測(cè)量的信號(hào)路徑首先看到的是，在被測(cè)件的輸出端，測(cè)量系統(tǒng)的負(fù)載匹配將影響器件的輸入匹配。在傳輸路徑上，頻率響應(yīng)、源失配互作用、負(fù)載失配互作用和串?dāng)_是影響測(cè)量精度的幾個(gè)因素。同反射測(cè)量情況一樣，通過(guò)系統(tǒng)的計(jì)算代表特定測(cè)試系統(tǒng)特性的各項(xiàng)誤差，可能利用已知標(biāo)準(zhǔn)器件的測(cè)量來(lái)對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。下圖是傳輸測(cè)量的信號(hào)流圖和表示式。注意，源

37、匹配MS與S11A的互作用、負(fù)載匹配ML與S21A的互作用、傳輸頻率響應(yīng)誤差Tt和漏泄串?dāng)_（C）誤差。這個(gè)模型還表明，為了精確的得到S22A數(shù)據(jù)，必須知道精確為S11、S12和S22信息。傳輸測(cè)量的信號(hào)流圖利用全二端口測(cè)量校準(zhǔn)可以從數(shù)學(xué)上消除上述誤差的影響。單端口反射校準(zhǔn)用于表征源匹配特性，直通連接用于表征傳輸頻率響應(yīng)和負(fù)載匹配特性，而隔離校準(zhǔn)則用于確定傳輸漏泄或串?dāng)_。一個(gè)完整的全二端口測(cè)量模型包括正向測(cè)量和反向測(cè)量?jī)烧叩哪Ｐ?。為了精確測(cè)量單一S參數(shù)，必須測(cè)量所有參數(shù)。一般校準(zhǔn)方法是利用傳統(tǒng)的開(kāi)路/短路/負(fù)載/直通標(biāo)準(zhǔn)。然而制造這些標(biāo)準(zhǔn)并不總是簡(jiǎn)單易行，尤其是在非同軸媒質(zhì)中更是如此。固定寬帶負(fù)載很難制造，所以，為了獲得更高的精密度，可以用滑動(dòng)負(fù)載代替固定負(fù)載。在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的毫米波頻率上，用偏置負(fù)載和固定負(fù)載建立方向性矢量的中心點(diǎn)。在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中采用了偏置短路，因?yàn)椴豢赡艽嬖陂_(kāi)路標(biāo)準(zhǔn)。直通/反射/傳輸線（TRL）校準(zhǔn)計(jì)算與其它方法相同的12個(gè)誤差項(xiàng)（二端口的方向性、二端口的正向匹配和反向匹配、傳輸和反射的正向和反向統(tǒng)調(diào)以及正向隔離和反向隔離），但利用了直通連接，大的