网络分析仪基本原理分析

1.S参数的测量

网络分析仪最基本的功能是进行双端口网络的散射参数（S矩阵）测量，如图12-16所示。网络分析仪通过频率源在端口1上对被测件DUT进行激励（入射波为a₁），然后测量反射波b₁及传输波b₂，由测得结果可以计算出S₁₁和S₂₁。反过来，将DUT的端口2作为激励输入端（入射波为a₂），同样测量反射波b₂及传输波b₁，由此可计算出S₂₂和S₁₂。

由上述基本操作过程和S参数的定义可知，使用网络分析仪进行S参数测量需要两个基本操作：①通过对DUT终接匹配阻抗Z₀，分别测量双端口的出射波；②通过定向耦合器，对入射波和反射波进行分离。

2.反射参数测量的实现

在四个双端口网络参数中，S₁₁、S₂₂是描述反射特性的参数，对它们进行测量应使用如图12-17所示的反射参数测量系统。

图12-16 散射参数的测量

图12-17 反射参数的测量

图中，电阻式功率分配器和定向耦合器是两个重要的微波部件，功率分配器用于把信号源的输出分成两路；定向耦合器用于将测试信号加到DUT的测试端口，并取出反射信号。参考通道上的“伸长线”实质是一段长度可变的传输线，用于补偿两个通道的传输路径差，可在系统校准时起到相位补偿作用。信号源的输出经功率分配器分为两路：一路作为参考信号R，另一路通过定向耦合器的主传输信道加到待测件DUT上。从DUT反射回来的信号再经耦合器的耦合端口输出，作为测试信号T。

设信号源的出射波为E_S，功率分配器的分配系数分别是c₁、c₂，DUT的入射波为a₁、反射系数为S₁₁，参考信道的信号为R。定向耦合器将DUT的反射波b₁耦合到测试通道，信号为T，耦合系数为c₃。于是有

R=c₁E_S，a₁=c₂E_S，b₁=S₁₁a₁，T=c₃b1

所以

由于c₂c₃/c₁是常数，可以通过诸如校准等方法消除，因此只要能够测得T/R，就可以求出DUT的反射系数S₁₁。

T/R比值的测量使用图12-17中的幅相接收机实现。该设备先对T、R两路输入信号混频，然后在低频上进行幅度、相位的检测和比较。R信号直接进入幅相接收机，而T信号经过了DUT的端口反射，所以它的幅度、相位信息均与DUT的反射特性有关；T与R的幅度和相位比较结果也由此反映了DUT的反射特性。

3.传输参数测量的实现

表征双端口网络传输特性的S参数是S₂₁、S₁₂，对它们的测量应使用如图12-18所示的传输参数测量系统。传输测量与反射测量的原理基本相同，不同之处是DUT必须串接在测试信号通路中，这是传输特性测量的要求。

设信号源的出射波仍为E_S，功率分配器的分配系数分别是c₁、c₂，DUT的入射波为a₁、传输系数为S₂₁，参考信道的信号为R。DUT的传输波b₂加到测试通道，信号为T。于是有(www.xing528.com)

R=c₁E_S，a₁=c₂E_S，b₂=S₂₁a₁=c₂E_SS₂₁=T

所以

类似地，只要通过幅相接收机测出比值T/R，就可以求出传输系数S₂₁。

4.网络分析仪概述

网络分析仪是将被测对象等效为单端口或多端口网络，并在单端口或多端口网络参数的基础上建立被测对象的数学模型，然后对数学模型进行定量分析和计算的系统。网络分析仪以双端口网络分析为基础。一个典型的网络分析仪主要由信号源、S参量测量装置及矢量电压表组成。一个基本的网络分析仪简化框图如图12-19所示。

图12-18 传输参数的测量

图12-19 网络分析仪简化框图

图中，信号源用于向被测网络提供入射信号或激励。S参量测量装置实际上是反射测量电路与传输测量电路的组合，它首先把入射信号、反射信号以及传输信号分离开来，然后通过转换开关实现对它们的分别测量。矢量电压表用来测量入射、反射和传输信号的幅度值及它们之间的相位差，这一部分的功能也可以用幅相接收机实现。

网络分析仪一般分为标量网络分析仪（Scalar Network Analyzer，SNA）和矢量网络分析仪（Vector Network Analyzer，VNA）。标量网络分析仪只测量线性系统的幅度特性，矢量网络分析仪可同时测量幅度传输特性和相位特性。这些网络分析仪大多是先利用某种变频方式转移至较低频率上，然后由两路幅相接收机进行幅相测量（矢量网络分析仪），或者只测量反射和传输参数的幅值（标量网络分析仪）。

标量网络分析仪与矢量网络分析仪的简单比较见表12-2。

表12-2 标量/矢量网络分析仪的比较

无论何种网络分析仪，都是通过测定网络的反射参数和传输参数，从而实现对网络中元器件特性的全部参数进行全面的测量。初期对这类问题的解决方案如：利用开槽线测出被测网络终接不同负载时的复反射系数，由此计算求解网络参数；终接可移短路活塞的多点图解法等。这些方法不能满足大量、快速及宽带测量的需要。到20世纪60年代中期，出现了能在很宽频段内进行扫频测量并显示全部S参数幅相数值的网络分析仪；其后进一步发展为由微处理器控制、在一系列步进频点上自动测量网络参数并能够自动实现误差修正和数据处理的自动网络分析仪。

由于计算机技术的不断成熟以及测量仪器和计算机越来越紧密的结合，现代矢量网络分析仪不但具备自动扫频测试能力，而且具备了自动完成误差校准测量、实现高速修正计算的强大的计算能力，在准确度、速度和灵活性上均达到非常高的水平。随着微波测量技术的发展，矢量网络分析仪得到了越来越广泛的应用。本章主要对矢量网络分析仪进行介绍。