网络分析仪原理及使用

网络分析仪原理及使用

康飞---芬兰贝尔罗斯公司

2007年10月

一般而言，网络分析仪在射频及微波组件方面的量测上，是最基本、应用层次也最广的仪器，它可以提供线性及非线性特性组件的量测参数，因此，举凡所有射频主被动组件的仿真、制程及测试上，几乎都会使用到。在量测参数上，它不但可以提供反射系数，并从反射系数换算出阻抗的大小，且可以量测穿透系数，以及推演出重要的S参数及其它重要的参数，如相位、群速度延迟(Group Delay)、插入损失(Insertion Loss)、增益(Gain)甚至放大器的1dB压缩点(Compression point)等。

基本原理

电子电路组件在高频下工作时，许多特性与低频的行为有所不同，在高频时，其波长与实际电路组件的物理尺度相比会相对变小，举例来说，在真空下的电磁波其速度即为光速，则c=λ×f，其中c为光速3×108m/sec，若操作在2.4GHz的频率下，若不考虑空气的介电系数，则波长λ=12.5cm，亦即在短短的数公分内，电压大小就会因相位的偏移而有极大的变化。因此在高频下，我们会使用能量及阻抗的观念来取代低频的电压及电流的表示法，此时我们就会引入前述文章所提「波」的概念。

光波属于电磁波的一种，当我们用光分析一个组件时，会使用一个已知的入射光源测量未知的待测物，当光波由空气到达另一个介质时，会因折射率的不同产生部分反射及部分穿透的特性，例如化学成分分析上使用的穿透及反射光谱。对于同样是属电磁波的射频来说，道理是相通的，光之于折射率就好比微波之于阻抗的概念，当一个电磁波到达另一个不连续的阻抗接口时，同样也会有穿透及反射的行为，从这些反射及穿透行为的大小及相位变化中，就可以分析出该组件的特性。

用来描述组件的参数有许多种，其中某些只包含振幅的讯息，如回返损耗(R.L. Return Loss)、驻波比(SWR Standing Wave Ratio)或插入损失(I.L. Insertion Loss)等，我们称为纯量，而能得到如反射系数(Γ Reflection coefficient)及穿透系数

(Τ Transmission coefficient)等，我们称之为向量，其中向量可以推导出纯量行为，但纯量却因无相位信息而无法推导出向量特性。

重要的向量系数

反射特性

在此，我们重点介绍几个重要的向量系数︰首先，我们从反射系数来定义，其中Vrefect为反射波、Vinc为入射波，两者皆为向量，亦即包含振幅及相位的信息，而反射系数代表入射与反射能量的比值，经过理论的演算，可以从传输线的特性阻抗

ZO(Characteristic Impedance)得到待测组件的负载阻抗ZL，亦即，在网络分析中，一般使用史密斯图(Smith Chart)来标示不同频率下的阻抗值。另外，反射系数也可以使用极坐标表示：，其中为反射系数的大小，φ则表示入射与反射波的相位差值。

接下来，介绍两个纯量的参数--驻波比及回返损耗，其中驻波的意义是入射波与被待测装置反射回来的反射波造成在传输线上的电压或电流驻波效应，而驻波比(SWR)的定义就是驻波中的最大与最小能量的比值，我们可以从纯量的反射系数中得到。

同样，我们也可以从ρ值定义出回返损耗(R.L.)，其意义是反射能量与入射能量的比值，其值愈大，代表反射回来的能量愈小。对于反射系数所衍生的相关纯量参数，我们将其整理成表1，基本上，它们之间是换算的过程，会因为产业及应用的不同而倾向于使用某一参数。

REMARK:

驻波系数又叫做驻波比,如果电缆线路上有反射波,它与行波相互作用就会产生驻波,这时线上某些点的电压振幅为最大值Vmax,某些点的电压振幅为最小值Vmin,最大振幅与最小振幅之比称为驻波系数.驻波系数越大,表示线路上反射波成分愈大, 也表示线路不均匀或线路终端失配较大.为控制电缆的不均匀性,要求一定长度的终端匹配的电缆在使用频段上的输入驻波系数S不超过

某一规定的数值.电缆中不均匀性的大小,也可用反射衰减来表示.反射系数的倒数的绝对值取对数,称为反射衰减.反射衰减愈大,

即反射系数愈小,也就是驻波比愈小,即表示内部不均匀性越小.

穿透特性

对于穿透的特性，一样有分为纯量与向量两种，对于向量系数而言，最重要的就是穿透系数，其中Vtrans为经过待测物后的穿透波、Vinc为入射波，而τ即为穿透系数的纯量大小，θ则表示入射与穿透波的相位差值。

对于纯量的定义上，以被动组件而言，最常使用的就是插入损失(I.L. Insertion Loss)，亦即与上述的τ值是相关的参数，定义为。若为主动组件如放大器等，穿透的信号有放大的效应则为增益(Gain)，此时定义为。

对于向量的行为，则计有插入相位(Insertion Phase)，其表示入射与穿透信号的相位差，我们可以从相位的变化中，推导出另一个很重要的参数-群速延迟(G.D. Group Delay)，它代表的意义就是不同频率的波在一段传输线中，因介电材料或其它边界效应(Boundary condition)的影响，使到达时间不同而产生的延迟现象，其中又有分为平均延迟时间(Average Group Delay)与波浪(Ripple)或称为平坦度(Flatness)的定义，前者表示不同频率到达的平均时间，并可以从中推算出电气长度(Electrical Length)，后者则表示不同频率间的到达时间差，一般我们会希望平坦度愈小愈好，如此在通讯上不致造成信号失真的问题。

散射参数(Scattering parameter)

在高频的量测上，S参数提供了相当有用的定性量测方法，以便分析双端口甚至是多端口组件的所有特性，如放大器、滤波器、天线以及缆线等，S参数与低频的Z、Y参数定义相当类似，但不同的是S参数是采用入射、反射及穿透波能量来描述待测装置的输入及输出端口特性，而不若Z、Y参数必须找到电压或电流的开路或短路的解，使得在高频领域下的应用更为广泛。图2

则是两端口组件S参数的表示方式，其中a表示发射源，b则为接收器，而a、b的下标则代表从第一埠(Port 1)或第二埠(Port 2)来量测，如a1则表示从第一端口的发射信号源，b2则表示在第二端口的信号接收器。

以一个双端口组件而言，会衍生出四个S参数，若为三埠或多端口以上的组件，就会有N2个相对应参数，基本上，在微波工程中常用以矩阵来表示。而每一个S参数，都有其对应的边界条件，如，即表示第二端口时没有信号反射时，亦即待测物输出端有负载阻抗的匹配时，所得到待测物在输入端的反射系数。

基本上，网络分析仪的架构可以分成四大部分：一个是信号的发射源，另一种为用以分离入射、反射及穿透波的信号分离电路，第三是将射频或微波信号转换至中频信号的接收器，最后是负责将侦测信号作运算处理的处理器及显示屏。

信号源担任激励(Stimulus)的角色

信号源在网络分析仪中是担任一个激励(Stimulus)的角色，主要是提供一个扫频或功率扫描的信号送到待测物上，当信号打到待测物之后，就会反应出穿透或反射的行为，据此，我们就可以得到某个频率或功率范围下的响应，而信号源的频率范围、频率稳定度、信号纯度以至于功率位准即位准控制能力都会影响量测的结果，一般用于网络分析仪中大致有两类，其一是振荡器(Oscillator)，另一个是合成器(Synthesizer)，前者好处是价格低廉，但频率稳定度及精确度远不及后者，若我们量测的组件其响应变化优于振荡器时，如量测晶体滤波器的残存FM(residual FM)频宽时，就应该采用更稳定的合成器信号源。

信号分离电路将入射、反射及穿透信号分离处理

当信号源产生入射的信号行为后，接下来就是要将入射、反射及穿透信号予以分离处理，进而侦测每一分量的振幅及相位特性。担任信号分离工作的是一些被动组件，主要有单向耦合器(Directional Coupler)、电桥(Bridge)、功率分离器(Power Splitter)等，图4中即为单向耦合器的示意图，其中主路径只有单一方向的功率行进情况下，才会有能量被耦合到耦合路径上，而被耦合的路径的信号位准通常较低，而下降位准的总量称为耦合因子(Coupling Factor)，例如耦合因子为20dB的单向性耦合器，代表入射信号的1%能量会耦合到耦合路径上，而99%的功率则仍在主路径上行进。另一个单向耦合器的重要参数为方向性(Directivity)，其定义为：

Directivity(dB)=Isolation(dB) - Coupling Factor(dB) - Loss(dB)

代表信号在顺向及逆向所检测到的信号差，造成方向性误差的来源有信号的泄漏(Leakage)或称为隔绝性(Isolation)、耦合器内部及接头阻抗不匹配的反射(亦即耦合因子)等。在仪器内部中，方向性应尽可能的好，一般至少要在30dB以上，如此才不致受到信号泄漏的误差而影响量测。

而功率分离电路的特性是将入射信号分离成两个路径，一般而言，两个分离信号的功率位准比原入射信号低6dB，分离器的主要目的是产生一个具有与信号源完全匹配的量测环境，一般连接的方式是将其中一个输出路径连接到参考接收器

(Reference Detector)，而另一个输出路径则连接到待测物上，若在待测物的输出端后接上一个传输接收器

(Transmission Detector)，就可以从两个功率比值中得到穿透系数，综而言之，功率分离器是一个宽频且良好频率响应的组件，并能与信号源及接收器间有良好的匹配。

第三种是电桥，其工作原理类似于惠斯同电桥(Wheatstone Bridge)，其等效于单向性耦合器的方向性定义为最大的平衡值(Maximum Balance，即接上完美的负载)与最小的平衡值(Minimum Balance，即接上开路或短路)所得的比率(dB)，是单向耦合器的替代方案。在量测上，与单向耦合器不同的地方是它可以工作在直流下，因此仪器可以有较大的频率量测范围，一般单向耦合器有高通(High Pass)的反应现象，因此在低于40MHz以下就必须用电桥来取代。但电桥也有其缺点，因为它的信号位准从待测物传回值较小，因此会有较大的损耗，相较于单向耦合器则具有低损耗(Low Loss)的优点，电桥则减少了量测的动态范围。