矢量网络分析仪基础知识和S参数测量

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矢量网络分析仪基础知识及S参数测量

§1 基本知识

1.1 射频网络

这里所指的网络是指一个盒子,不管大小如何,中间装的什么,我们并不一定知道,它只要是对外接有一个同轴连接器,我们就称其为单端口网络,它上面若装有两个同轴连接器则称为两端口网络。注意:这儿的网络与计算机网络并不是一回事,计算机网络是比较复杂的多端(口)网络,这儿主要是指各种各样简单的射频器件(射频网络),而不是互连成网的网络。

。因为只有一个口,总是接在最后又称 1.单端口网络习惯上又叫负载Z

L

终端负载。最常见的有负载、短路器等,复杂一点的有滑动负载、滑动短路器等。

·单端口网络的电参数通常用阻抗或导纳表示,在射频范畴用反射系

)更方便些。

数Γ(回损、驻波比、S

11

2.两端口网络最常见、最简单的两端口网络就是一根两端装有连接器的射频电缆。

·匹配特性两端口网络一端接精密负载(标阻)后,在另一端测得的反射系数,可用来表征匹配特性。

·传输系数与插损对于一个两端口网络除匹配特性(反射系数)外, 还有一个传输特性,即经过网络与不经过网络的电压之比叫作传输系数T。

插损(IL)= 20Log│T│dB ,一般为负值,但有时也不记负号,Φ即相移。

·两端口的四个散射参量测量 两端口网络的电参数,一般用上述的插损与回损已足,但对考究的场合会用到散射参量。两端口网络的散射参量有4个,即S 11、S 21、S 12、S 22。这里仅简单的(但不严格)带上一笔。

S 11与网络输出端接上匹配负载后的输入反射系数Г相当。注意:它是网络

的失配,不是负载的失配。负载不好测出的Γ,要经过修正才能得到S 11 。

S 21与网络输出端匹配时的电压和输入端电压比值相当,对于无源网络即传

输系数T 或插损,对放大器即增益。 上述两项是最常用的。

S 12即网络输出端对输入端的影响,对不可逆器件常称隔离度。

S 22即由输出端向网络看的网络本身引入的反射系数。

中高档矢网可以交替或同时显示经过全端口校正的四个参数,普及型矢网不具备这种能力,只有插头重新连接才能测得4个参数,而且没有作全端口校正。

1.2 传输线

传输射频信号的线缆泛称传输线。常用的有两种:双线与同轴线,频率更高则会用到微带线与波导,虽然结构不同,用途各异,但其基本特性都可由传输线公式所表征。 ·特性阻抗Z 0 它是一种由结构尺寸决定的电参数,对于同轴线:

式中εr 为相对介电系数,D 为同轴线外导体内径,d 为内导体外径。

·反射系数、返回损失、驻波比 这三个参数采用了不同术语来描述匹配特性,人们希望传输线上只有入射电压, 没有反射电压, 这时线上各处电

压一样高,只是相位不同,而实际上反射总是存在的, 这就需要定义一个参

数。•式中Z

L 为负载阻抗, Z

为同轴线的特性阻抗。

•由于反射系数永远≤1, 而且在甚高频以上频段手边容易得到的校准装置为

衰减器,所以有人用返回损失(回损)R.L.来描述反射系数的幅度特性,并且将负号扔掉。

••••回损R.L. = 20Log│ΓdB (1.4)

有反射时, 线上电压即有起伏, 驻波比(S.W.R)是使用开槽测量线最易得

到的一个参数,比较直观。

当|Г|<< 1时,ρ= 1 + 2│Γ│ (1.6)

•本仪器三种读数皆有, 可任意选用。

·阻抗圆图

如A,B两个规格的天线,若只在标网上选择,肯定选B而不要A,而在矢网上看,A比B有潜力得多,加个电容就比B好了。这种情况是大量存在的,在全波振子对测试中就是这种情况。因此,在调试中首先要将天线阻抗调集中(在圆图上成团)。举例来看,反射网与振子高度调节就有这种情况,折合振子单边加粗也有这种情况,然后再采取措施(如并电容,串电感,调短路片位置,改平衡器内导体等)使其匹配。而且经常不是使中频处于圆图中心,而是使整个频带处于中心某一小圆内,即牺牲一下中频性能,来换取总带宽。

阻抗圆图上适于作串联运算,若要作并联运算时,就要转成导纳;在圆图上这非常容易,某一点的反对称点即其导纳。请记住当时的状态,作阻抗运算时图上即阻抗,当要找某点的导纳值时,可由该点的矢徑转180°即得;

此时圆图所示值即全部成导纳。状态不能记错,否则出错。记住,只在一个圆图上转阻抗与导纳,千万不要再引入一个导纳圆图,那除了把你弄昏外,别无任何好处。另外还请记住一点,不管它是负载端还是源端,只要我们向里面看,它就是负载端。永远按离开负载方向为正转圆图,不要用源端作参考,否则又要把人弄昏。圆图作为输入阻抗特性的表征,用作简单的单节匹配计算是非常有用的,非常直观,把复杂的运算用简单的形象表现出来,概念清楚。但对于多节级连的场合,还是编程由计算机优化来得方便。

·传输线的传输参数同上面两端口网络,不再重复。

1.3 有关仪器的几个术语

·网络分析仪能测单或两端口网络的各种参数的仪器, 称网络分析仪。只能测网络各种参数的幅值特性者称为标量网络分析仪,简称标网。既能测幅值又能测相位者称为矢量网络分析仪,简称矢网,矢网能用史密斯圆图显示测试数据。

·连接电缆一根两端装有连接器的射频电缆叫连接电缆(也有称跳线的),反射特小的连接电缆称测试电缆。

·反射电桥为了测得反射系数,需要一种带有方向性(或定向性)并保持相位信息的器件,如定向耦合器或反射电桥,本仪器采用的是反射电桥,它的输出正比于反射系数。其原理与惠司顿电桥完全相同,只不过结构尺寸改小适于高频连接,并且不再想法调平衡,而是直接取出误差电压而已。反射电桥一般只能测同轴线等单端馈线系统。

·差分电桥能测双线馈线系统的反射电桥称差分电桥。

·谐杂波抑制能力一般国产扫频源的谐杂波在-20dB左右,甚至杂散波只有-15dB,进口扫频源好的也就在-30dB多一些,外差式接收机对谐杂波的抑制能力皆在40dB以上,不会出现什么问题。而对于宽带检波低放的扫频仪与

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