矢量网络分析仪基础知识和S参数的测量

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。

。因为只有一个端口，总是接在最后又 1．单端口网络习惯上又叫负载Z

L

称终端负载。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够，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

它是一种由结构尺寸决定的电参数，对于同轴线：

式中ε

r

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标网，不外接滤波器对寄生谐杂波是没有抑制能力的，有时就会出现下面几种问题：滤波器带外抑制会被测小，天线驻波会被测大，窄带天线增益会测低。