网络分析仪基础
1 网络分析基本概念
1.1线性器件/系统和非线性器件/系统的区别
在对输入信号处理的过程中，许多器件/系统具有线性和非线性特性，不同特性的传输特性当然对输出信号有不同的影响。
具有线性传输特性的器件/系统对于输入信号只产生幅度和相位的变化，而不会产生新的频率成分。
非线性器件/系统能对输入信号的频率进行搬移，或产生新的频率成份，如谐波和交调。
许多在通常信号条件下具有线性特性的器件/系统可能会表现出非线性，如进入饱和区的放大器，这种情况对于无源器件(电缆；滤波器)和有源器件(放大器)都是存在的。
图1 线性系统与非线性系统的区别
当用于系统传输信号时，传输信道电路应保证对输入信号不产生波形变化的失真。非线性器件/系统会产生新的频率成分，肯定会引起输出信号波形变化。
但是，线性器件/系统，也会使波形发射变化。
要满足波形不失真传输要求，器件/系统传输特性需满足：
幅度/频率特性在工作频率范围内要保持恒定，相位/频率特性在工作频率范围内保持线性。
图2 线性系统满足波形不失真的条件
下面的例子可以反映器件/系统的幅度/频率特性对传输信号的影响。
例中线性网络的激励输入信号为类似方波波形，该信号在频域上包含三个频率成份：基波；二次谐波；三次谐波。该信号通过线性网络时，线性网络具有的幅度/频率特性对基波和三次谐波衰减大，使输出信号频谱发生变化，相应时域波形从方波变为圆滑类似正弦波形。
这是为什么对放大器，滤波器等器件在工作频带范围内幅/频抖动(ripple)有严格要求的原因。
图3 线性系统幅频特性对传输信号的影响
类似的例子可以反映器件/系统相位/频率特性对传输信号波形的影响。
在器件/系统实际工作中传输的信号都是占有一定频率带宽的调制信号，如果器件/系统的相位/频率特性不线性就会使调制信号波形发生变化，造成信号失真。
图4 线性系统相频特性对传输信号的影响
1.2反射特性参数定义
减小反射的目的是保证信号能在器件中有效地进行功率传输。对于低频率信号，信号的波长远大于传输器件的长度，一根简单的传输线对于传输功率就是有用的，电流很容易在传输线上进行传播，传输线上测试点位置对测量的电压电流读值影响不大。
对于频率高的信号，传输信号的波长等于或小于器件的尺寸，在传输线上不同测试点得到的电压/电流都会不同。
下面以传输线为例，研究传输线在不同负载情况下反射特性变化的规律。
当传输线端接负载与传输线特性阻抗相同时，输出到负载上的信号功率最大。传输线上只有正向传输信号，信号波形为衡定包络正弦波，传输效果等效为无穷长传输线。
提到传输线特性阻抗，对于所有形式的传输线，如：同轴电缆，波导；双绞线；微带线；耦合线等。其特性阻抗反映传输线上信号电压与电流关系。特性阻抗只与传输线物理参数有关，如：同轴线内导体外径；外导体内径；介质介电常数（er）而和工作频率及传输线长度无关。
对于低功率工作场合，如；cable TV，系统要求很小传输损耗，系统特性阻抗规定为75欧姆，对于其它射频/微波系统，考虑功率容量和传输损耗的折衷，特性阻抗规定为50欧姆。
当传输线终端开路或短路时，所有输入信号功率被反射到入射端造成全反射。
1. 传输线终端开路时，开路端电流为零，端点反射信号电流与输入信号电流幅度相等，相位相反。而反射信号电压与输入信号电压同相。满足欧姆定理。
2. 传输线终端短路时，开路端电压为零，端点反射信号电压与输入信号电压幅度相等，相位相反。而反射信号电流与输入信号电流同相。满足欧姆定理。
发生全反射时，传输线上同时存在正向输入信号和同功率的反射信号。这两个信号在传输线上失量叠加，形成驻波。驻波的波峰为输入信号电压2倍，谷值为零。
在其它情况下，如传输线终端接25欧姆电阻时，输入信号的一部分被反射。反射信号和输入信号进行矢量叠加从而引起波形包络起伏变化。
总结前面各种反射现象，当复杂系统中由级联电路组成，第2级电路的输入阻抗是第1级电路的负载，在阻抗满足共轭匹配条件时，负载上得到最大功率传输。
当阻抗不匹配时，就会产生发射信号，也就是说；造成器件端口反射的根本原因是阻抗不匹配，研究器件的反射特性与研究器件的端口阻抗等效。
有时共轭匹配是通过调整源阻抗来完成。例如；发射机功放与天线的匹配，设计工程师必须在天线的整个频率范围内优化放大器的输出阻抗，以保证最大射频功率通过天线发射出去。
图5 反射特性参数定义总览
需要定义定量的参数来精确反映器件(系统)的反射特性。
反射系数是反射电压入射信号电压比值，反射系数为矢量，包含幅度和相位信息。分别反映反射信号与入射信号的幅度比值和相位差。
造成反射的根本原因为阻抗不匹配，这个结论通过反射系数的计算公式可以得到直接反映。
反射损耗是反射信号与输入信号功率比值，为标量。
驻波比是通过传输线上信号包络起伏大小来定义，当全匹配时，传输线上只有输入信号，包络恒定，VSWR=1。
1.3史密斯圆图
Smith Chart 圆图反映阻抗Z与反射特性的对应关系，所以圆图应定量反映阻抗特性和反射特性。
Smith Chart 圆图就是反射系数和阻抗指标的对应关系的形象反映。
对于确定的阻抗值Z=R+JX，在圆图上有确定的某点位置与之对应，R值对应相应大小等电阻圆，X值对应等电抗圆。等电阻圆和等电抗圆交点为Z。该点半径为阻抗Z对应的反射系数模值，夹角为反射系数相位。
圆图的周期为传输线信号波长/2。圆图旋转一圈代表传输线传输电长度为l/2，案半圈为l/4。
图6 史密斯圆图对阻抗和反射的描述
1.4传输特性参数定义
与反射参数的定义相似，可得到传输参数。传输特性为器件输出信号和输入信号的比值。
传输系数为信号电压比值，包含幅度信息和相位信息，为矢量。
对于功率比值，根据器件是对输入信号进行放大还是衰减，功率比值定义为；增益和差损。
图7 传输特性参数定义总览
1.5群延迟
群时延是定量反映被测件相位失真的指标，群时延是信号在通过被测件的传输时间与工作频率关系的测量。被测件的相位特性为理想线性时，群时延为固定直线。
对群时延的测量关心两个读值；
1．群时延平均值；该值反映信号在器件中的平均传输延时，
2．群时延抖动；反映被测件的相位非线性。
群时延的测量是通过对相位/频率特性进行数学微分得到，微分过程中定义的计算区间称为；孔径(aperture)。
图8 群延迟的定义
通过电延迟补偿得到的被测件非线性相位误差和群时延两项指标都可以定量反映被测件的相位非线性。
而群时延指标更能精确反映相位非线性。上图的例子表明; 相位波动峰-峰值相同的被测件产生的群时延可能有明显不同。右图中器件群时延抖动较大，会引起更大的信号失真。
图9 通过群时延指标反映器件相位线性
图10 完整的器件指标描述
1.6 S参数的含义
为了全面表征一个未知的线性多端口器件，我们必须在不同的条件下进行测量并计算一组参数，即便在源和负载条件与测量不相同的场合，这些参数也能用来全面描述所测试器件（或网络）的电气性能。低频器件或网络的表征通常是建立在测量H、Y和Z参数的基础上，为此，必须测量器件的输入或输出端口上或网络节点上的总电压和总电流，而且测量必须在开路状态和短路状态下进行。
由于很难测量高频总电流或总电压，故通常代之以测量S参数。这些S参数与一些熟悉的测量，如增益、损耗或反射系数均有联系。它们能相当简单地加以测量，而无需将不适宜的负载连接到被测器件上。测得的多个器件的S参数可以利用矩阵运算预示整个系统的性能。S参数无论在线性或非线性CAE电路仿真工具中都很容易使用，而H、Y和Z参数在必要时则可从S参数导出。
图11 S参数的优势
S参数可全面直观表示一个器件(系统)的性能指标。对于20dB衰减器，20dB为功率对数表示，转换为相应线性电压表示为：0。1。输入端驻波比1。2，转换为反射系数为0。09。
当然S参数应包含相位信息，对于象衰减器这样的互易器件，其S12=S21。微波晶体管是非互易器件，其S参数随频率及工作电平变化很大。器件的生产厂商应提供各频率范围内及直流偏置条件下S参数数值。
图12 S参数的含义
下面以双端口器件为例，介绍S参数的数学定义。
双端口器件的S参数包含四个参数(N端口器件S参数包含N^2个参数)。S参数的定义是基于信号电压比值的参数，所以S参数为矢量。
S参数下标注的意义是：第一个数字代表信号输出端口，第二个数字代表信号输入端。Sab：表示被测件端口b到端口a的传输系数，例；被测件输入端为：1端口；输出端：2端口。
S11：当被测件输出端接匹配负载时，输入端反射系数；
S21：当被测件输出端接匹配负载时，器件端口1Þ端口2传输系数。
图13 双端口S参数的定义
2 网络分析仪工作原理
2.1 网络分析仪组成框图
下图所示为网络分析仪内部组成框图。 为完成被测件传输/反射特性测试，网络分析仪包含；
1．激励信号源；提供被测件激励输入信号
2．信号分离装置，含功分器和定向耦合器件，分别提取被测试件输入和反射信号。
3．接收机；对被测件的反射，传输，输入信号进行测试。
4．处理显示单元; 对测试结果进行处理和显示。
图14 网络分析仪组成框图
传输特性是被测件输出与输入激励的相对比值， 网络分析仪要完成该项测试，需分别得到被测件输入激励信号和输出信号信息。
网络分析仪内部信号源负责产生满足测试频率和功率要求的激励信号，信号源输出通过功分器均分为两路信号，一路直接进入R接收机，另一路通过开关输入到被测件相应测试口，所以，R 接收机测试得到被测输入信号信息。
被测件输出信号进入网络分析仪B接收机，所以，B接收机测试得到被测件输出信号信息。B/R为被测试件正向传输特性。当完成反向测试测试时，需要网络分析仪内部开关控制信号流程。
图15 网络分析仪传输测试信号流程
反射特性是被测件反射与输入激励的相对比值， 网络分析仪要完成该项测试，需分别得到被测件输入激励信号和测试端口反射信号。
网络分析仪内部信号源负责产生满足测试频率和功率要求的激励信号，信号源输出通过功分器均分为两路信号，一路直接进入R接收机，另一路通过开关输入到被测件相应测试口，所以，R 接收机测试得到被测输入信号信息。
激励信号输入到被测件后会发射反射， 被测件端口反射信号与输入激励信号在相同物理路径上传播，定向耦合器负责把同个物理路径上相反方向传播的信号进行分离，提取反射信号信息，进入A接收机。
A/R 为被测试件端口反射特性。当需要测试另外端口反射特性时，需网络分析仪内部开关将激励信号转换到相应测试端口。
图16 网络分析仪反射测试信号流程
2.2 信号源
信号源提供被测件激励信号，由于网络分析仪要测试被测件传输/反射特性与工作频率和功率的关系。所以，网络分析仪内信号源需具备频率扫描和功率扫描功能。
为保证测试的频率精度，现在网络分析仪内信号源采用频率合成方法实现。当扫宽设置为零时，输出信号为点频CW信号。
网络分析控制其输出功率依靠ALC和衰减器两个部分完成。 ALC保证输入信号功率的稳定和功率扫描控制，由于ALC控制范围有限，需衰减器完成大范围功率调
图17 网络分析仪中的信号源
2.3 信号分离装置
网络分析仪内部功分器和定向耦合器分别完成对被测件输入信号和反射信号的提取。其中当要测试被测件某个端口反射特性时，必须将定向耦合器直接连接在该测试端口上。
这两部分统称为信号分离装置，这部分硬件也通常被测试为“测试座”，在一些特殊测试场合(大功率测试等)可不使用网络分析仪表一体化的内置测试座，而使用外置测试座设备。
图18 网络分析仪中的信号分离装置
电桥用于反射性能测试，电桥可覆盖很宽频率范围，电桥的主要缺点是对传输信号有较大损耗。因此对于给定的信号源功率。结果导致输入到被测件的功率损失。
定向耦合器负责分离反射测试中的激励信号和反射信号，这个功能也可由电桥完成，与定向耦合器相比，电桥可覆盖更宽的频率范围，单其对测试的传输信号有较大损耗。
定向耦合器是三端口器件；其三个端口为； 输入端，输出端和耦合端。
在反射测试中之所以需要定向耦合器，是利用定向耦合的定向传输特性。当把信号由定向耦合器输入端接入时，耦合端有耦合输出，此时称为正向传输，定向耦合器相当于不均分功率分配器。
在正向传输中，耦合器耦合输出与输入功率比值比定义为耦合度。
图19 定向耦合器正向传输特性
对于理想定向耦合器，当信号由耦合器输出端接入反向工作时，耦合端没有输出。这是因为输入功率被耦合器内部的负载和主臂终端外接负载所吸收，这就是定向耦合器的单向传输性。
实际定向耦合器反向工作时，耦合端会有泄露输出， 反向工作时耦合端输出与输入信号功率比定义为定向耦合器隔离度。
图20 定向耦合器反向传输特性
对定向耦合器测试的重要指标为其方向性(Directivity)，方向性为定向耦合器反向工作隔离度与正向工作耦合度差值。方向性指标反映耦合器分分离正反两个方向信号的能力。可以被视为反射测试的动态范围。
测量定向耦合器有一种简易方法，不需要正向和反向连接测试。当定向耦合器内部负载损耗功率相当小时，该方法得到的结果与真实值相近。
首先，在主臂输出端接一个短路负载，由于全反射，耦合端输出反映耦合度，对该值进行规一化处理后端接匹配负载。此时耦合端只是有限隔离度引起的泄露信号。因为已经进行了规一化处理，最后读值就是耦合器方向性。
反射测试中，定向耦合器对于被测件反射信号而言是正向连接，定向耦合器耦合端输出反映反射信号信息。
网络分析仪测试反射特性时，由于定向耦合器有限的方向性影响，耦合器耦合端会包含泄露的输入激励信号，该信号会与反射信号进行矢量叠加，造成反射指标测试误差。
被测件匹配性能越好，定向耦合器方向性对测试影响越大。