若干電氣元件相互連接形成的系統(tǒng)叫做網(wǎng)絡(luò)。“網(wǎng)絡(luò)”可以作為電路的代名詞，“網(wǎng)絡(luò)分析”就是電路分析，只是平常很少這樣說，由此增添了幾分神秘色彩。到了射頻通信領(lǐng)域，可以把任何具有一個(gè)以上端口的電路單元稱為網(wǎng)絡(luò)，并且常常把這種網(wǎng)絡(luò)視為“黑箱”，并不去關(guān)心電路單元內(nèi)部是怎么回事，而是給端口加上適當(dāng)?shù)募?lì)信號(hào)，測試電路的反應(yīng)，從而表征這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。射頻通信領(lǐng)域常說的“網(wǎng)絡(luò)分析”，就是這種以端口為界，描繪射頻電路性能的工作。

CHRENT散射參數(shù)

為了進(jìn)一步了解網(wǎng)絡(luò)分析給我們帶來的便利，有必要先了解網(wǎng)絡(luò)分析的語言——散射參數(shù)。圖（1）是一個(gè)Π型衰減器，圖（2）是它的電路圖，如何最簡單明確的描述它的性能呢？熟悉傳統(tǒng)電路分析的人不難想到，可以先把右邊的端口開路，然后用萬用表測試左邊的電阻；再把左邊開路，測試右邊的電阻。給左邊通上適當(dāng)?shù)?a href="http://www.nxhydt.com/tags/電流/" target="_blank">電流，然后用電壓表測試右邊的電壓，然后反過來再測試一次。根據(jù)這些數(shù)據(jù)依次得到四個(gè)參數(shù)：開路輸入電阻、開路輸出電阻，開路正向傳輸電阻、開路反向傳輸電阻。當(dāng)看到這一堆似曾相識(shí)參數(shù)之后，您一定會(huì)問：這東西與衰減器有啥關(guān)系，大家喜聞樂見的衰減量是多少？

圖1

圖2

這個(gè)例子說明，在低頻電路上常用的Z參數(shù)（開路阻抗參數(shù)），用在射頻通信領(lǐng)域既不符合習(xí)慣，也難以測量。

歸納起來，有三個(gè)重要原因促使我們選擇一種新的參數(shù)來描述電路：

（1）大多數(shù)射頻電路不允許端口開路或短路，因?yàn)檫@樣做會(huì)讓電路偏離預(yù)定的工作狀態(tài)；

（2）波長很短的時(shí)候，即使信號(hào)只傳播很短距離，也會(huì)發(fā)生不可忽視的相位移動(dòng)，使測試計(jì)算變得非常困難；

（3）需要有一整套方法，能夠根據(jù)所得到的參數(shù)迅速簡便的設(shè)計(jì)電路。基于上述原因，散射參數(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

散射參數(shù)

散射參數(shù)（Scattering Parameters）常被簡稱為S參數(shù)。和阻抗參數(shù)類似，對(duì)于有兩個(gè)端口的網(wǎng)絡(luò)（例如衰減器）而言，它也包括四個(gè)部分，用Sij表示，其中，i表示待檢測端口，j表示激勵(lì)信號(hào)的入射端口：

S11：被測器件（device under testing，簡稱DUT）的一個(gè)端口對(duì)信號(hào)的反射量，又稱回波損耗；

S21：信號(hào)通過被測器件時(shí)產(chǎn)生的變化（幅度和相位變化，又稱插損或增益）；

S12：信號(hào)以相反方向通過被測器件時(shí)產(chǎn)生的變化；

S22：被測器件的另一個(gè)端口對(duì)信號(hào)的反射量。

當(dāng)一個(gè)端口在測試時(shí)沒有被用到時(shí)，應(yīng)接上匹配負(fù)載，于是電路能夠非常接近正常的工作狀態(tài)。測量散射參數(shù)，只需要了解信號(hào)流經(jīng)被測器件時(shí)產(chǎn)生的變化，同時(shí)又不會(huì)對(duì)電路的正常工作造成影響，因此更加簡單、直接。后面將要介紹的網(wǎng)絡(luò)分析儀，就是專門測量散射參數(shù)的裝置。

通過數(shù)學(xué)計(jì)算，散射參數(shù)能夠被轉(zhuǎn)換為其它類型的參數(shù)。

CHRENTS參數(shù)是歸一化的相對(duì)值

四個(gè)S參數(shù)都代表出射信號(hào)與入射信號(hào)的電壓比（或功率比，在計(jì)算時(shí)應(yīng)統(tǒng)一）。還是用衰減器來舉例，圖（2）中，入射信號(hào)的功率是1W，經(jīng)過待測器件，輸出0.1W，則S21=0.1/1=0.1。換算成分貝值則為-10dB。于是這支衰減器的衰減量是10dB。這一相對(duì)值又是頻率的函數(shù)。隨著頻率的變化，衰減器的衰減量可能發(fā)生波動(dòng)。把頻率作為橫坐標(biāo)，衰減量作為縱坐標(biāo)，可以得到幅度——頻率特性圖，簡稱幅頻特性圖。

有的時(shí)候還需要關(guān)心信號(hào)通過電路以后相位發(fā)生的變化。例如一支天線，給他輸入1W∠0°的信號(hào)，在天線的端口上測到反射信號(hào)功率為入射信號(hào)的0.5倍（稱為反射系數(shù)），但是反射信號(hào)與入射信號(hào)之間，電壓的相位相差了90度，則天線的S11表示為0.707∠90°，表明有-3dB的回波損耗，且相位滯后90度。

CHRENT網(wǎng)絡(luò)分析的效益

了解了散射參數(shù)以后再來探討網(wǎng)絡(luò)分析的效益就很容易理解。上面舉例的衰減器，當(dāng)對(duì)他進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析以后，直接得到了衰減量這個(gè)參數(shù)，就能直觀的了解衰減器接入射頻電路以后會(huì)產(chǎn)生什么效果。下面天線的例子，進(jìn)一步說明了這種分析方法的方便之處。

通過網(wǎng)絡(luò)分析，能夠直接測到天線的S11參數(shù)，包含一個(gè)幅度（或功率）關(guān)系和一個(gè)相位關(guān)系，例如0.5∠90°。圖（3）是一個(gè)極坐標(biāo)的S11關(guān)系圖，它的徑向坐標(biāo)代表幅度關(guān)系，繞軸旋轉(zhuǎn)的角度代表相位關(guān)系。圖（4）是一個(gè)直角坐標(biāo)表示的阻抗圖，橫坐標(biāo)代表電阻，縱坐標(biāo)代表電抗。對(duì)圖（4）做從直角坐標(biāo)到極坐標(biāo)的坐標(biāo)變換，并讓刻度符合單位阻抗（Zn=Z/Z0,Z0=50Ω）與反射系數(shù)（Γ）之間的關(guān)系式Zn=（1+Γ）/(1-Γ)，可以得到圖（5）所示的阻抗圓圖。圖（3）和圖（5）重疊起來，得到史密斯圓圖（Smith Chat，圖6）。在這張圖上，可以根據(jù)S11參數(shù)，直接讀取天線的輸入阻抗。

我們的目的是匹配以傳輸最大的功率，這時(shí)有兩種方法：

（1）傳輸線末端提供一個(gè)與天線輸入阻抗共軛的輸出阻抗；

（2）通過調(diào)試和接入匹配元件，讓天線的輸入阻抗變?yōu)榧兇獾?0歐。對(duì)于后一種方法，匹配元件的大小，可以在史密斯圖上方便的求解。

圖3

圖4

圖5

圖6

不論是反射系數(shù)-相位圖還是史密斯圖，都沒有頻率坐標(biāo)。一個(gè)頻率的S參數(shù)，只對(duì)應(yīng)圖上的一個(gè)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)分析儀顯示結(jié)果的過程，就是掃描若干頻率，然后把測得的S參數(shù)都畫在圖上，用平滑的曲線連接起來。

事實(shí)上人們發(fā)明了一整套使用S參數(shù)的辦法，能夠極大的簡化射頻電路設(shè)計(jì)。這方面已經(jīng)有很多資料，感興趣的讀者可以自行了解。

CHRENT網(wǎng)絡(luò)分析儀

有了上文的基礎(chǔ)，現(xiàn)在我們應(yīng)該關(guān)心一下如何求得S參數(shù)。在很久以前，求S參數(shù)雖然已經(jīng)是網(wǎng)絡(luò)分析中最便捷的手段，但仍是一件非常麻煩的事情。原理上無外乎用信號(hào)源給待測器件送入一個(gè)穩(wěn)定的信號(hào)，然后用電平表測輸出功率，或者用測量線在不同的距離上測試電壓，從而計(jì)算得到幅度和相位。問題就在于這種測試每次只能針對(duì)一個(gè)頻率，如果要了解不同頻率上的變化趨勢，就需要進(jìn)行多次測量，有的時(shí)候一測就是幾天。

隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制的網(wǎng)絡(luò)分析儀問世，這種儀器可以連續(xù)不斷的對(duì)多個(gè)頻率的S參數(shù)進(jìn)行測量，而且只需要若干秒時(shí)間。特別是最近十年，3GHz以下的網(wǎng)絡(luò)分析儀大幅度降價(jià)，在國內(nèi)還出現(xiàn)了所謂“公版”儀器，各地廠商風(fēng)起云涌，讓這種以前只有大型科研單位才能安置的昂貴設(shè)備，一下子普及到幾乎所有射頻工程師手中，不久的將來，還會(huì)普及到愛好者手中。

CHRENT最簡單的網(wǎng)絡(luò)分析儀——掃頻儀

掃頻儀是一種S21參數(shù)的測試裝置，它的框圖如圖（7）。它由一個(gè)頻率可變的信號(hào)源和一個(gè)檢波器組成。待測器件接在信號(hào)源和檢波器之間。測試時(shí)，先把檢波器直接接在信號(hào)源上，讓信號(hào)源掃過所有需要測試的頻率，并把檢波器檢測到的幅度存儲(chǔ)下來。接上待測器件之后，檢波器檢測到一個(gè)新的幅度（功率）值。把新的幅度值與剛才存儲(chǔ)的幅度值進(jìn)行比較，即可得到S21參數(shù)。用計(jì)算機(jī)控制信號(hào)源連續(xù)的掃描，可以繪制出幅頻特性圖。

圖7

為掃頻儀增加反射電橋或定向耦合器，便可用于測量S11參數(shù)。S11參數(shù)和電壓駐波比（VSWR）之間可以直接換算，因此又可以顯示駐波比曲線。

掃頻儀只能得到幅頻特性圖，因此是一種標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

CHRENT多輸入通道的掃頻儀

圖7的掃頻儀只有一個(gè)檢測通道，這種儀器給出的S參數(shù)雖然是相對(duì)值，但是測量的卻是絕對(duì)值。從絕對(duì)值到S21參數(shù)，靠的是把測試結(jié)果與存儲(chǔ)的結(jié)果進(jìn)行比較。這種方式無法回避一個(gè)問題：隨著待測器件的不同，信號(hào)源的輸出功率可能會(huì)發(fā)生變化。為了消除這種誤差，通常使用兩通道的掃頻儀（圖8），其中一個(gè)通道作為“參考通道”。用分路器從信號(hào)源上直接取出一部分信號(hào)送進(jìn)參考通道，另一個(gè)通道數(shù)值和參考通道進(jìn)行比較，得到S參數(shù)。平常看到的標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀幾乎都是這種多通道的掃頻儀。

圖8

多通道的標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀還可以借助一些巧妙的辦法實(shí)現(xiàn)矢量分析，例如卡雷爾·霍夫曼的技術(shù)。隨著矢量分析儀的進(jìn)步，這種應(yīng)用已經(jīng)日趨減少。

CHRENT帶跟蹤源的頻譜儀

掃頻儀的檢波器具有寬帶特性。不論是測試信號(hào)，還是信號(hào)源的諧波以及外部耦合的各種干擾，都同時(shí)被檢波。被測器件如果是陷波器，對(duì)諧波就不能產(chǎn)生有效的壓縮，于是測到的陷波量不能小于諧波的量。如果被測器件是已經(jīng)安裝好的天線，那么天線接收到的空中信號(hào)也會(huì)進(jìn)入檢波器，這會(huì)導(dǎo)致測到的駐波值虛大。此外，檢波器的動(dòng)態(tài)范圍通常最多達(dá)到70dB左右，導(dǎo)致儀器的動(dòng)態(tài)范圍較小。

帶跟蹤源的頻譜儀把掃頻儀的檢波器換成了頻譜儀的接收機(jī)。頻譜接收機(jī)只響應(yīng)中頻帶寬內(nèi)的信號(hào)，跟蹤源的諧波和外部耦合的干擾不對(duì)測試結(jié)果產(chǎn)生明顯影響，因此可以測試陷波型器件。頻譜儀具有較低的檢波噪聲和良好的中頻放大器，這種由跟蹤源和頻譜儀組成的網(wǎng)絡(luò)分析儀通常能達(dá)到100dB以上的動(dòng)態(tài)范圍。

如果沒有跟蹤源，可以使用頻譜儀的最大值保持功能，與手動(dòng)掃描的信號(hào)源組成簡易網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)。

一些高檔的標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀也采用類似方案。由于網(wǎng)絡(luò)分析儀的信號(hào)源頻率及其諧波是可以預(yù)知的，因此這種儀器的“頻譜接收機(jī)”并不需要太好的帶外抑制指標(biāo)，可以采用比通常的頻譜儀簡單得多的接收機(jī)。

CHRENT相位檢測

除了一些特殊場合，前面談到的網(wǎng)絡(luò)分析儀只能得到幅頻特性圖及由它衍生而來的駐波曲線圖，因此是標(biāo)量儀器。要想得到被測器件的阻抗參數(shù)，必須對(duì)輸入、輸出信號(hào)的相位進(jìn)行比較，因而需要用到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（Vector Network Analyzer，VNA），簡稱矢網(wǎng)。所有的網(wǎng)絡(luò)分析儀都由信號(hào)源和某種形式的、專門用于檢測信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)的檢測器組成，矢網(wǎng)與標(biāo)網(wǎng)的主要硬件區(qū)別在于檢測器。為了在足夠的動(dòng)態(tài)范圍上進(jìn)行矢量檢測，一般來說需要先對(duì)信號(hào)進(jìn)行混頻，用中頻濾波器精確的選通信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)，然后在中頻上進(jìn)行相位比較。這種儀器的原理如圖（9）所示。

圖9 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀示意框圖

歷史上，相位檢測多是基于觸發(fā)器原理。首先對(duì)需要比較相位的兩路中頻信號(hào)進(jìn)行整形，然后送入兩個(gè)觸發(fā)器中。當(dāng)一個(gè)觸發(fā)器被信號(hào)的上升沿過零觸發(fā)的時(shí)候，計(jì)數(shù)器開始數(shù)時(shí)鐘脈沖。當(dāng)另一個(gè)觸發(fā)器被觸發(fā)時(shí)，停止脈沖計(jì)數(shù)。這樣得到的是兩路中頻的上升沿的時(shí)間差。由于中頻頻率是已知的，經(jīng)過簡單換算就能得到相位差。假設(shè)中頻頻率是100KHz，為了得到0.1度的相位分辨率，在不采用額外手段的情況下，需要時(shí)鐘頻率高于360MHz。

當(dāng)前常用的相位檢測方法基于同步檢波的原理，并且逐漸依靠數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。同其他方法一樣，待測件的輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的一部分（稱之為參考輸入，在儀器上用R端口表示）首先被同步下變頻到比較低的中頻頻率。如果不設(shè)參考通道，則信號(hào)源需要同變頻本振鎖相。經(jīng)過中頻濾波和幅度調(diào)理以后，用ADC進(jìn)行同步采樣，得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入大規(guī)模FPGA，進(jìn)行數(shù)字變頻產(chǎn)生兩組I/Q信號(hào)，經(jīng)數(shù)字濾波后，將其中一組信號(hào)取共軛以后與另一組信號(hào)相乘，再采用適當(dāng)?shù)氖噶啃D(zhuǎn)算法求取相位差。也可以采用其他數(shù)學(xué)運(yùn)算求得相位差，這些處理基本上由軟件完成，具有很高的靈活性。對(duì)數(shù)字處理過程進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，能夠以比較高的效率達(dá)到0.1度以內(nèi)的鑒相精度。

僅僅得到相位差和幅度差是不夠的——測到的這些數(shù)值，并不是待測件上的真實(shí)情況。不論是混頻、濾波、信號(hào)調(diào)理，還是電纜、插座、電橋，都會(huì)對(duì)幅度和相位造成影響，必須把這些影響從測到的原始數(shù)據(jù)上消去才能得到正確的結(jié)果。對(duì)于S11測量誤差的消除，通常采用開路-短路-負(fù)載三步法校準(zhǔn)。這種校準(zhǔn)要求先將儀器端口開路，存儲(chǔ)開路狀態(tài)下的一組數(shù)據(jù)，然后再存儲(chǔ)短路和接匹配負(fù)載時(shí)的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)作為誤差模型的已知量，用于確定任意其他測試時(shí)的誤差并讓結(jié)果返璞歸真。

采用適當(dāng)?shù)男?zhǔn)模型，不但能消去儀器內(nèi)外各種連接線的電長度誤差、濾波器和放大器的相移，還能大幅降低對(duì)硬件的某些指標(biāo)的要求，正巧這些指標(biāo)原本已經(jīng)很難提高了，電橋的定向性就是一例。

這里舉一個(gè)理想化的例子，實(shí)際情況復(fù)雜得多。

已知駐波電橋的定向性為0dB，即沒有定向性，如何測量一個(gè)回波損耗小于30dB，即駐波小于1.1的天線？了解天分儀的讀者或許認(rèn)為有點(diǎn)天方夜譚，但是校準(zhǔn)確實(shí)能解決這個(gè)問題——前提是正向信號(hào)的提取點(diǎn)和電橋之間有緩沖。試想如果給儀器接上匹配負(fù)載，將此時(shí)測到的正向信號(hào)和“反向信號(hào)”的幅度和相位關(guān)系存儲(chǔ)下來。

然后接上天線，讓儀器重新測量，并根據(jù)剛才存儲(chǔ)的相位幅度關(guān)系，推算出本底的“反向信號(hào)”，將其從結(jié)果中減去，就得到了實(shí)際的反向信號(hào)。

此時(shí)您大概在想，如果S21測試的隔離度不好，能否如法炮制？

剛才我們做了一個(gè)減法，讓定向性無中生有，看起來很好玩，但成本卻很高。儀器必須有足夠的相位和幅度分辨率，軟件才能算出并不太多的一點(diǎn)定向性來。兩個(gè)正弦信號(hào)，如果絲毫不差，它們相減恰好等于零。如果差一點(diǎn)點(diǎn)，相減以后就會(huì)留下不少東西。對(duì)于矢網(wǎng)而言，0.1dB的幅度分辨率和0.1°的相位分辨率是起碼的指標(biāo)。在這樣的分辨率上保持穩(wěn)定很難，一旦漂移或改變測試條件，校準(zhǔn)模型即刻失效，因此要經(jīng)常校準(zhǔn)。

CHRENT網(wǎng)絡(luò)分析的常見用途

通過上面的敘述，網(wǎng)絡(luò)分析能做什么，讀者可能已經(jīng)比作者還想得遠(yuǎn)了。最后再為大家梳理一下，作為文章的結(jié)尾。

最簡單的網(wǎng)絡(luò)分析儀——掃頻儀，利用少量的附件（例如駐波電橋），已經(jīng)可以滿足通信工程中的大部分驗(yàn)證性用途和少部分調(diào)試用途之需，得到的是S11和S21標(biāo)量數(shù)據(jù)。例如檢驗(yàn)天線、電纜、分路器等射頻器件。如果軟件支持，還能當(dāng)信號(hào)發(fā)生器和場強(qiáng)表使用，雖然不太準(zhǔn)確。同時(shí)，掃頻儀可以調(diào)試帶通濾波器，尋找線圈和諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振點(diǎn)，對(duì)于帶阻濾波器、陷波器等，如果不要求很大的陷波比，也可以進(jìn)行初步的調(diào)試。在調(diào)試大陷波比的陷波器（例如雙工器）時(shí)，可通過串聯(lián)低通或帶通濾波器來增大觀察范圍。當(dāng)然，掃頻儀是一種簡單的標(biāo)量儀器，無法直接讀出阻抗，也就不能直觀的找出匹配參數(shù)。基于寬帶檢波的特性，也不主張用它調(diào)試放大器和其它有源電路。

天線分析儀屬于單端口網(wǎng)絡(luò)分析儀。雖然很多東西都叫天線分析儀，但是性質(zhì)卻相差甚遠(yuǎn)。如果把電橋內(nèi)置在掃頻儀中，就成為最簡單的天線分析儀，能夠測試天線的駐波曲線。不論是掃頻儀還是這種簡單天分，用于有強(qiáng)烈外部干擾的場合都可能使測試結(jié)果虛大。

介于掃頻儀和矢量天線分析儀之間，還有一種“半矢量天分”，它具有某種形式的測試相位或阻抗的能力，但是并不提供校準(zhǔn)功能。用它測一支100Ω純電阻的天線，如果連接了相當(dāng)于八分之一波長的電纜，就會(huì)被測成40-j30Ω。做這種測試時(shí)必須進(jìn)行人工修正，否則具有迷惑性。合理利用這種天分，可以對(duì)天線、放大器的輸入阻抗進(jìn)行調(diào)試，可以測得天線、線圈的諧振點(diǎn)。如果軟件支持的話，也能當(dāng)信號(hào)源使用。

矢量天分是標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)分析儀，可以測得復(fù)數(shù)的S11參數(shù)及由它衍生而來的一系列數(shù)據(jù)。由于具備完善的校準(zhǔn)功能，所能測試的回波損耗范圍通常優(yōu)于50dB，測得的阻抗也是可信的。對(duì)一個(gè)頻帶的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉逆變換，可以得到若干時(shí)域參數(shù)，比如電纜在不同距離上的回?fù)p。矢量天分在通信以外的領(lǐng)域也得到了一定程度的應(yīng)用，例如測試農(nóng)作物的含水量。

帶跟蹤源的頻譜儀和帶跟蹤接收機(jī)的標(biāo)量網(wǎng)分具有與掃頻儀類似的用途，但是它們都具備優(yōu)良得多的動(dòng)態(tài)范圍和較好的選擇性，可以用于強(qiáng)干擾條件下的天線測量和大陷波比的陷波器調(diào)試，例如調(diào)試雙工器。

全功能的雙端口或多端口矢網(wǎng)囊括了上述所有用途，具備強(qiáng)大的分析功能。需要提到的是全功能矢網(wǎng)一般標(biāo)配群延時(shí)顯示和功率掃描功能。后者可以對(duì)器件的非線性特性進(jìn)行分析。

網(wǎng)絡(luò)分析儀的種類五花八門，遠(yuǎn)不止上面幾種。它們都具有信號(hào)源和若干個(gè)幅度或相位幅度檢測通道。結(jié)合必要的信號(hào)分配裝置，內(nèi)置或外置的定向電橋、耦合器構(gòu)成完整的儀器。網(wǎng)分的用途也不是固定的，懂得它的測量原理之后，可以引申出許多巧妙的用法，把它比作射頻領(lǐng)域的萬能表毫不為過。網(wǎng)絡(luò)分析和網(wǎng)絡(luò)分析儀是設(shè)計(jì)、調(diào)試、改進(jìn)射頻電路的最基本，同時(shí)也應(yīng)該是最常用的手段和工具。掌握網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)之后，射頻通信電路的設(shè)計(jì)制作將更加富有趣味。

來源：科創(chuàng)儀表局 kcma