網絡分析儀

矢量網絡分析儀是微波毫米波測試儀器領域中最為重要、應用最為廣泛的一種高精度智能化測試儀器，在業界享有“微波/毫米波測試儀器之王”的美譽，主要用於被測網絡散射參量雙向S參數的幅頻、相頻及羣時延等特性信息的測量，廣泛應用於以相控陣雷達為代表的新一代軍用電子裝備研製、生產、維修和計量等領域，還可以應用於精確制導、隱身及反隱身、航空航天、衞星通信、雷達偵測和監視、教學實驗以及天線與RCS測試、元器件測試、材料測試等諸多領域 ^[1]  。

網絡分析儀(5張)

矢量網絡分析儀，它本身自帶了一個信號發生器，可以對一個頻段進行頻率掃描. 如果是單端口測量的話，將激勵信號加在端口上，通過測量反射回來信號的幅度和相位，就可以判斷出阻抗或者反射情況. 而對於雙端口測量，則還可以測量傳輸參數. 由於受分佈參數等影響明顯，所以網絡分析儀使用之前必須進行校準。

在微波電路的設計和計算中，需要對所用元、器件特性的全部網絡參數進行全面定值。而微波元、器件中，包括微波晶體管，大多采用S參數（散射參數）來表述它們的特性。一般二端口網絡需要有四個散射參數（S₁₁、S₂₂、S₁₂和S₂₁），才能對其全面定值。因此往往採用測量的方法來確定網絡的參數。

20世紀60年代中期，出現能在寬頻帶範圍內掃頻測量並能顯示全部網絡S參數的模值和幅角的多功能儀器，這就是微波網絡分析儀。因此網絡分析儀的基本部分實際上就是一台S參數測量儀。方框圖如圖2所示。

由於測定了網絡的S參數後，網絡的其它各種特性參量都可以從S參數中導出，因此，微波網絡分析儀具有多種功能。

網絡分析儀是在四端口微波反射計（見駐波與反射測量）的基礎上發展起來的。在60年代中期實現自動化，利用計算機按一定誤差模型在每一頻率點上修正由定向耦合器的定向性不完善、失配和竄漏等而引起的誤差，從而使測量精確度大為提高，可達到計量室中最精密的測量線技術的測量精確度，而測量速度提高數十倍 ^[2]  。

一個任意多端口網絡的各端口終端均匹配時，由第n個端口輸入的入射行波 an將散射到其餘一切端口並 發射出去。若第m個端口的出射行波為bm，則n口與m口之間的散射參數Smn=bm/an。一個雙口網絡共有四個散射參數 S11、S21、S12和S22。當兩個終端均匹配時，S11和S22就分別是端口1和2的反射係數，S21是由1口至2口的傳輸係數，S12則是反方向的傳輸係數。當某一端口m終端失配時，由終端反射回來的行波又重新進入m口。這可以等效地看成是m口仍是匹配的，但有一個行波am入射到m口。這樣，在任意情況下都可以列出各口等效入射、出射行波與散射參數之間關係的聯立方程組。據此可以解出網絡的一切特性參數，如終端失配時的輸入端反射係數、電壓駐波比、輸入阻抗以及各種正向反向傳輸係數等。這就是網絡分析儀的最基本的工作原理。單端口網絡可視為雙口網絡的特例，在其中除S11之外，恆有S21=S12=S22。對於多端口網絡，除了一個輸入和一個輸出端口之外，可在其餘一切端口都接上匹配負載，從而等效為一個雙端口網絡。輪流選擇各對端口作為等效雙口網絡的輸入、輸出端，進行一系列測量並列出相應的方程，即可解得n端口網絡的全部n2個散射參數，從而求出n端口網絡的一切特性參數。 　圖3左為四端口網絡分析儀測量S11時測試單元的原理示意，箭頭表示各行波的路徑。信號源 u輸出信號經開關S1和定向耦合器D2輸入到被測網絡的端口1，這就是入射波a1。端口1的反射波（即1口的出射波b1）經定向耦合器 D2和開關傳到接收機的測量通道。信號源u的輸出同時經定向耦合器D1傳到接收機的參考通道，這個信號是正比於a1的。於是雙通道幅度-相位接收機就測出b1/a1，即測出S11，包括其幅值和相位（或實部和虛部）。測量時，網絡的端口2接上匹配負載R1，以滿足散射參數所規定的條件。系統中的另一個定向耦合器D3也終接匹配負載R2，以免產生不良影響。其餘三個S 參數的測量原理與此類同。圖3右為測量不同Smn參數時各開關應放置的位置。

在實際測量之前，先用三個阻抗已知的標準器（例如一個短路、一個開路和一個匹配負載）供儀器進行一系列測量，稱為校準測量。由實測結果與理想（無儀器誤差時）應有的結果比對，可通過計算求出誤差模型中的各誤差因子並存入計算機中，以便對被測件的測量結果進行誤差修正。在每一頻率點上都按此進行校準和修正。測量步驟和計算都十分複雜，非人工所能勝任。

上述網絡分析儀稱為四端口網絡分析儀，因為儀器有四個端口，分別接到信號源、被測件、測量通道和測量的參考通道。它的缺點是接收機的結構複雜，誤差模型中並未包括接收機所產生的誤差。

參數（散射參數）用於評估 DUT 反射信號和傳送信號的性能。 參數由兩個複數之比定義，它包含有關信號的幅度和相位的信息。 參數通常表示為：

輸出 輸入

輸出：輸出信號的 DUT 端口號。

輸入：輸入信號的 DUT 端口號。

例如，參數 S21 是 DUT 上端口 2 的輸出信號與 DUT 上端口 1 的輸入信號之比，輸出信號和輸入信號都用複數表示。

當啓動平衡 - 不平衡轉換功能時，可以選擇混合模 S 參數。

1973年又研製出六端口網絡分析儀。它利用一個由定向耦合器和混合接頭（魔 T）組成的六端口網絡作為測量單元，除二個端口分別接信號源和被測件之外，其餘四個端口均接到幅值檢波器或功率計。通過檢出的四個幅值的適當組合，可以求出被測網絡散射參數的模和相位。它不必使用複雜的雙通道接收機來取得相位信息，從而使測量系統的硬件大為簡化。此外，它有超過必需數目的冗餘測量端口，可以利用冗餘數據之間互相核對來提高測量結果的可信性。但它的計算工作比四端口網絡分析儀要複雜得多。採用雙六端口網絡分析儀來測量雙端口網絡，即用一個六端口網絡儀接在被測網絡的端口1，另一個接在端口2，可在測量過程中避免開關轉換或人工倒轉被測網絡的輸入端和輸出端，進一步提高了測量的精確度 ^[3]  。