網絡分析與網絡分析儀的詳解

若干電氣元件相互連接形成的系統叫做網絡?！熬W絡”可以作為電路的代名詞，“網絡分析”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。到了射頻通信領域，可以把任何具有一個以上端口的電路單元稱為網絡，并且常常把這種網絡視為“黑箱”，并不去關心電路單元內部是怎么回事，而是給端口加上適當的激勵信號，測試電路的反應，從而表征這個網絡的特點。射頻通信領域常說的“網絡分析”，就是這種以端口為界，描繪射頻電路性能的工作。

散射參數

為了進一步了解網絡分析給我們帶來的便利，有必要先了解網絡分析的語言——散射參數。圖（1）是一個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。給左邊通上適當的電流，然后用電壓表測試右邊的電壓，然后反過來再測試一次。根據這些數據依次得到四個參數：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。當看到這一堆似曾相識參數之后，您一定會問：這東西與衰減器有啥關系，大家喜聞樂見的衰減量是多少？

圖1

圖2

這個例子說明，在低頻電路上常用的Z參數（開路阻抗參數），用在射頻通信領域既不符合習慣，也難以測量。歸納起來，有三個重要原因促使我們選擇一種新的參數來描述電路：（1）大多數射頻電路不允許端口開路或短路，因為這樣做會讓電路偏離預定的工作狀態；（2）波長很短的時候，即使信號只傳播很短距離，也會發生不可忽視的相位移動，使測試計算變得非常困難；（3）需要有一整套方法，能夠根據所得到的參數迅速簡便的設計電路?；谏鲜鲈?，散射參數應運而生。

散射參數（Scattering Parameters）常被簡稱為S參數。和阻抗參數類似，對于有兩個端口的網絡（例如衰減器）而言，它也包括四個部分，用Sij表示，其中，i表示待檢測端口，j表示激勵信號的入射端口：

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

S21：信號通過被測器件時產生的變化（幅度和相位變化，又稱插損或增益）；

S12：信號以相反方向通過被測器件時產生的變化；

S22：被測器件的另一個端口對信號的反射量。

當一個端口在測試時沒有被用到時，應接上匹配負載，于是電路能夠非常接近正常的工作狀態。測量散射參數，只需要了解信號流經被測器件時產生的變化，同時又不會對電路的正常工作造成影響，因此更加簡單、直接。后面將要介紹的網絡分析儀，就是專門測量散射參數的裝置。

通過數學計算，散射參數能夠被轉換為其它類型的參數。

S參數是歸一化的相對值

四個S參數都代表出射信號與入射信號的電壓比（或功率比，在計算時應統一）。還是用衰減器來舉例，圖（2）中，入射信號的功率是1W，經過待測器件，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。這一相對值又是頻率的函數。隨著頻率的變化，衰減器的衰減量可能發生波動。把頻率作為橫坐標，衰減量作為縱坐標，可以得到幅度——頻率特性圖，簡稱幅頻特性圖。

有的時候還需要關心信號通過電路以后相位發生的變化。例如一支天線，給他輸入1W∠0°的信號，在天線的端口上測到反射信號功率為入射信號的0.5倍（稱為反射系數），但是反射信號與入射信號之間，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。

網絡分析的效益

了解了散射參數以后再來探討網絡分析的效益就很容易理解。上面舉例的衰減器，當對他進行網絡分析以后，直接得到了衰減量這個參數，就能直觀的了解衰減器接入射頻電路以后會產生什么效果。下面天線的例子，進一步說明了這種分析方法的方便之處。

通過網絡分析，能夠直接測到天線的S11參數，包含一個幅度（或功率）關系和一個相位關系，例如0.5∠90°。圖（3）是一個極坐標的S11關系圖，它的徑向坐標代表幅度關系，繞軸旋轉的角度代表相位關系。圖（4）是一個直角坐標表示的阻抗圖，橫坐標代表電阻，縱坐標代表電抗。對圖（4）做從直角坐標到極坐標的坐標變換，并讓刻度符合單位阻抗（Zn=Z/Z0,Z0=50Ω）與反射系數（Γ）之間的關系式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S11參數，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，這時有兩種方法：（1）傳輸線末端提供一個與天線輸入阻抗共軛的輸出阻抗；（2）通過調試和接入匹配元件，讓天線的輸入阻抗變為純粹的50歐。對于后一種方法，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-相位圖還是史密斯圖，都沒有頻率坐標。一個頻率的S參數，只對應圖上的一個點。網絡分析儀顯示結果的過程，就是掃描若干頻率，然后把測得的S參數都畫在圖上，用平滑的曲線連接起來。

事實上人們發明了一整套使用S參數的辦法，能夠極大的簡化射頻電路設計。這方面已經有很多資料，感興趣的讀者可以自行了解。

網絡分析儀

有了上文的基礎，現在我們應該關心一下如何求得S參數。在很久以前，求S參數雖然已經是網絡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源給待測器件送入一個穩定的信號，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，從而計算得到幅度和相位。問題就在于這種測試每次只能針對一個頻率，如果要了解不同頻率上的變化趨勢，就需要進行多次測量，有的時候一測就是幾天。

隨著自動化技術的發展，計算機控制的網絡分析儀問世，這種儀器可以連續不斷的對多個頻率的S參數進行測量，而且只需要若干秒時間。特別是最近十年，3GHz以下的網絡分析儀大幅度降價，在國內還出現了所謂“公版”儀器，各地廠商風起云涌，讓這種以前只有大型科研單位才能安置的昂貴設備，一下子普及到幾乎所有射頻工程師手中，不久的將來，還會普及到愛好者手中。

最簡單的網絡分析儀——掃頻儀

掃頻儀是一種S21參數的測試裝置，它的框圖如圖（7）。它由一個頻率可變的信號源和一個檢波器組成。待測器件接在信號源和檢波器之間。測試時，先把檢波器直接接在信號源上，讓信號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下來。接上待測器件之后，檢波器檢測到一個新的幅度（功率）值。把新的幅度值與剛才存儲的幅度值進行比較，即可得到S21參數。用計算機控制信號源連續的掃描，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。S11參數和電壓駐波比（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，因此是一種標量網絡分析儀。

多輸入通道的掃頻儀

圖7的掃頻儀只有一個檢測通道，這種儀器給出的S參數雖然是相對值，但是測量的卻是絕對值。從絕對值到S21參數，靠的是把測試結果與存儲的結果進行比較。這種方式無法回避一個問題：隨著待測器件的不同，信號源的輸出功率可能會發生變化。為了消除這種誤差，通常使用兩通道的掃頻儀（圖8），其中一個通道作為“參考通道”。用分路器從信號源上直接取出一部分信號送進參考通道，另一個通道數值和參考通道進行比較，得到S參數。平?？吹降臉肆烤W絡分析儀幾乎都是這種多通道的掃頻儀。

圖8

多通道的標量網絡分析儀還可以借助一些巧妙的辦法實現矢量分析，例如卡雷爾·霍夫曼的技術。隨著矢量分析儀的進步，這種應用已經日趨減少。

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，還是信號源的諧波以及外部耦合的各種干擾，都同時被檢波。被測器件如果是陷波器，對諧波就不能產生有效的壓縮，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安裝好的天線，那么天線接收到的空中信號也會進入檢波器，這會導致測到的駐波值虛大。此外，檢波器的動態范圍通常最多達到70dB左右，導致儀器的動態范圍較小。

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。頻譜接收機只響應中頻帶寬內的信號，跟蹤源的諧波和外部耦合的干擾不對測試結果產生明顯影響，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絡分析儀通常能達到100dB以上的動態范圍。

如果沒有跟蹤源，可以使用頻譜儀的最大值保持功能，與手動掃描的信號源組成簡易網絡分析系統。

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

相位檢測

除了一些特殊場合，前面談到的網絡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，因此是標量儀器。要想得到被測器件的阻抗參數，必須對輸入、輸出信號的相位進行比較，因而需要用到矢量網絡分析儀（Vector Network Analyzer，VNA），簡稱矢網。所有的網絡分析儀都由信號源和某種形式的、專門用于檢測信號源發出的信號的檢測器組成，矢網與標網的主要硬件區別在于檢測器。為了在足夠的動態范圍上進行矢量檢測，一般來說需要先對信號進行混頻，用中頻濾波器精確的選通信號源產生的信號，然后在中頻上進行相位比較。這種儀器的原理如圖（9）所示。

圖9 矢量網絡分析儀示意框圖

歷史上，相位檢測多是基于觸發器原理。首先對需要比較相位的兩路中頻信號進行整形，然后送入兩個觸發器中。當一個觸發器被信號的上升沿過零觸發的時候，計數器開始數時鐘脈沖。當另一個觸發器被觸發時，停止脈沖計數。這樣得到的是兩路中頻的上升沿的時間差。由于中頻頻率是已知的，經過簡單換算就能得到相位差。假設中頻頻率是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，需要時鐘頻率高于360MHz。

當前常用的相位檢測方法基于同步檢波的原理，并且逐漸依靠數字信號處理技術來實現。同其他方法一樣，待測件的輸出信號和輸入信號的一部分（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。如果不設參考通道，則信號源需要同變頻本振鎖相。經過中頻濾波和幅度調理以后，用ADC進行同步采樣，得到的數字信號進入大規模FPGA，進行數字變頻產生兩組I/Q信號，經數字濾波后，將其中一組信號取共軛以后與另一組信號相乘，再采用適當的矢量旋轉算法求取相位差。也可以采用其他數學運算求得相位差，這些處理基本上由軟件完成，具有很高的靈活性。對數字處理過程進行精心設計，能夠以比較高的效率達到0.1度以內的鑒相精度。

僅僅得到相位差和幅度差是不夠的——測到的這些數值，并不是待測件上的真實情況。不論是混頻、濾波、信號調理，還是電纜、插座、電橋，都會對幅度和相位造成影響，必須把這些影響從測到的原始數據上消去才能得到正確的結果。對于S11測量誤差的消除，通常采用開路-短路-負載三步法校準。這種校準要求先將儀器端口開路，存儲開路狀態下的一組數據，然后再存儲短路和接匹配負載時的數據。這些數據作為誤差模型的已知量，用于確定任意其他測試時的誤差并讓結果返璞歸真。

采用適當的校準模型，不但能消去儀器內外各種連接線的電長度誤差、濾波器和放大器的相移，還能大幅降低對硬件的某些指標的要求，正巧這些指標原本已經很難提高了，電橋的定向性就是一例。

這里舉一個理想化的例子，實際情況復雜得多。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為有點天方夜譚，但是校準確實能解決這個問題——前提是正向信號的提取點和電橋之間有緩沖。試想如果給儀器接上匹配負載，將此時測到的正向信號和“反向信號”的幅度和相位關系存儲下來。然后接上天線，讓儀器重新測量，并根據剛才存儲的相位幅度關系，推算出本底的“反向信號”，將其從結果中減去，就得到了實際的反向信號。此時您大概在想，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定向性來。兩個正弦信號，如果絲毫不差，它們相減恰好等于零。如果差一點點，相減以后就會留下不少東西。對于矢網而言，0.1dB的幅度分辨率和0.1°的相位分辨率是起碼的指標。在這樣的分辨率上保持穩定很難，一旦漂移或改變測試條件，校準模型即刻失效，因此要經常校準。

網絡分析的常見用途

通過上面的敘述，網絡分析能做什么，讀者可能已經比作者還想得遠了。最后再為大家梳理一下，作為文章的結尾。

最簡單的網絡分析儀——掃頻儀，利用少量的附件（例如駐波電橋），已經可以滿足通信工程中的大部分驗證性用途和少部分調試用途之需，得到的是S11和S21標量數據。例如檢驗天線、電纜、分路器等射頻器件。如果軟件支持，還能當信號發生器和場強表使用，雖然不太準確。同時，掃頻儀可以調試帶通濾波器，尋找線圈和諧振網絡的諧振點，對于帶阻濾波器、陷波器等，如果不要求很大的陷波比，也可以進行初步的調試。在調試大陷波比的陷波器（例如雙工器）時，可通過串聯低通或帶通濾波器來增大觀察范圍。當然，掃頻儀是一種簡單的標量儀器，無法直接讀出阻抗，也就不能直觀的找出匹配參數?；趯拵z波的特性，也不主張用它調試放大器和其它有源電路。

天線分析儀屬于單端口網絡分析儀。雖然很多東西都叫天線分析儀，但是性質卻相差甚遠。如果把電橋內置在掃頻儀中，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，用于有強烈外部干擾的場合都可能使測試結果虛大。

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，但是并不提供校準功能。用它測一支100Ω純電阻的天線，如果連接了相當于八分之一波長的電纜，就會被測成40-j30Ω。做這種測試時必須進行人工修正，否則具有迷惑性。合理利用這種天分，可以對天線、放大器的輸入阻抗進行調試，可以測得天線、線圈的諧振點。如果軟件支持的話，也能當信號源使用。

矢量天分是標準的網絡分析儀，可以測得復數的S11參數及由它衍生而來的一系列數據。由于具備完善的校準功能，所能測試的回波損耗范圍通常優于50dB，測得的阻抗也是可信的。對一個頻帶的測試數據進行傅里葉逆變換，可以得到若干時域參數，比如電纜在不同距離上的回損。矢量天分在通信以外的領域也得到了一定程度的應用，例如測試農作物的含水量。

帶跟蹤源的頻譜儀和帶跟蹤接收機的標量網分具有與掃頻儀類似的用途，但是它們都具備優良得多的動態范圍和較好的選擇性，可以用于強干擾條件下的天線測量和大陷波比的陷波器調試，例如調試雙工器。

全功能的雙端口或多端口矢網囊括了上述所有用途，具備強大的分析功能。需要提到的是全功能矢網一般標配群延時顯示和功率掃描功能。后者可以對器件的非線性特性進行分析。

網絡分析儀的種類五花八門，遠不止上面幾種。它們都具有信號源和若干個幅度或相位幅度檢測通道。結合必要的信號分配裝置，內置或外置的定向電橋、耦合器構成完整的儀器。網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，把它比作射頻領域的萬能表毫不為過。網絡分析和網絡分析儀是設計、調試、改進射頻電路的最基本，同時也應該是最常用的手段和工具。掌握網絡分析技術之后，射頻通信電路的設計制作將更加富有趣味。