网络分析仪的原理及应用

　　网络分析仪是一种功能强大的仪器，正确使用时，可以达到极高的精度。它的应用也十分广泛，在很多行业都不可或缺，尤其在测量无线射频(RF)元件和设备的线性特性方面非常有用。现代网络分析仪还可以应用于更具体的场合，例如，信号完整性和材料的测量。随着业界第一款PXI网络分析仪—NI PXIe - 5630的推出，你完全可以摆脱传统网络分析仪的高成本和大占地面积的束缚，轻松地将网络分析仪应用于设计验证和产线测试。

　　网络分析仪的发展
　　你可以使用图1所示的NI PXIe-5630矢量网络分析仪测量设备的幅度，相位和阻抗。由于网络分析仪是一种封闭的激励-响应系统，你可以在测量RF特性时实现绝佳的精度。当然，充分理解网络分析仪的基本原理，对于你最大限度的受益于网络分析仪非常重要。
　　在过去的十年中，矢量网络分析仪由于其较低的成本和高效的制造技术，流行度超过了标量网络分析仪。虽然网络分析理论已经存在了数十年，但是直到20世纪80年代早期第一台现代独立台式分析仪才诞生。在此之前，网络分析仪身形庞大复杂，由众多仪器和外部器件组合而成，且功能受限。NI PXIe-5630的推出标志着网络分析仪发展的又一个里程碑，它将矢量网络分析功能成功地赋予了灵活，软件定义的PXI模块化仪器平台。
　　通常我们需要大量的测量实践，才能实现精确的幅值和相位参数测量，避免重大错误。由于射频仪器测量的不确定性，小的错误很可能会被忽略不计。而网络分析仪作为一种精密的仪器能够测量出极小的错误。

　　网络分析理论
　　网络是一个被高频率使用的术语，有很多种现代的定义。就网络分析而言，网络指一组内部相互关联的电子元器件。网络分析仪的功能之一就是量化两个射频元件间的阻抗不匹配，最大限度地提高功率效率和信号的完整性。每当射频信号由一个元件进入另一个时，总会有一部分信号被反射，而另一部分被传输，类似于图2所示。
　　这就好比光源发出的光射向某种光学器件，例如透镜。其中，透镜就类似于一个电子网络。根据透镜的属性，一部分光将反射回光源，而另一部分光被传输过去。根据能量守恒定律，被反射的信号和传输信号的能量总和等于原信号或入射信号的能量。在这个例子中，由于热量产生的损耗通常是微不足道的，所以忽略不计。
　　我们可以定义参数反射系数(G)，它是一个包含幅值和相位的矢量，代表被反射的光占总(入射)光的比例。同样，定义传输系数(T)代表传输的光占入射光的矢量比。图3示意了这两个参数。
　　通过反射系数和传输系数，你可以更深入地了解被测器件(DUT)的性能。回顾光的类比，如果DUT是一面镜子，你会希望得到高反射系数。如果DUT是一个镜头，你会希望得到高传输系数。而太阳镜可能同时具有反射和透射特性。
　　电子网络的测量方式与测量光器件的方式类似。网络分析仪产生一个正弦信号，通常是一个扫频信号。DUT响应时，会传输并且反射入射信号。传输和反射信号的强度通常随着入射信号的频率发生变化。
　　DUT对于入射信号的响应是DUT性能以及系统特性阻抗不连续性的表征。例如，带通滤波器的带外具有很高的反射系数，带内则具有较高的传输系数。如果DUT 略微偏离特性阻抗则会造成阻抗失配，产生额外的非期望响应信号。我们的目标是建立一个精确的测量方法，测量DUT响应，同时最大限度的减少或消除不确定性。

　　网络分析仪测量方法
　　反射系数(G)和传输系数(T)分别对应入射信号中反射信号和传输信号所占的比例。图3示意了这两个向量。现代网络分析基于散射参数或S-参数扩充了这种思想。
　　S-参数是一种复杂的向量，它们代表了两个射频信号的比值。S-参数包含幅值和相位，在笛卡尔形式下表现为实和虚。S-参数用S坐标系表示，X代表DUT被测量的输出端，Y代表入射RF信号激励的DUT输入端。图4示意了一个简单的双端口器件，它可以表征为射频滤波器，衰减器或放大器。
　　S11定义为端口1反射的能量占端口1入射信号的比例，S21定义为传输到DUT端口2 的能量占端口1入射信号的比例。参数S11和S21为前向S-参数，这是因为入射信号来自端口1的射频源。对于从端口2入射信号，S22为端口2反射的能量占端口2入射信号的比例，S12为传输到DUT端口1的能量占端口2入射信号的比例。它们都是反向S-参数。
　　你可以基于多端口或者N端口S-参数扩展这个概念。例如，射频环形器，功率分配器，耦合器都是三端口器件。你可以采用类似于双端口的分析方法测量和计算S-参数，如S13,S32,S33。S11，S22, S33等下标数字一致的S-参数表征反射信号，而S12,S32,S21和S13等下标数字不一致的S-参数表征传输信号。此外，S-参数的总个数等于器件端口数的平方，这样才能完整的描述一个设备的RF特性。
　　表征传输的S-参数，如S21，类似于增益，插入损耗，衰减等其它常见术语。表征反射的S-参数，如S11，对应于电压驻波比(VSWR)，回波损耗，或反射系数。S-参数还具有其他优点。它们被广泛认可并应用于现代射频测量。你可以很容易地将S-参数转换成H、Z或其他参数。你也可以对多个设备进行S-参数级联，表征复合系统的RF特性。更重要的是，S参数用比率表示。因此，你不需要把入射源功率设置为精确值。DUT的响应会反映出入射信号的任何微小差别，但通过比率方式表征传输信号或反射信号相对于入射信号的比率关系时，差别就会被消去。