网络分析仪的原理详解

中心议题：

网络分析的基本原理

网络分析理论

网络分析仪测量方法

网络分析仪结构

现代网络分析仪已广泛在研发，生产中大量使用，网络分析仪被广泛地应用于分析各种不同部件 ，材料，电路，设备和系统。无论是在研发阶段为了优化模拟电路的设计，还是为了调试检测电子元器件，矢量网络分析仪都成为一种不可缺少的测量仪器。

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。

网络分析的基本原理 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。

网络分析的基本原理

图1. NI PXle-5630 矢量网络分析仪

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。

图2. 利用光来类比网络分析的一个基本原理

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。

图3. 传输系数(T)和反射系数(G)

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。

图4. 简单的双端口设备的 S-参数表示

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。