網(wǎng)絡(luò)分析儀工作原理及使用要點

1、網(wǎng)絡(luò)分析儀工作原理及使用要點本文簡要介紹41所生產(chǎn)的AV362O矢量網(wǎng)絡(luò)分析的測量基本工作原理以及正確使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析測量電纜傳輸及反射性能的注意事項。1. DUT對射頻信號的響應(yīng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀信號源產(chǎn)生一測試信號，當(dāng)測試信號通過待測件時，一部分信號被反射，另一部分則被傳輸。圖說明了測試信號通過被測器件（DUT）后的響應(yīng)。圖DUT 對信號的響應(yīng)2. 整機原理：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀用于測量器件和網(wǎng)絡(luò)的反射特性和傳輸特性，主要包括合成信號源、S參數(shù)測試裝置、幅相接收機和顯示部分。合成信號源產(chǎn)生30k6GHz的信號，此信號與幅相接收機中心頻率實現(xiàn)同步掃描；S參數(shù)測試裝置用于分離被測件的入射信號R、反射信號

2、A和傳輸信號B；幅相接收機將射頻信號轉(zhuǎn)換成頻率固定的中頻信號，為了真實測量出被測網(wǎng)絡(luò)的幅度特性、相位特性，要求在頻率變換過程中，被測信號幅度信息和相位信息都不能丟失，因此必須采用系統(tǒng)鎖相技術(shù)；顯示部分將測量結(jié)果以各種形式顯示出來。其原理框圖如圖所示：圖矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀整機原理框圖矢量網(wǎng)絡(luò)分析內(nèi)置合成信號源產(chǎn)生30k6GHz的信號，經(jīng)過S參數(shù)測試裝置分成兩路，一路作為參考信號R，另一路作為激勵信號，激勵信號經(jīng)過被測件后產(chǎn)生反射信號A和傳輸信號B，由S參數(shù)測試裝置進行分離，R、A、B三路射頻信號在幅相接收機中進行下變頻，產(chǎn)生4kHz的中頻信號，由于采用系統(tǒng)鎖相技術(shù)，合成掃頻信號源和幅相接收機同在一個

3、鎖相環(huán)路中，共用同一時基，因此被測網(wǎng)絡(luò)的幅度信息和相位信息包含在4kHz的中頻信號中，此中頻信號經(jīng)過A/D模擬數(shù)字變換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，嵌入式計算機和數(shù)字信號處理器（DSP）從數(shù)字信號中提取被測網(wǎng)絡(luò)的幅度信息和相位信息，通過比值運算求出被測網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)，最后把測試結(jié)果以圖形或數(shù)據(jù)的形式顯示在液晶屏幕上。 合成信號源：由36GHz YIG振蕩器、3.8GHz介質(zhì)振蕩器、源模塊組件、時鐘參考和小數(shù)環(huán)組成。 測試裝置：由定向耦合器和開關(guān)構(gòu)成，用于分離反射信號和入射信號。 接收機：由取樣混頻器、中頻處理和數(shù)字信號處理等部分組成，用于信號的下變頻及中頻數(shù)字信號處理。 顯示：由圖形處理器、高亮度LCD 顯

4、示器、逆變器組成，用于字符和圖形的高亮度、高速顯示。3.優(yōu)化測量結(jié)果3.1 校準連接器件的精心選擇要獲得正確的測量結(jié)果，校準件（負載、開路、短路）、適配器（雙陽、雙陰、陰樣）、連接器及測量連接電纜等都必須保持其優(yōu)良的性能，即上述校準連接器件的反射要比被測樣品的反射小的多（即回波損耗大10dB，至少也得大6dB）。舉例來說：如果被測樣品的回波損耗要求大于20dB，則校準連接器件的回波損耗則要大于30dB，至少也要大于26dB，即反射至少小一倍。3.2如何精確測量較大電纜的衰減（損耗）具有較大長度（電延遲）的電纜，它們在測量時需注意一些特別的問題。長電纜的測量要選擇正確的掃描時間，否則會使測量結(jié)果

5、產(chǎn)生誤差。在較快的掃描速度下，矢量網(wǎng)絡(luò)分析的幅度響應(yīng)會下降或看起來失真，表現(xiàn)為電纜比它實際的損耗大得多，只有在較慢的、合適的掃描速度下，測量結(jié)果才會正確。本節(jié)描述了導(dǎo)致這種情況的原因及如何精確測量較長電纜的衰減。當(dāng)用矢量網(wǎng)絡(luò)分析測量長電纜時，由于矢量網(wǎng)絡(luò)分析掃描時頻率隨時間改變，因此，電纜的延遲在矢量網(wǎng)絡(luò)分析的輸入和輸出信號之間將導(dǎo)致頻率的漂移。頻率漂移F等于掃描速度和時間延遲的乘積：F=dF/dt×T 在矢量網(wǎng)絡(luò)分析接收機里，測試和輸入信號參考因為F而在頻率上不同。因為測試信號頻率與接收機頻率有不同，矢量網(wǎng)絡(luò)分析將在測量幅度和相位時出現(xiàn)誤差。矢量網(wǎng)絡(luò)分析掃描速度越快，F(xiàn)越大，測試通

6、道產(chǎn)生的誤差也越大。要減小這些誤差，必須減小頻率漂移F。F可通過下列方法減?。?降低掃描速度通過加大矢量網(wǎng)絡(luò)分析掃描時間，能降低掃描速度；對于相同的頻段，通過增加掃描點數(shù)，同樣可以降低掃描速度。減小時間延遲(T) 由于T是被測電纜自身特性，所以它不能像字面意義上那樣被減小。可是，能被減小的是R通道和B通道之間時間延遲之差。這些時間可以通過加一條長電纜給R通道來補償，此電纜與待測電纜有著差不多相同的延遲。電纜的這個長度能被插入R通道輸入和輸出連接器之間，連接器位于矢量網(wǎng)絡(luò)分析的前面板上。這條電纜延遲必須小于5 微秒。除了減少頻率漂移提高測量精度外，減小系統(tǒng)的中頻帶寬（IF BW）可以減小系統(tǒng)躁聲

7、，從而達到提高測量精度和動態(tài)范圍的目的。3.3如何精確測量較大電纜的回波損耗（駐波）當(dāng)測量大長度（如大于100米）電纜的回波損耗時，由于沿電纜長度方向上的反射隨機地疊加（矢量疊加），回波損耗曲線表現(xiàn)為有很多尖銳的反射峰，反射峰的寬度很窄，如果測量取樣點數(shù)不夠多，反射峰被遺漏的概率很大，造成結(jié)果偏好的假象。增加測量點數(shù)可將回波損耗的峰值真正捕捉到，從而達到提高測量長電纜回波損耗（駐波）精度的目的。設(shè)測量某一電纜的頻率范圍為5MHz3000MHz，回波損耗峰值寬度約為2MHz，當(dāng)用201測量點數(shù)時，頻率間隔F15MHz，很容易將最大回波損耗的峰遺漏掉，而當(dāng)用1601測量點數(shù)時，頻率間隔F1.87M

8、Hz，回波損耗最小峰值就被捕捉到了。3.4 測量中應(yīng)注意的事項a) 電纜連接器、阻抗轉(zhuǎn)換器、駐波電橋和匹配負載等器件應(yīng)嚴格區(qū)分75和50兩種特性阻抗、因其外徑及連接螺紋相同，容易混淆。應(yīng)避免將75陽頭與50陰頭連接， 這樣會造成電路不連續(xù)無法測試；更應(yīng)避免將50陽頭與75陰頭連接，因為這將徹底損壞75陰頭的插孔。b) 阻抗轉(zhuǎn)換器、匹配負載、駐波電橋及測量探頭均應(yīng)小心輕放，妥善保管，防止從高處跌落而影響其性能及最終測量結(jié)果。c) 各器件連接時，應(yīng)注意連接轉(zhuǎn)動時的方法，只允許轉(zhuǎn)動活動螺母保證插針與插孔作直線移動。否則插針和插孔會發(fā)生螺旋運動而加快磨損，以及很可能使內(nèi)部插針插空松動而無法正常使用。d

9、) 電纜連接頭裝好后，應(yīng)仔細檢查插針是否位于正中，必要時應(yīng)設(shè)法校正，使其對中，避免損壞待連接的連接器插孔。4.時域測量簡介矢量網(wǎng)絡(luò)分析能測量被測件的時域響應(yīng)，被測件的時域反射或傳輸響應(yīng)，顯示是接近實時的。時域分析對于測量電纜結(jié)構(gòu)（阻抗）的均勻性非常有用。矢量網(wǎng)絡(luò)分析先測量頻率響應(yīng)，然后通過內(nèi)部計算機利用傅立葉反變換把頻域信息轉(zhuǎn)換成時域信息，X 軸為時間軸。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀利用傅立葉變換技術(shù)對測量數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)處理，可將頻域數(shù)據(jù)和時域數(shù)據(jù)進行相互轉(zhuǎn)換。4.1矢量網(wǎng)絡(luò)分析有三種“頻率時間”轉(zhuǎn)換模式： 時域帶通模式(BAND PASS) 時域低通階躍模式(LOW PASS，step response)

10、時域低通脈沖模式(LOW PASS, pules response)4.1.1時域帶通模式激勵一個輸入脈沖的時域響應(yīng)來測量帶限設(shè)備，雖然這種時域響應(yīng)模式用起來很簡單，但比低通模式的分辨率低。當(dāng)在低頻段使用門限時還可能會導(dǎo)致幅度測量誤差。對于被測件不是帶限的，建議使用低通模式測量。這種模式之所以稱為帶通是因為該模式應(yīng)用于頻帶受限的設(shè)備。傳統(tǒng)的TDR要求待測件能夠適應(yīng)低端直到直流的頻率，而用帶通模式在測量頻率范圍上就沒有限制。帶通模式描述了待測件的脈沖響應(yīng)。在帶通反射測量中，水平軸代表一個脈沖從一個測試端口發(fā)射到中斷點并返回的時間。垂直軸的顯示值取決于所選的格式。常用的格式如下表所列。默認的格式是

11、對數(shù)格式，它用dB單位顯示回波損耗值。線性格式是一種反射系數(shù)的響應(yīng)格式。這可看作是中斷點在測量全頻段上的反射系數(shù)的平均值。實數(shù)格式只用在低通模式下。表格式參 數(shù)線性實數(shù)對數(shù)SWR反射系數(shù)（無單位）( 0l ) 反射系數(shù)（無單位）（-11 ) 回波損耗（dB) 駐波比（無單位）4.1.2 時域低通模式時域低通階躍模式在時域上施加一個階躍激勵信號。作為一種傳統(tǒng)時域反射測量，可以測定空間不連續(xù)距離及間斷點類型（電阻性、電容性、電感性）。時域低通脈沖模式在時域上施加一個脈沖激勵信號（如帶通模式）。在頻寬一定時，低通模式比帶通模式能更好的進行時域處理，另外，使用低通模式還可測定間斷點類型。 時域低通階躍

12、模式和時域低通脈沖模式兩種時域低通模式被用來模擬傳統(tǒng)時域反射計測量，提供的信息可斷定當(dāng)前的中斷的類型（電阻，電容，電感）。低通模式提供了在頻域上一定帶寬下的最好的分辨率，它還可用來給出待測件的階躍或脈沖響應(yīng)。低通模式的通用性比帶通模式差，因為它在測量頻率范圍上有一些嚴格限制。低通模式要求頻域數(shù)據(jù)在從直流到截止頻率內(nèi)是協(xié)調(diào)的，即：截止頻率n×起始頻率，其中n是測量點數(shù)。例如，起始頻率為30kHz，測量點數(shù)為101個，則截止頻率為3.03MHz。既然矢量網(wǎng)絡(luò)分析頻率范圍從30 kHz開始，則直流頻率響應(yīng)就可從較低的頻率數(shù)值上外推。低通測量水平軸是雙向傳輸時間的間斷點（與帶通模式一樣）。光

13、標顯示雙向時間和沿著軌跡的電長度。測定實際的物理長度，輸入適當(dāng)?shù)乃俣纫蜃印４怪陛S的顯示依賴于所選的格式。低通模式下，頻域的數(shù)據(jù)按相關(guān)的頻率提取，并外推至直流。因為在傅立葉反變換中結(jié)果只有實數(shù)部分（虛部為零），該應(yīng)用下的最有用的低通階躍格式是實數(shù)格式，該模式類似于傳統(tǒng)的TDR響應(yīng)，即它顯示了實數(shù)格式的反射信號（電壓），水平軸為時間（長度）。 實數(shù)格式也能在用在低通脈沖模式中，但如果要觀察在最好的動態(tài)范圍下觀察大的和小的中斷，請使用對數(shù)格式。低通模式可模擬被測件的TDR響應(yīng)，而這個響應(yīng)包含斷定中斷類型的有用信息。下圖3舉例說明了已知中斷類型的低通響應(yīng)。所模擬的每個電路部分都表示了相應(yīng)的低通時域模式下S11的響應(yīng)波形。理論上，低通脈沖是由階躍激勵的導(dǎo)數(shù)。圖3 低通時域模式下S11的響應(yīng)波形4.2時域測量的長度（電長度）范圍在時域，范圍定義為在沒有突發(fā)副響應(yīng)的測量中時間的長度。因為頻域數(shù)據(jù)是在離散的頻率點而不是頻率帶寬的連續(xù)點取得的，所以一個時域響應(yīng)重復(fù)一個規(guī)則的時間間隔。 范圍1/F(測量點數(shù)-1)/頻寬(Hz) F是兩個相近頻域數(shù)據(jù)點的間隔。 【例】：測量點數(shù)201點、頻寬1MHz到2.00lGHz、頻率間隔(F)10MHz，則： 范圍1/F或(測量點數(shù)-1)/頻寬 1/(10×106)或(201-1)/(2×109)