一、概述

     對工作在高頻的電子電路特性的正確表征提出了某些獨特的要求。在高頻上，工作波長變得可與電路元器件的實際尺寸相比擬，這便導致電路性能呈分布屬性。與其描述特定電路節點處的電壓和電流，不如描述傳輸媒質中的電波如何對其路徑上的元件作出相應更為適當。網絡分析儀是為精確和高效率地表征射頻（RF）元件隨頻率變化的特性而發展起來的一類儀器。

    網絡分析儀是通過在所考察頻率范圍內的激勵---響應測試來建立線性網絡的傳遞和（或）阻抗特性的數據模型的過程。在高于1MHz的頻率上，集總元件實際上變成由基本元件加上寄生現象，如雜散電容、引線電感和未知吸收損耗組成的“電路”。由于寄生現象取決于各個別器件及其結構，故它們幾乎不可能被預示。高于1GHz時，元件的幾何尺寸可以與信號波長相比擬，從而增強了由于器件結構而引起的電路性能變化。網絡分析一般局限于確定線性網絡。因為線性條件的約束，受正弦波激勵的網絡產生正弦波輸出，故正弦波測試是表征幅度和相位隨頻率變化的理想方法。

二、元件特性

    射頻（頻率低于3GHz）能量或微波（頻率在3～30GHz范圍）能量可以比作光波。入射到被測件（DUT）上的能量或是被器件反射，或是通過器件傳輸（如下圖）。

  

入射到被測件上的波的反射特性和傳輸特性

通過測量兩個新產生的波之間的幅度比和相位差，就可能確定器件的反射（阻抗）特性和傳輸（增益）特性

1、反射和傳輸

    有許多用來描述這些特性的術語。某些特性只利用幅度信息（標量）。而另一些特性則包含幅度和相位兩種信息（矢量）。若器件上的入射波表示為V_INCID，則V_INCID與I_INCID之比稱為傳輸系統的特性阻抗Z₀，端接傳輸系統的器件具有所謂負載阻抗Z_L的輸入阻抗，于是，幾個重要的器件特性可以定義為：

反射術語：

=V_REFLEC/V_INCID=(Z_L-Z₀)/(Z_L+Z₀)

      式中為器件反射系數；V_INCID為測試器件上的入射波；V_REFLEC為測試器件上的反射波；Z₀為傳輸媒質的特性阻抗；Z_L為測試器件的阻抗。

ρ=∣∣

式中，ρ為反射系數的幅度；為復反射系數。

式中SWR為傳輸媒質上電流或電壓的駐波比；ρ=反射系數的幅度。

 式中Z_L為負載的復阻抗；為復反射系數；Z₀為傳輸媒質的特性阻抗。

回波損耗（dB）=-20logρ

式中，ρ為反射系數的幅度。

   傳輸術語：

傳輸系數=V_TRANS/V_INCID

式中，V_INCID為被測件上的入射波；V_TRANS為通過被測件的傳輸波。

插入損耗（dB）=20log（V_TRANS/V_INCID）

增益（dB）=20log∣V_TRANS/V_INCID∣

           式中，V_INCID為被測件上的入射波的幅度；V_TRANS為通過被測件的傳輸波的幅度。

插入相位=∠V_TRANS-∠V_INCID

           式中，∠V_INCID為被測件上的入射波矢量的相對相角；∠V_TRANS為通過被測件的傳輸波矢量的相對相角。

2、散射（S）系數

   許多元件測量都具有二端口網絡，如放大器、濾波器和電纜。這些元件的特性通常用來確定作為更復雜系統的一部分的特定器件將起何作用。為了提供射頻環境下對全二端口網絡建立模型和分析的方法，定義了散射（S）系數（如下圖）。

被測件的散射參數測量

    這是一種與低頻Z或Y模型相似的表征方法，只是它利用入射波、傳輸波和反射波來表征器件的輸入端口和輸出端口，而不是利用在高頻上不能測量的電壓和電流。S參數在一定條件下與其它表征相關。例如S₁₁是在器件輸出端具有  理想Z₀匹配的條件下等效于器件的輸入反射系數_IN。器件的S參數表征在測量、模型化和設計具有多個元件的復雜系統等方面起著關鍵作用。S參數的定義還使它們能夠用網絡分析儀進行測量。

三、網絡分析系統的組成部分

    網絡分析儀測量系統可以分成四大部分，即提供入射信號的信號源、用來分離入射信號、反射信號和傳輸信號的信號分離器件、將微波信號變為較低的中頻（IF）信號的接收機以及用于處理中頻信號和顯示檢測出的信息的信號處理器和顯示器部分（如下圖）。

網絡分析儀測量系統的主要組成部分

     1、信號源

信號源（射頻或微波）產生用于激勵測試器件的入射信號。測試器件的響應是反射一部分入射能量和傳輸余下部分能量。通過對信號源的頻率掃描，可以確定器件的頻率響應。頻率范圍、頻率穩定度、信號純度、輸出功率電平和電平控制是可能影響測量的因素。用于網絡分析儀測量的信號源大體上有兩類，即掃頻振蕩器和合成掃頻振蕩器（包括合成信號發生器）。掃頻振蕩器的成本低，但它的頻率精度和穩定度遠遠不及合成器。若器件響應在掃頻發生器的剩余調頻頻譜范圍內顯著改變，便應利用更穩定的信號源，如合成器或合成掃頻振蕩器。此外，若器件的相位響應隨頻率迅速改變（即電氣上的器件，如長電纜），便應利用頻率穩定的信號源，如合成器來避免頻率漂移。

     2、信號分離

測量過程的下一步是對入射信號、反射信號和傳輸信號進行分離。分離之后，就能測量它們各自的幅度和（或）相位差。這一點可以利用定向耦合器、電橋、功分器乃至高阻抗探頭完成。下圖給出可能的傳輸測量配置。

傳輸測量配置

定向耦合器是一種由兩路耦合器傳輸線構成的器件，傳輸線配置成使能量在一個方向上通過主端口時可將能量耦合至輔助端口，而相反方向則不能把能量耦合至輔助端口。定向耦合器在主線路徑上的損耗通常相當小，因而對入射功率產生小的損耗。定向耦合器的結構見下圖。

定向耦合器的耦合特性

耦合臂只對行進在一個方向的信號取樣。耦合信號處于降低了電平，降低電平的大小稱為耦合系數。20dB定向耦合器意味著耦合端口的電平比輸入低20dB，相當于入射功率的1%。余下的99%入射功率都通過主臂傳送。定向耦合器的另一個重要特性是方向性。方向性定義為正向檢測出的型號與反向檢測出的信號之差。方向性不理想的原因是信號泄露、耦合器內部負載的反射及連接器的反射。典型定向耦合器將以30dB的方向性工作在幾個倍頻程范圍。二電阻功分器（如下圖）用于對入射信號或傳輸信號取樣。

二電阻功分器

    輸入信號平均分配到兩個臂上，每個臂的輸出信號（功率）都比輸入低6dB。功分器的主要應用是使測量有極好的源匹配。如果功分器輸出的一臂接到參考檢波器上，而另一臂經過被測件通向傳輸檢波器，則傳輸與入射的比值顯示的效果是使功分器中的電阻器決定了測量的等效源匹配，在功分器之前所有對源匹配的其它影響皆被取比值所排除。功分器的帶寬極寬，具有優良的頻率響應。且在側試器件的輸入端呈現良好的匹配。

    在不同于典型50Ω或75Ω的環境中，可以用高阻抗探頭進行測量。重要的是探頭阻抗要比電路阻抗大，使不會發生不需要的加載。

    下圖示出了反射測量的裝置。反射測量需要一個定向器件。分離入射信號和反射信號可以用雙定向耦合器或電橋完成。其重要差別在于所涉及的功率電平。定向耦合器的主臂損耗較小，而電橋則趨向于在寬頻范圍內有較好的響應，因而更經常使用。

反射測量配置

3、接收機

     接收機提供將射頻或微波信號變換成較低的中頻或直流信號，使能進行精確檢測的手段。網絡分析儀中采用的接收機技術大體上有三類（如下圖）。

     最簡單的技術是利用二極管檢波器作為寬帶檢測器，它將所有入射能量變換成與入射到二極管上的功率成正比的直流信號。另外兩類接收機是利用基波混頻和諧波混頻輸入結構將射頻信號變換成較低頻的中頻信號的寬帶調諧接收機。調諧接收機具有窄通帶的中頻濾波器，用來抑制雜散信號并壓低接收機的本底噪聲。利用寬帶二極管檢波器的接收機用在標量網絡分析儀中，而調諧接收技術則用在矢量網絡分析儀中。標量系統是最經濟的測量，實現起來最簡單。矢量測量系統（調諧接收機）有最寬的動態范圍，不受諧波響應和寄生相應的影響，且能測量輸入信號的相位關系。此外，還提供使測量更精確的進行更復雜校準的能力。

4、處理器/顯示器

     檢測出射頻后，網絡分析儀必須處理檢測出的信號并顯示測得的量值。網絡分析儀是利用了一個參考通道和至少一個測試通道的多通道接收機。可以測量通道內的絕對信道電平、通道之間的相對信號電平（比值）或通道之間的相對相位差，視分析儀而定。相對比值測量通常以dB為單位，dB是未知信道（測試通道）與所選擇的參考信號（參考通道）的對數比。這就能測量既有高電平，也有低電平電路響應的變化時使用儀器的整個動態范圍。例如，0dB意味著兩個信號電平具有為1的比值，而±20dB則意味著兩個信號之間的電壓比為10：1。所有網絡分析儀的相位測量都是相對測量，這時認為參考通道信號具有零相位。然后，分析儀測量其余通道相對于參考通道的相位差。

四、測量精度

    任何網絡分析儀測量的規定精度是對被測器件和用于測量的特定的網絡分析儀系統兩方面必須考慮的許多因素的結果。只要可以確定誤差源并了解測量方法的理論模型，便能確保最終結果的精度。所得到的不確定度不僅隨測量系統而變，而且也隨被測件的參數而變。下圖是為了確定任何特定測量中的不確定度大小所必須考慮的因素的圖解。

影響測量不確定度和給定網絡分析儀性能的誤差源

1、不確定度

    用于計算任何測量不確定度的模型和分析方法都歸結為一個測量誤差源的函數的表示式。最終不確定度的典型表示式具有下列形式：

Mag uncert=Systematic+[Random²+(Drift+stability²)]^1/2

式中Mag uncert為幅度測量的不確定度；Systematic為測量系統的系統誤差；Random為測量系統的隨機誤差；Drift+stability為器件或測試系統的漂移特性。

   在這個表示形式中，系統誤差是以最壞情況的方式相加，隨機誤差、漂移誤差和穩定性誤差則用平方和的平方根（RSS）方式表征，如表示式中的第二項所示。對于一個特定測試系統，了解這些誤差的來源和大小對確定所進行的測量的質量是至關重要的。

 系統誤差是在校準之后不會發生變化的誤差且在測量期間維持穩定。系統誤差與實際測試系統復現理想激勵—響應測試環境的好壞程度有關。因此，測試系統的剩余方向性、對直通響應的統調以及等效源和負載匹配是可能導致誤差的真實系統的測量特性。

一個簡單的例子是等效源匹配的誤差，若測試系統的信號源不是理想匹配的，則被測件的反射波將被非理性源再次反射，并作為第二個入射波返回被測件，其結果是由于在測試源與被測件之間的多次反射造成的可能測量誤差，這個誤差的確是隨造成多次反射的兩個失配的幅度而變，有許多不同的方法可用來改善這類系統誤差。在等效源匹配的情況下，在測試端口增加一個固定的衰減器或進行單端口系統校準是能改善視在失配的兩種方法。

另一類系統誤差與特定網絡分析儀系統的檢測處理有關。動態精度是大多數測量系統配置中的主要考慮因素。動態精度與接收機在大的幅度范圍內精確檢測信號的能力有關。在確定接收機可能測量的信號范圍時，最大輸入信號受接收機輸入裝置中的壓縮限制，而可能檢測的最小信號則受接收機本底噪聲或受測量硬件中通過不希望路徑的信號串擾和漏泄的限制。信號檢測電路的固有線性取決于所用接收機檢波器的類型。

為了解決各種系統誤差問題具體選用何種校準方法，取決于被測件的特性和用于測量的特定網絡分析系統。

2、隨機誤差

隨機測量誤差的主要來源有噪聲源、連接器的重復性和電纜的穩定性。在任何系統中都存在若干噪聲源，系統的靈敏度取決于接收機前端下變頻器或檢波器的噪聲。信號源的頻譜純度和接收機本振可能將噪聲增加到數據流上。具有可變檢測帶寬和數據平均的接收機裝置提供了減小噪聲的某些方法。一般矢量網絡分析儀的接收機具有這個功能，用戶可以設定接收機的中頻帶寬，在靈敏度和接收機的掃描速度之間作折衷考慮。

連接器的重復性可能依所用連接器系統的質量而有顯著變化。在每種連接器標準中，對所使用的元件存在著不同的質量等級。它們通常被分為工業用連接器、儀器用連接器和精密連接器。相應的元件的成本、容差和射頻性能也有所不同。在任何連接器類別中，精密連接器的重復性可能大于60dB，而工業用連接器的重復性則可能小于30 dB。在任何部分特定情況下，連接器的重復性可以通過進行多次連接并測量數據最終的差別來確定。分析應在大量的樣本的基礎上進行，并用統計方式加以表征。

  電纜是一個主要誤差源。若校準之后不移動電纜，則誤差一半很小，但這不是系統的典型應用情況。典型情況下，傳輸相位誤差將大于幅度誤差。在測量要求極小的移動時，硬線電纜往往更穩定。但若電纜必須經常移動，則優質柔軟性電纜是必不可少的。

  漂移和穩定性體現了系統內隨時間和溫度所發生的變化。這類誤差的典型來源可能歸因于接收機的下變頻和檢波隨溫度而變化。網絡分析儀測量系統的許多比值能幫助常用工作方式擺脫對飄移的潛在敏感性。解決這個誤差源問題的最適當的辦法是，從利用最穩定的硬件著手并在隨后經常對測量進行重新校準，以避免在特殊測量環境中出現的一些問題。