一、標量網絡分析儀

標量網絡分析系統中最獨特的元件是用作射頻功率檢測器件的二極管檢波器。這樣便可實現對射頻特性的十分經濟寬帶幅度測量。

1、二極管檢波器

二極管檢波器將射頻信號變換為成正比的直流電壓。若信號是調幅信號，則二極管將恢復該調制信號。二極管檢波器可能具有很寬的帶寬（10MHz～50GHz）、快的響應時間和達76dB的動態測量范圍。典型的檢波器回波損耗為20dB。

二極管具有一個平方律區域，在此區域內，電壓輸出與功率輸出成正比（見下圖）。之所以稱為平方律區域，是因為電壓輸出與電壓輸入的平方成正比。超過某個功率電平，響應便變為線性響應。標量網絡分析儀接收機具有補償這個檢波器特性變化的能力，從而擴大了允許的動態范圍。

二極管檢波器的特性

      二極管檢波方案采用直流檢波或交流檢波。直流檢波器產生與入射到二極管上的功率成正比的直流信號。二極管的輸出直接由分析儀計讀，在這種情況下，分析儀成為一個具有對數響應的品質優良的電壓表。交流檢波也產生與入射功率成正比的信號，但射頻源是方波調幅源，從而形成檢波器的方波輸出。

     與直流檢波相比，交流檢波具有消除二極管檢波器直流漂移和對溫度敏感的好處。此外，交流檢波還不受檢波器輸入端未經調制的信號的影響。交流檢波需要射頻源調制，這有時難以實現且可能影響被測件的性能。標量分析儀接收機容納多個（達四個）檢波器輸入。

      在利用寬帶檢波器時，必須注意一下事實：它們可能對在輸入端口出現的處于檢波器頻率范圍內的所有信號起響應。在這種測量情況下，必須注意源的諧波電平和寄生信號。若被測的信號處在檢波器的平方律區域，則不希望的信號將附加在功率檢測中。在檢波器功率響應范圍的線性部分，不希望的信號會給線性檢測附加上不確定度。

       標量分析儀系統中的定向電橋是檢波器和信號分離器件的組合。定向電橋的工作很像惠斯通電橋（如下圖）。

標量分析儀定向電橋

     若四個臂的電阻相同（即測試端口=50Ω），則測出零電壓。若測試端口的負載不是50Ω，則電橋的端電壓與被測件（DUT）的失配（偏離50Ω）成正比。定向電橋具有寬帶特性以及很好（40dB）的方向性，但代價是是它們在入射射頻通路中具有6dB的插入損耗，這可能影響在被測件上可利用的入射功率大小，因此可能限制傳輸測量的動態范圍。

2、反射測量

      下圖是反射測量校準配置和測量配置圖。

 

校準配置（a）                                  測量配置（b）

     對基本反射測量配置中信號流程的分析可以得到反射不確定度的表示式，該表示式考慮了測量校準和隨后被測件特性測量過程中引入的任何不確定度。下圖示出了反射校準和實際測量的不確定度如何加入總測量不確定度。

反射測量的不確定度

這種情況的簡化不確定度定義方程可以用下式給出△ρ=A+Bρ_L+Cρ_L²            式中，△ρ為反射的幅度不確定度；A為方向性；B為校準誤差、頻率響應、顯示器和儀器誤差；C為有效源匹配；ρ_L為被測件的反射系數。

第一個系數是信號分離器件的方向性項。如方向性的定義中所述，它等效于直接泄漏到反射信號檢波器的入射能量部分，而與待測的反射項無關。在強反射項的情況下，方向性不是主要關心的問題，但對于回波損耗大的測試器件，方向性則可能是主要誤差源。選擇方向性比待測的回波損耗大的信號分離器件是重要的。此外，還必須小心對待在反射器件的測試端口輸出處所附加的適配器，因為適配器的連接器匹配可能是系統方向性的限制因素。

不確定度方程中B項與被測件入射波的直接路徑和反射檢測器的反射波的返回路徑中的誤差有關。這一項的頻率響應部分可以通過測試端口用短路器（ρ=1）進行歸一化測量的方法校準掉。這便減小了頻率響應誤差，但未考慮顯示器和儀器誤差，如接收機的動態精度。

最后的不確定度項是有效源匹配項C。這是反射波被非理想源重新反射并作為另一個入射波加以測量的結果。這個不確定度項是當被測件具有接近于1的ρ_L時的潛在問題。改善等效源匹配的方法有：利用功分器--比值測量配置，改善激勵的輸出源穩幅或在激勵通路內置入緩沖器或衰減器加以改善。

在標量系統中，還利用了另一種校準技術，可減小由于方向性誤差和源匹配誤差之和引起的誤差。通過對短路響應和開路響應取平均，可以消除由于方向性誤差和源匹配誤差之和引起的校準誤差。開路和短路平均往往能將校準誤差平均掉，從而使B=0。下圖示出了開路和短路平均對校準的影響。

標量分析儀的開路和短路取平均的特性測量

大多數儀器供應商提供的一種很有用的工具是反射計和適配誤差計算器。它是一種將方向性、失配、駐波比及不確定度關聯在一起的簡單器具。方向性可以直接轉換為等效于反射系統測量中誤差項A的線性項。此外，還可以直接在反射系數、回波損耗和駐波比（SWR）之間進行轉換。還可以計算由于多次失配引起的波動大小。這在傳輸計算以及在反射不確定度的等效源匹配分析中都很有價值。

3、傳輸測量

進行標量分析儀的傳輸測量時，首先對直通參考連接進行校準，然后用被測件代替該直通路徑。所得到的傳輸幅度測量的不確定度是校準測量的不確定度與器件測量的不確定度之和。起主要作用的誤差源是源和檢波器的失配。頻率響應誤差通過歸一化來消除，但直通校準具有由源匹配和檢波器負載之間多次反射引起的不確定度。當插入被測件時，在源匹配與被測件輸入匹配之間以及在被測件輸出匹配與檢波器匹配之間將發生類似的不確定度。下圖說明了這些失配是如何起作用的。

傳輸測量是配的不確定度

下圖示出了實際多重失配不確定度如何相加。

失配不確定度模型

（ρs為源反射，ρ1為被測件的輸入反射，ρ2為被測件的輸出反射，ρd為檢波器的反射）

在信號源或檢波器前加緩沖衰減器、用穩幅技術改善源匹配或采用功分器-比值測量是可用來改善系統的等效源匹配或檢波器匹配，因而降低測量不確定度的各種方法。

       4、特殊應用

盡管標量網絡分析儀的主要應用是線性網絡的頻域特性測量，但仍有一些它們可以解決的其它應用。例如，可以利用頻域測量來計算沿傳輸結構回波損耗距離的變化。將傅里葉變換分析技術應用于頻域信息，可以獲得其時域仿真，從而能根據特定傳輸媒質的傳播速度對它按距離進行定標。所得到的輸出是傳輸結構缺陷位置分析的有力工具。

在某些標量網絡分析儀系統中，可以個別針對檢波器的頻率響應和動態精度對其特性加以表征，這就使檢波器能以功率計的精度來測量功率。有了這樣的精度，標量分析儀在測量有源器件如放大器的壓縮特性和對幅度的敏感特性時十分有用。此外，利用卓越的功率測量能力和所具有的諸如交流檢波之類的技術，標量分析儀在測量變頻器件如混頻器元件或通信用上、下變頻系統元件中，正在獲得越來越多的應用。

二、矢量網絡分析儀

基本測量特性  矢量網絡分析儀配置與標量網絡分析儀的主要區別在于接收機的復雜程度和從檢波器外推的信息（見下圖）。

  

矢量網絡分析儀配置圖

信號分離器件包含功分器、耦合器和（或）電橋。信號處理元件和適當的射頻轉接通常一起布置在測量系統的“測試裝置”部分。這樣做是因為在采用復雜的校準時，需要經常進行可重復的和精確信號的轉接。

• 調諧接收機

矢量網絡分析儀系統的接收機部分是以對信號源的頻率跟蹤的方式調諧的基波混頻或諧波混頻多通道接收機。接收機將寬帶掃描射頻信號向下變換成固定且與射頻測試頻率無關的中頻頻率。中頻頻率足夠低，使能用精密檢測電路確定每個接收機通道內的信號幅度和任意兩個接收機通道的相位關系。結果是一種寬動態范圍（100dB）的無雜散信號多通道接收機，能對其多個輸入中的任意兩個輸入的矢量量值（如反射系數和增益）進行測量。測量相位特性的能力賦予矢量網絡分析儀對被測件的復阻抗和相位延遲特性進行表征的功能。能測量矢量和進行復雜的計算允許這種測量系統實現復雜的校準，即通過測量精確已知的標準并計算出將應用于被測件測得得數據的修正系數。檢波器能對測得的數據進行復雜的矢量操作，這種能力允許系統顯著地改善測量的質量并降低與測量結果相關的不確定度。檢波器還具有操作誤差修正數據的能力，使以許多不同的顯示格式（從線性相位或幅度隨頻率的變化到矢量的極坐標顯示）給出信息。

與標量檢波器的特性非常相似，矢量網絡分析儀接收機對分析儀的性能也有若干限制。人們希望接收機在其變換特性時呈線性。因此，每個接收機通道在開始發生壓縮和限幅之前，存在著最大允許的輸入信號。在低信號電平下，接收機的靈敏度和精度受噪聲和不是測量通路一部分的低電平信號漏泄（串擾）的限制。每個網絡分析儀系統（包括適當的信號分離測試裝置）必須從信號電平的觀點仔細了解，以從系統獲得最佳性能。必須小心維持最佳入射測試信號和接收機輸入信號的幅度。

• 反射測量

利用測量矢量的能力，可能測量器件反射信號與入射信號之比。這個比值是反射系數_ГL的復數表示。矢量網絡分析儀能顯示反射系數的幅度或相位隨頻率的變化。它也能給出反射系數的極坐標顯示。由于每個特定反射系數是與唯一的阻抗相關，故可能將矢量反射系數與阻抗相聯系。

下圖是所謂史密斯（Smith）圓圖的常用極坐標顯示的簡圖。它是反射系數的極坐標顯示，具有對特性阻抗Z₀歸一化的交疊的恒定阻抗線。史密斯圓圖的極坐標顯示是對被測件的輸入阻抗進行評估的十分有效的分析工具。所有正實數電阻值變換為單位反射系數圓內的點。

斯密斯圓圖上的阻抗測量

下圖是反射測量配置的模型。測得的反射系數（S₁₁）和實際反射系數的表示式表明，測量不確定度受方向性、統調和源匹配三項的影響。在這種情況下，采取若干校準步驟可能比只注意可能達到的原始性能效果更好。第一步是將短路器置于測試端口；然后，將測得的數據對短路器的反射（在180°處，_Г=1）歸一化。這稱之為響應校準，可消除測量系統中的頻率響應誤差。

反射測量信號通路

更復雜一些的方法是進行單端口校準。這個步驟要求測量幾個不同的器件，以外推反射測量的誤差項。第一個被測器件是精密負載，測得的數據是誤差模型的方向性項。然后測量開路器和短路器。根據這兩組測量，可能得出系統的源匹配誤差和頻率響應誤差。校準之后，網絡分析儀的檢波器將儲存誤差項。這些誤差項用來將測得的數據變換為被測件反射特性經修正后的顯示。“理想”校準標準只將測量修正到它們自身的理想程度。例如，在很高的頻率上，很難制造出理想的固定終端，因此，高頻校準器件包括了滑動終端，利用滑動終端，通過將負載在空氣線上滑動來形成數據點“圓”，可以確定給定頻率上的方向性矢量。此數據點圓的圓心就是該頻率上的方向性矢量。

• 傳輸測量

在進行二端口器件測量時，通常感興趣的是測量未知器件的反射特性和傳輸特性。這將出現某些必須考慮的有意義的互作用，下圖示出了測量情況。

傳輸測量的信號路徑

首先看到的是，在被測件的輸出端，測量系統的負載匹配將影響器件的輸入匹配。在傳輸路徑上，頻率響應、源失配互作用、負載失配互作用和串擾是影響測量精度的幾個因素。同反射測量情況一樣，通過系統的計算代表特定測試系統特性的各項誤差，可能利用已知標準器件的測量來對整個測量系統進行校準。

下圖是傳輸測量的信號流圖和表示式。注意，源匹配MS與S11A的互作用、負載匹配ML與S21A的互作用、傳輸頻率響應誤差Tt和漏泄串擾（C）誤差。這個模型還表明，為了精確的得到S22A數據，必須知道精確為S11、S12和S22信息。

傳輸測量的信號流圖

利用全二端口測量校準可以從數學上消除上述誤差的影響。單端口反射校準用于表征源匹配特性，直通連接用于表征傳輸頻率響應和負載匹配特性，而隔離校準則用于確定傳輸漏泄或串擾。一個完整的全二端口測量模型包括正向測量和反向測量兩者的模型。為了精確測量單一S參數，必須測量所有參數。

一般校準方法是利用傳統的開路/短路/負載/直通標準。然而制造這些標準并不總是簡單易行，尤其是在非同軸媒質中更是如此。固定寬帶負載很難制造，所以，為了獲得更高的精密度，可以用滑動負載代替固定負載。在波導結構的毫米波頻率上，用偏置負載和固定負載建立方向性矢量的中心點。在波導結構中采用了偏置短路，因為不可能存在開路標準。直通/反射/傳輸線（TRL）校準計算與其它方法相同的12個誤差項（二端口的方向性、二端口的正向匹配和反向匹配、傳輸和反射的正向和反向統調以及正向隔離和反向隔離），但利用了直通連接，大的未知反射以及一段傳輸線（其參數阻抗為Z₀參考）來獲得校準數據。與其它校準方法相比，TRL校準方法具有簡單和精確的優點。它特別適用于一些很難獲得的異常傳輸線環境，如微帶。下面的表格針對不同的校準方法給出了利用在7mm連接環境中提供的校準標準所能達到的精度類型的概念。

 

剩余誤差	開路，短路，固定負載，dB	開路，短路，滑動負載，dB	開路，短路，偏置負載，dB	TRL，dB
方向性δ	-40	-52	-60	-60
匹配τ	-35	-41	-42	-60
統調μ	±0.1	±0.47	±0.35	±0.0

 各種精度提高方法小結

測量校準	使用場合	所消除的誤差
響應	傳輸測量	只頻率響應
	反射測量
	不要求最高精度時
S11端口	反射測量：最高精度	方向性 源匹配 頻率響應
	用于單端口器件（可用于匹配良好的二端口器件）
全二端口	傳輸測量	方向性 源匹配，負載匹配隔離 頻率響應
	反射測量
	二端口器件的最高測量精度

 任何特定網絡分析儀系統的數據表都會給出系統測量能力隨系統性能、校準方法和待測的被測件參數變化的曲線圖。下圖是一張S參數測量精度的樣板圖，它是射頻網絡分析儀采用全二端口校準以及在幾種連接器環境下（N型，3.5mm，7mm）得到的。

（a）傳輸測量                            （b）反射測量

• 特殊考慮

隨著矢量網絡分析儀形成自己的內部計算和控制能力，已發展了若干新的測量功能。矢量網絡分析儀可以通過計算所測相位的斜率來確定器件的群延時。群延時是用來描述器件的相位如何呈線性，因而可能對通信系統帶來多大失真的一個術語。群延時T_G具有時間的量綱。

最強大的分析手段之一是內置時域功能。時域功能對測得的頻率數據進行數字傅里葉變換，并在時域中仿真對被測器件的脈沖或階躍響應。時域顯示可用來分析傳輸模式下的階躍和脈沖特性，并可仿真反射特性測量中的時域反射計模式。這種仿真能深入了解測試器件的特性。

矢量網絡分析儀還納入了一些校準方法，允許針對功率輸出和功率入射校準測試裝置端口，使其接近功率計精度的水平。利用這種功能，有源器件隨功率變化的特性測量就成為一個新的應用領域。放大器的增益壓縮就是一個對功率敏感元件十分重要的器件考慮的例子。此外，某些矢量網絡分析儀的方塊圖還具有使接收機跟蹤諧波或源以及基波輸入的能力。這就能對諧波含量進行掃頻的特性測量。除諧波之外，某些系統還能使接收機偏離源頻率，從而能實現頻偏測量，這可用于測量變頻器或混頻器。