浅谈矢量网络分析原理 矢量测量的重要性

　　矢量网络分析

　　网络分析是指设计制造人员和制造厂家对较复杂系统中所有元件和和电路的电气性能进行测量的过程。当这些系统传送具有信息内容的信号时，我们最关系的是如何以最高效率和最小失真使信号从一处传递到另一处。矢量网络分析是通过测量元件对频率扫描和功率扫描测试信号的幅度与相位的影响，来精确表征元件特性的一种方法。

　　这里我们将介绍矢量网络分析的基本原理。讨论的内容包括可测量的通用参数，其中涉及散射参数（S参数）的概念。还对一些射频基本知识，如传输线和史密斯原图进行回顾。

　　是德科技公司能够提供各种各样用于在DC-110 GHz 范围内表征元件特性的标量网络分析仪和矢量网络分析仪。还可以为这些仪器提供各种选件，以简化实验室和生产环境中的测试。

　　通信系统中的测试要求

　　在任何通信系统中，都必须考虑信号失真的影响。尽管我们一般只考虑非线性效应引起的失真（例如，当所应用的载波信号引起互调失真时），但纯粹的线性系统也可能引入信号失真。由于线性系统可能改变信号各个频谱分量的幅度或相位关系，所以有可能改变所通过信号的时间波形。

　　现在，我们来仔细的研究线性特性和非线性特性直间的差别。

　　线性器件使输入信号产生幅度和相位变化（图1）。在输入端出现的任何正弦曲线也将以相同频率出现在输出端，而不会形成新信号。无论是有源或是无源非线性器件，都可能使输入信号的频率偏离原来的位置， 或增加其它频率分量，如谐波信号或寄生信号。过大的输入信号通常会迫使线性器件进入压缩或饱和状态，从而引起非线性工作。

　　图1 。线性特征和非线性特征的比较

　　为了进行线性无失真的传输，被测器件（DUT）在所要求的整个带宽内，其幅度响应必须平坦，而相位响应必须呈线性。作为例子，我们来研究在经过带通滤波器时含有丰富高频分量的方波信号，该带通滤波器以很小的衰减让选定的频率通过，而通带之外的频率则有不同程度的衰减作用。

　　即使滤波器具有线性相位性能，方波的带外分量也将受到衰减。这使本例中的输出信号在本质 上更具正弦属性（见图2）。

　　图2. 幅度随频率的变化

　　如果在某一滤波器中通过相同的方波输入信号仅造成第3次谐波的相位倒置，而维持谐波幅度不变，则输出波形将更呈现出脉冲特征（图3）。一般来说，这种情况仅适用于本例中的滤波器，输出波形将依据幅度和相位的非线性情况呈现出任意形式的失真。

　　图3. 相位随频率的变化

　　图4. 非线性感生失真

　　非线性器件也会引入失真（图4）。例如，当放大器被过激励时，由于放大器饱和而使输出信号限幅。输出信号不再是一个纯正的正弦信号， 再输入频率的各个倍频程位置处存在谐波。无源器件在高功率电平上可能呈现非线性特征。有关这方面的一个最佳例子是利用具有磁芯电感器的LC滤波器。磁性材料常常呈现出高度非线性的滞磁效应。

　　高效率传送功率是通信系统的另一个基本问题。为了高效率地传送，发射或接收射频功率，诸如传输线，天线和放大器这样一些器件都须对信号源呈现出良好的阻抗匹配。当两个连接器件之间的输入与输出阻抗的实部和虚部都达不到理想状态时，便出现阻抗失配。

　　矢量测量的重要性

　　对各个分量的幅度和相位进行测量的重要性源于以下几个因素。首先，为了全面表征线性网络，确保无失真传输，的确需要进行这两种测量。其次，为了设计高效率匹配网络，必须测量复阻抗。最后，开发计算机辅助工程（CAE）电路仿真程序模型的工程师需要幅度和相位数据来进行精确模拟。

　　为了执行傅氏逆变换，时域表征亦需要幅度和相位信息。通过消除固有测量系统误差的影响来提高测量精度的矢量误差修正，也需要幅度和相位数据来建立有效误差模型。即使对一些标量测量（如回波损耗），为了获得高精度，相位测量能力也十分重要。

　　入射功率和反射功率的基本概念

　　在网络分析的基本形式中，包含测量沿传输线行进的入射波，反射波和传输波。利用光波长作为类比，当光投射到一个透明的透镜上时（入射能量），一部分光从透镜表面反射，但大部分光继续通过透镜（传输能量） （图5）。若透镜具有镜面，则大部分光将被反射，少量或没有通过透镜。

　　虽然射频信号和微波信号的波长不相同，但原理是一样的。网络分析仪能精确测量入射能量，反射能量和传输能量。例如，在传输线上发送的能量，沿传输线反射回发射源的能量（由于阻抗失配）以及顺利地传送至终端装置（如天线）的能量。

　　图5. 光波与高频器件特征的类比

　　史密斯圆图

　　对一个器件进行表征时所发生的反射大小取决于入射信号”看到的“阻抗。由于任何阻抗都能用实部和虚部（R+jX 或 G+jB ）表示，故可以将他们绘制在所谓复阻抗平面的直线网络上，遗憾的是，开路（一种常见的射频阻抗）在实轴上表现为无限大，因而无法表示出来。

　　极坐标图由于包括了整个阻抗平面因而具有重要使用价值，然而，它并不直接绘出阻抗曲线，而是以矢量形式显示出复反射系数，矢量的大小对应于距显示器中心的距离，而相位则显示为矢量相对于从中心到右边沿水平直线的角度。极坐标图的缺点是不能直接从显示读取阻抗值。

　　图6. 史密斯圆图

　　由于复阻抗于反射系数两者直间有一一对应的关系，故复阻抗平面的正实半部分可以映射到极坐标显示上。结果便形成了史密斯圆图。所以电抗值和从0到无限大的所有正电阻值均落在史密斯圆图内（图6）。

　　在史密斯圆图上，恒定电阻的轨迹表现为圆，而恒定电抗的轨迹表现为圆弧。史密斯圆图上的阻抗总是指对所考察的元件或系统的特性阻抗进行归一化后的阻抗，通常对射频和微波系统来说特性阻抗是50Ω，而对广播和有线电视系统特性阻抗则为75Ω。理想的终端位于史密斯圆图的中心。

　　功率传送条件

　　给定源电阻为Rs 及负载电阻为RL 时， 为了将最大功率传送到负载，在两个器件的连接处必须满足理想的匹配条件。RL = Rs 时，无论激励是直流电源还是射频正弦波源，均能实现这一条件（图7）。

　　如果源阻抗不是纯电阻，那么，只有当负载阻抗于源阻抗呈现复数共轭时，才能产生最大功率传送。这个条件由对阻抗虚部取相反符号来满足。例如，若Rs=0.6+j 0.3， 则复数共轭为 Rs=0.6-j 0.3。

　　需要高效率的功率传送是在较高频率上使用传输线的主要原因之一。在很低的频率（波长非常长）处，简单的导线便适于传导功率。导线的电阻相当小，对低频信号的影响也很小。电压和电流均相同，在导线上何处进行测量则无关紧要。

　　在较高频率上，波长与高频电路中导体的长度相当或者更小，而功率传输可以认为是以波形方式实施。当传输线的终端负载等于其特性阻抗时，便有最大功率传送至负载。当终端负载与特性阻抗不相等时，则未被负载吸收的那部分信号将被反射会信号源。

　　若传输线的终端负载等于其特性阻抗时，便没有反射信号，因为所传输的功率均被负载吸收（图8）。观察射频信号包络随传输线距离的变化并未发现驻波，这是因为没有反射，能量只在一个方向上流动。

　　图7. 功率传送

　　图 8. 用Zo端的传输线

　　当传输线终端短路时（短路不能维持电压，因而耗散功率为零），反射波沿传输线返回到信号源（图9）。反射电压波的大小必然等于入射电压波；而相位在负载平面处则与入射波相差108°。反射波与入射波的大小相等，但按相反方向进行。

　　若传输线的终端开路（开路不能维持电流），反射电流波的相位将与入射电流波相差180°，而反射电压波则在负载平面上与入射电压波同相。这便保证在开路处的电流为0。反射电流波和入射电流波的大小相等，但按相反方向进行。对于短路和开路两种情况，在传输线上都会建立驻波。电压谷值将为0，而电压峰值将为入射电压电平的2倍。

　　若传输终端接入譬如一个25Ω的电阻器，导致介于全吸收和全反射之间的状态，则部分入射功率被吸收，部分入射功率被反射。反射电压波的幅度将是入射波幅度的1/3，且两种波在负载平面处的相位相差180°。驻波的谷值不再为0，而峰值则小于短路和开路情况的峰值。峰值和谷值之比将是2:1。

　　确定射频阻抗的传统方法是利用射频探针/检波器，一段开槽传输和一个VSWR（电压驻波比）测试仪来测量VSWR。当探针沿传输线移动时，测试仪便记下峰值和谷值的相对位置和数值。根据这些测量，便可导出阻抗。在不同的频率上，可以重复此测量步骤。现代网络分析仪能在频率扫描期间直接测量入射波和反射波，阻抗结果可以用多种格式（包括VSWR）显示出来。

图9. 终端短路，开路的传输线