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設計師和製造商經過網絡分析過程，對複雜系統內部的元器件和電路進行電氣性能測量。當這些系統傳送含有信息內容的信號時，咱們最關心的是如何最高效地將信號從一個點傳送到另外一個點，而且確保失真最小。矢量網絡分析經過測量元器件對掃頻和掃功率測試信號的幅度和相位的影響，精確表徵這些元器件的特性。工具
在本應用指南中，咱們將回顧矢量網絡分析的基本原理。討論的內容包括能夠測量的經常使用參數，例如散射參數（S 參數）的概念。另外還回顧了傳輸線和史密斯圓圖等射頻基礎知識。性能
通訊系統中的測量測試
任何通訊系統都必須考慮到信號失真的影響。雖然咱們一般認爲失真是由非線性效應引發的（例如從有用的載波信號產生的互調產物），不過純線性系統也會引入信號失真。信號在通過線性系統時，線性系統可能會改變信號頻譜份量的幅度或相位關係，從而改變信號的時間波形。spa
咱們如今來更仔細地研究一下線性特性與非線性特性的區別。.net
線性器件會改變輸入信號的幅度和相位（圖1）。進入輸入端的正弦波會再次出如今輸出端，頻率保持不變。在這個過程當中不會產生新的信號。有源和無源非線性器件均可能使輸入信號發生頻移，或增添其餘頻率份量，例如諧波和雜散信號。大輸入信號會驅動正常狀況下呈線性工做的器件進入壓縮或飽和區域，表現出非線性特性。設計
爲了實現無失真的線性傳輸，被測器件(DUT) 的幅度響應必須平坦，而相位響應在所需帶寬上必須呈線性。例如，假設一個包含很大高頻份量的方波信號經過一個帶通濾波器，該濾波器會讓選定頻率經過且衰減極小，而對通帶以外的頻率施加不一樣程度的衰減。即便濾波器擁有線性相位性能，但方波的帶外份量仍是會發生衰減，從而使本例中的輸出信號在本質上更接近正弦曲線（圖2）。若是同一個方波輸入信號經過另外一個濾波器，且該濾波器僅反轉三次諧波的相位，而不改變諧波幅度，那麼輸出信號在本質上將更像是脈衝波形（圖3）。儘管本例中的濾波器就是這種狀況，不過取決於幅度和相位的非線性特性，輸出波形一般總會出現必定的失真。3d
非線性器件也會帶來失真（圖4）。例如，若是對放大器施加的激勵過大，那麼放大器會達到飽和狀態，使輸出信號發生削波。輸出信號再也不是單純的正弦波，在輸入頻率的倍頻處會出現諧波。無源器件也可能在大功率電平下表現出非線性特性，使用磁芯電感器的L-C 濾波器就是一個典型的例子。磁性材料一般呈現高度非線性的滯後效應。功率的有效傳輸是通訊系統中的另外一個基本問題。爲了有效地傳輸、發射或接收射頻功率，傳輸線、天線和放大器等器件的阻抗必須與信號源匹配。當兩個相連器件之間的輸入和輸出阻抗的實部和虛部不理想時，就會發生阻抗失配。
矢量測量的重要性
測量信號份量的幅度和相位很是重要，緣由有幾個。首先，要想全面表徵線性網絡並確保無失真的傳輸，必需要進行這兩項測量。爲了設計有效的匹配網絡，必須測量復阻抗。
工程師在爲計算機輔助工程(CAE) 電路仿真程序開發模型時，須要幅度和相位數據才能創建精確的模型。
此外，時域表徵須要幅度和相位信息，以便執行傅立葉逆變換。矢量偏差校訂經過消除測量系統固有偏差的影響，能夠提升測量精度，但它也須要幅度和相位數據來創建有效的偏差模型。爲了達到高精度，甚至是在標量測量（例如回波損耗）中，相位測量功能也很是重要
（請參閱是德科技應用指南《在網絡分析儀測量中應用偏差校訂》，5965-7709 CHCN）。
入射與反射功率的基礎知識
矢量網絡分析的基本形式包括測量沿傳輸線傳播的入射波、反射波和傳輸波。咱們在此使用光波長做爲類比，當光照射到透鏡上時（入射能量），一部分光會從透鏡表面反射回去，但大部分光會繼續穿過透鏡（傳輸能量）（圖 5）。若是透鏡的表面是鏡面的，則大部分光線會反射回去，只有極少或沒有任何光線穿過透鏡。
雖然射頻和微波信號的波長不一樣，但原理是相同的。矢量網絡分析儀能夠精確地測量入射、反射和傳輸的能量，例如發射到傳輸線上的能量、因爲阻抗失配而沿着傳輸線反射回信號源的能量，以及成功傳輸到最終設備（例如天線）的能量。
史密斯圓圖
表徵器件時，發生的反射數量由入射信號「看到」的阻抗決定。阻抗能夠用實部和虛部來表示（R + jX 或G + jB），所以咱們能夠在一個稱爲阻抗複平面的矩形網格上繪製出阻抗。不過，開路（一種常見的射頻阻抗）出如今實軸的無窮遠處，所以沒法顯示出來。
此時咱們可使用極座標圖，由於它可以覆蓋整個阻抗面。它不是直接繪製復值反射係數的阻抗圖，而是以矢量形式顯示。矢量的幅度是其距離顯示中心的距離，矢量與從中心點到最右邊的直線之間的角度即爲相位。極座標圖的缺點是不能直接從顯示圖中讀取阻抗值。
因爲復阻抗與反射係數之間有一一對應的關係，故阻抗複平面的正實半部分能夠映射到極座標顯示圖， 結果便造成了史密斯圓圖。全部電抗值和從0 到無限大的全部正電阻值均落在史密斯圓圖內（圖 6）。
在史密斯圓圖上，恆定電阻的軌跡表現爲圓，而恆定電抗的軌跡表現爲圓弧。史密斯圓圖上的阻抗始終歸一化爲所關注的元器件或系統的特徵阻抗，對於射頻和微波系統來講一般是50 Ω，對廣播和有線電視系統則爲75 Ω。理想的終端位於史密斯圓圖的中心。
功率傳輸的條件
假設源電阻爲RS，負載電阻爲RL，爲了將最大功率傳送到負載，兩個器件之間的鏈接必須知足理想的匹配條件。不管激勵是直流電壓源仍是射頻正弦波源，只要RL = RS，就能實現這一條件（圖7）。
若是源阻抗不是純電阻，那麼，只有當負載阻抗等於源阻抗的複數共軛時，才能實現最大功率傳送。經過對阻抗虛部取反號，能夠知足這一條件。例如，若RS = 0.6 + j 0.3，則複數共軛爲RS* = 0.6 – j 0.3。
使用高頻傳輸線的主要緣由之一是須要高效率地傳送功率。若是頻率很低（波長很是長），那麼簡單的導線便足夠傳導功率。導線的電阻至關小，對低頻信號的影響也很小。不管在導線上何處進行測量，獲得的電壓和電流值均相同。
在較高頻率上，波長與高頻電路中導體的長度至關或者更小，而能夠認爲功率是以行波方式傳輸的。當傳輸線以其特性阻抗端接時，傳送至負載的功率最大。若端接負載與特性阻抗不相等，則未被負載吸取的那部分信號將被反射回信號源。
若傳輸線的端接負載等於其特性阻抗，則所傳輸的功率均被負載所吸取，不會產生任何反射信號（圖 8）。觀察射頻信號包絡隨傳輸線距離的變化，結果未發現任何駐波，這是由於沒有反射，能量只朝一個方向流動。
當傳輸線用短路端接時（短路不能維持電壓，於是耗散功率爲零），反射波會沿傳輸線返回到信號源（圖 9）。在負載平面處，反射電壓波的幅度必然等於入射電壓波幅度，而相位則相差180°。反射波與入射波幅度相等，但方向相反。
若傳輸線以開路端接（開路沒有電流），則在負載面上，反射電流波的相位將與入射電流波相差180°，而反射電壓波與入射電壓波同相。這樣能夠保證在開路處的電流爲0。反射電流波和入射電流波的幅度相等，傳播方向相反。不管是短路仍是開路，傳輸線上都會產生駐波。電壓谷值將爲0，而電壓峯值將爲入射電壓電平的2 倍。
若在傳輸線終端接一個25 Ω 電阻器，使傳輸線介於全吸取和全反射之間的狀態，則一部分入射功率被吸取，另外一部分入射功率被反射。在負載面處，反射電壓波的幅度將是入射波幅度的1/3，且兩種波的相位相差180°。駐波的谷值再也不爲0，而峯值則小於短路和開路時的峯值。峯值和谷值之比將爲2:1。
以往肯定射頻阻抗的方法是使用射頻探頭/檢波器、一段開槽傳輸線和一個 VSWR（電壓駐波比）測試儀來測量 VSWR。當探頭沿傳輸線移動時，測試儀會記下峯值和谷值的相對位置和數值。根據這些測量結果，即可推導出阻抗。您能夠在不一樣頻率下重複執行此測量步驟。現代矢量網絡分析儀能在頻率掃描期間直接測量入射波和反射波，而後以多種格式（包括VSWR）顯示阻抗結果。
矢量網絡分析的術語
在掌握了電磁波的基本知識以後， 咱們還必須瞭解測量經常使用的術語。在矢量網絡分析儀的術語中，通常用參考通道(R) 表示入射波的測量結果。A 通道負責測量反射波，B 通道負責測量傳輸波（圖 10）。在知道了這些波的幅度和相位信息以後，便能定量描述被測器件(DUT) 的反射特性和傳輸特性。反射特性和傳輸特性能夠用矢量（幅度和相位）、標量（只有幅度）或純相位表示。例如，回波損耗是反射的標量測量結果，而阻抗則是反射的矢量測量結果。咱們也可使用比值測量法進行反射和傳輸測量，這樣能夠避免受到絕對
功率以及源功率隨頻率變化產生的影響。反射量的比值一般用A/R 表示，而傳輸量的比值爲B/R，它們與儀器中的測量通道有關。
表示反射量比值的最經常使用術語是復反射係數G 或gamma（圖11）。G 的幅值稱爲r 或rho。反射係數是反射信號電壓電平與入射信號電壓電平之比。例如，端接特性阻抗Zo 的傳輸線將把所有能量傳送至負載，因此Vrefl = 0，r = 0。當負載阻抗ZL 不等於特性阻抗時，能量會發生反射，r > 0。當負載阻抗等於短路或開路時，所有能量都被反射，r = 1。所以，r 的取值範圍爲0 至1。
回波損耗是以對數形式(dB) 表示反射係數的一種方法。回波損耗是反射信號低於入射信號的dB 數。回波損耗老是爲正數，介於無限大（使用特性阻抗負載端接）和 0 dB（開路或短路端接）之間。另外一個表示反射的經常使用術語是電壓駐波比(VSRW)，它定義爲射頻包絡的最大值與最小值之比。它等於(1 + r)/(1 – r)。VSWR 的數值範圍爲1（無反射）到無限大（全反射）。
傳輸係數的定義爲總髮射電壓除以入射電壓（圖12）。若發射電壓的絕對值大於入射電壓的絕對值，則意味着被測器件或系統有增益。若發射電壓的絕對值小於入射電壓的絕對值，則意味着被測器件或系統有衰減或插入損耗。傳輸係數的相位部分稱爲插入相位。
一般，直接考察插入相位並不能提供有用信息。這是由於，因爲被測器件的電長度，使插入相位相對於頻率具備很大的（負）斜率。此斜率與被測器件的電長度成正比。因爲與線性相位的這一誤差是惟一能引發通訊系統失真的緣由，故要求去掉相位響應的線性部分，以便對餘下的非線性部分進行分析。爲此，可使用矢量網絡分析儀的電氣時延特性自動抵消被測器件的平均電長度。結果能夠獲得相位失真或偏離線性相位的高分辨度顯示（圖 13）。
測量羣時延
衡量相位失真的另外一個有用指標是羣時延（圖 14）。這個參數測量的是信號經過被測器件的傳輸時間隨頻率的變化。經過對被測器件的相位響應隨時間的變化取微分，能夠計算出羣時延。它將相位響應的線性部分簡化爲一個恆定值，再將相對線性相位的偏離變換爲相對恆定羣時延的偏離（這將引發通訊系統中的相位失真）。平均時延表明信號經過被測器件的平均傳輸時間。
依據器件的不一樣，與線性相位的偏離和羣時延都有可能須要測量，由於二者都很重要。規定器件中的最大峯峯相位波動可能不足以全面反映器件的特性，由於相位波動的斜率取決於每單位頻率發生的波動次數。羣時延則考慮了這種狀況，由於它是經微分的相位響應。利用羣時延每每更便於說明相位失真的跡象（圖 15）。
網絡表徵
爲了全面表徵一個未知的線性二端口器件， 咱們必須在不一樣的條件下進行測量並計算一組參數， 即便源和負載條件與測量時的條件不相同，這些參數也能用來全面描述所測試器件（或網絡）的電氣特性。低頻器件或網絡的表徵一般是創建在測量H、Y 和Z 參數的基礎上，爲此，必須測量器件的輸入或輸出端口上或網絡節點上的總電壓和總電流， 並且，測量必須在開路狀態和短路狀態下進行。因爲高頻總電流或總電壓很難測量，故一般用測量S 參數來代替（圖16）。這些S 參數與咱們熟悉的一些測量（如增益、損耗和反射係數）均有聯繫。它們的測量比較簡單，而且無需將多餘的負載鏈接到被測器件上。測得的多個器件的S 參數能夠進一步作矩陣運算，預測整個系統的性能。S 參數不管在線性或非線性CAE 電路仿真工具中都很容易使用，並且根據須要還可從S 參數導出H、Y 和Z 參數。一個給定器件的S 參數數量等於端口數的平方。例如，二端口器件有4 個S 參數。S 參數的編號習慣是，S 以後的第一個數字是能量出射的端口，而第二個數字則是能量進入的端口。所以，S21 表示在對端口1 施加射頻激勵以後，從端口2 輸出的功率。當數字相同時（例如
S11），便表示爲反射測量。
網絡表徵（續）
在輸出端接入精確等於測試系統特性阻抗的負載後，能夠經過測量入射信號、反射信號和傳輸信號的幅度與相位來肯定正向S 參數。若是是簡單的兩端口網絡，則S11 等效於被測器件的輸入復反射係數或阻抗，而S21 則是正向復傳輸係數。將信號源置於被測器件的輸出端口並用理想負載端接輸入端口，便能測量另外兩個（反向）S 參數。參數S22 等效於被測器件的輸出復反射係數或輸出阻抗，而S12 則是反向復傳輸係數（圖17）。
相關文獻
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網絡資源
矢量網絡分析儀：www.keysight.com/find/na
PNA 系列矢量網絡分析儀：www.keysight.com/find/pna
ENA 系列矢量網絡分析儀：www.keysight.com/find/ena
PXI 矢量網絡分析儀：www.keysight.com/find/pxivna
校準套件和電子校準件：www.keysight.com/find/ecal
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