微波矢量网络分析仪原理17

矢量网络分析仪的原理1 引 言微波矢量网络分析仪是对微波网络参数进行全面测量的一种装置。其早期产品是阻抗图示仪，随着扫频信号源和取样混频器技术上的突破， 微波网络分析仪得到了迅速发展。但其出现初期一段相当长的时间内一直处于手动状态。直到20 世纪60年代，将计算机应用于测量技术，才出 现了全自动的网络分析仪-自动网络分析仪。自动矢量网络分析仪是一种多功能的测量装置，它既能测量反射参数和传输参数，也能自动转换为其他需要的参数；既能测量无源网络，也 能测量有源网络；既能点频测量，也能扫频测量；既能手动也能自动；既能荧光屏显示也能保存数据或打印输出。它是当前较为成熟而全面的一 种微波网络参数测量仪器。微波元器件性能的描述，一般采用散射参数，如双口网络有S、S21、S2和S22四个参数，它们通常都是复量。而网络分析仪正是直接测量 这些参数的一种仪器，又能方便地转换为其它多种形式的特性参数。因此网络分析仪大大扩展了微波测量的功能和提高了工作效率。由于自动网络分析仪采用点频步进式“扫频”测量，因而能逐点修正误差，使扫频测量精确度达到甚至超过手动测量的水平。因此，自动网 络分析仪既能实现高速、宽频带测量，又能达到一般标准计量设备的精确度。2 微波矢量网络分析仪组成与测量原理将微波标量网络分析仪的检波器和比值计改为幅相接收机便组成微波网络分析仪。其测量原理如下。2-1 幅相接收机框图幅相接收机的方案很多，有外差混频式，取样变频式，单边带式和调制副载波式等。这里介绍取样变频式幅相接收机的基本原理。幅相接收机的方框图示于图 2-。由定向耦合器取样的入射波和反射波，分别送入幅相接收机的参考通道和测试通道。经取样变频器向下变 换到恒定不变的中频fF(20.278MHz),再经过第二混频器，变换到低频(278kHz),得到待显示信号。要求频率变换过程是线性的，即不能改变原 来微波信号的相位信息和振幅信息。为了扩展频段，用窄脉冲发生器代替常规本振，用取样门代替常规混频器（取样变频器）。窄脉冲发生器产生一系列宽度很窄的脉冲。如果每 个窄脉冲的宽度窄到与所用信号的周期可以比较，则取样门就等效为谐波混频器。因此，一个单独系统就能工作在110MHz到12.4GHz的信号带 宽以上。一般谐波混频器有较低的噪声系数和较大的动态范围。扫频工作中，锁相环路使本振频率同步地调谐到参考通道的信号频率上。当未被锁定时，它前后调谐可以跨越倍频程。当 nf本振-f参考 =20.278MHz时，锁相环停止搜索处锁定状态（约用20，保持中频恒定不变。锁相环维持锁定的扫描速率可高达220GHz/s（在812.4GHz的范围, 每秒可扫 30 次）。模值输出图 2-1 取样变频式幅相接收机方框图由于频率的变换过程是线性的，所以两条通道的中频（20.278MHz）保持着测试信号与参考信号之间的振幅和相位的相对关系。自动增益控制 （AGC）放大器使参考通道电平稳定，并能防止两条通道电平共模变化时，所引起测试通道的改变，而使测试通道电平归一到参考通道电平上。变换到第二中频的待测信号经过相位检波和幅度检波，分别指示出测试通道与参考通道之间的相位差和振幅比值，并显示出相位-频率和幅度 -频率特性。2-2 反射参数测量原理一、校准与测量图2-2a、b示出双定向耦合器式和单定向耦合器式两种测量反射参数电路。测量之前先要校准。校准方法是在端口 T1接短路板（r = 1 -e用）, 记录扫频范围内每个频点幅相接收机的幅度和相位输出，以此作为幅度厂厶=1和相位9二兀的基准。直到扫完整个频段，校准结束。 测试时，换接待测负载，测出扫频范围内每个频点幅相接收机的幅度和相位输出，并与校准阶段所得对应频率上的幅度和相位比较，即可得 r(s、s)的测量结果。L 1122图 2-2 网络分析仪反射参数测量线路二、反射参数的误差模型及其校正方法 测量单口网络反射系数的误差源主要有三项：(1) 如果在端口 T1接上全匹配负载(厂=0)，仍能测出反射。其原因是：(a)在接收机中参考通道的信号泄漏到测试通道中去；(b)测试通道定向L耦合器的有限方向性。这两种误差称为串话误差(EDf)。一般的泄漏项总在80dB以上，而同轴定向耦合器的方向性一般不优于40dB，所以测试通 道定向耦合器对串话误差贡献最大，它的方向性越差，这个误差的数值越大。(2) 如果定向耦合器耦合臂的振幅和相位的频率响应不跟踪或接收机的两个通道不跟踪，则频率改变时测量数据会出现明显的起伏。由这个起伏 引起的误差称为跟踪误差(eRF)。(3) 等效源失配误差(ESF)o它是由于测试装置的端口 T1不完全匹配(含信号源失配)而多次反射引起的误差。综上得出：eDf 则试通道定向耦合器的有限方向性；ErF二定向耦合器、接收器的频率跟踪误差；RFesf二等效源失配误差。SF把这三项误差用信号流图的形式表示出来称为误差模型(图2-3)。由信号流图解出反射系数的测量值为bE rr = = e +rf_lM adf 1 - E r0SF L上式说明，如果待测元件的反射系数厂 很大，Edf产生的影响小，Erp和Esf产生的影响大；反之，Esf产生一定的百分比误差, L的。(2-1)而 EDF 成为主要a05b00(a)测量的误差模型1(b)测量SJS22)的误差模型在测量中，这些误差项可以通过多次校准的方法校正。故此时测出的反(2-2)(2-3)(2-4a)图 2-3 测量反射参数时的误差模型 (端口 T0 是虚设的)串话误差edf可以用一个匹配负载分离出来。方法是：把匹配负载接在测试装置的输出口 T,这时式(2-1)近似为rM龟DF， 射系数就是 EDF。关于Esf和Erf的求法，可采用在T面分别接以短路器和开路器的方法求出。即短路时，测量值为（-1）E+RFM 2 DF1 - （-1）ESF开路时，测量值为厂 E,（+1）er= e+ rfM2 DF 1- （+1）ESF由式（2-2）和（2-3）解出Erf和Esf。把求出的Edf，Erf和Esf代入式（2-1）,求出待测反射系数的校正值为r - er = MDFL e （ r - e ）+ eSF M DFRF测量双口网络反射参数S（或S22）的误差源，除上述三项之外，还有匹配负载的剩余反射一项，称为失配误差Elf）。其误差模型于图2-3b。 由信号流图求出s11 （或s22）的测量值s11m为S = E11 MDF(2-4b)S E (1 - S E ) + SSE EH11RF22LF21_12LFRF(1 - S E )(1 - S E ) - S S E E11 SF22 LF2112 SF LF当Is S I很小时，匹配负载失配误差是个小量，可以忽略，则式（2-4b）简化为21 12S E11 MDFSEH11RF1- S E11 SF2-4b)如果丄SJ接近于1，Elf的影响较大。点频测量时，可接入调配器减小之。若已知Elf，则可按式（2-4b）进行校正。2-3 传输参数测量原理一、校准与测量测量电路示于图 2-4。校准时，把测试通道接待测网络的两个端口对接。记录扫频范围内每个频点幅相接收机的幅度和相位输出，以此作为幅度s = 1和相位申=00的基准。直到扫完整个频段，校准结束。21 21 测量时，在测试通道中插入待测元件，记录扫频范围内每个频点幅相接收机的幅度和相位输出，并与校准阶段所得对应频率上的幅度和相位 比较，即可得s的测量结果。21（a） 单定向耦合器式各 待测件 2（b） 功分器式图2-4用网络分析仪测量传输参数S21（或 S12）的连接线路二、传输参数的误差模型测量传输参数的误差源有三项：（1）隔离误差（串话误差）Exf：如果在测试装置的端口 T和T2分别接入匹配负载，而在接收机上仍测出某一传 输信号，称为该系统的隔离误差（串话误差）Exf。（2）跟踪误差ETF:如果输出振幅和两条通道的电长度随频率变化，而又不能跟踪，在传输测量中 将出现明显波纹，称为跟踪误差Etf。（3）失配误差Esf、ELF:分别是测量装置的端口T2不匹配引起的测量误差。传输参数误差模型的信流图示于 2-5。图 2-5 传输参数的误差模型（端口 T0和T3是虚设的）求出传输参数的测量值为bS ES = - = E +21_TF-21M a XF 1 - S E - S E - S S E E + S S E E（5-2-8）011 SF21 LF2112 SF LF1122 SF LF隔离误差EXf通常是很小的，一般小于-80dB，约如系统噪声一样的低电平，所以只有在测量高衰减时才产生大的影响。跟踪误差ETF在传输测量 中产生百分比误差。关于失配误差esf、elf，如果待测器件的s11和s22都很小。由esf、ele引入的误差也小。反之，失配误差就大。上述误差在点频测量时可以减小或校正，方法是：首先在端口T2分别接匹配负载，使S12=S21=0代入式（.2-8），有S21m=Exf，测出隔离误差EXF（有时它和噪声混在一起难于分辨）。然后校准跟踪误差ETF，把T1和T2对接，S12=S21=1，由（2-8）得S21mxf+Etf，即可解出Etf。2-4四个S参数的测量装置及误差模型图2-12示出四个S参数（、S21、S12、和S22）的测量装置，通过转换开关SW和SW2来选择欲测之量。图 2-12 测量 S11、S12、S21、S22 的测量装置图.2-12所示测量装置是由三个定向耦合器、两个匹配负载和两个衰减器组成的。中间的定向耦合器作为功分器之用。在 测量S11时，双口网络的端口 T2经过开关SW2接匹配负载。微波信号经过左面定向耦合器送到待测网络，同时经过中间定向 耦合器送到参考通道，待测网络的反射信号经由开关SW2送入测试通道。当测量S12时，微波信号经过开关SW和右面的定 向耦合器送到待测网络的端口 t2,通过待测网络的传输信号再经过SW2送到测试通道。衰减器是用来减小系统失配误差的。 依同理可测量S22和S2。测量四个S参数的另一种装置示于图2-13。它是一种由三通道接收机来检测两路测试信号，并同时显示这两个参数的测 量装置。即开关SW置于F时，测量正向参数S11和S21 ；置于R时，测量反向参数S22和S12。此方案与图2-12比较，能同JL JL厶JL厶厶JL厶时显示两个参数，但增加一个检测通道。图.2-13三通道S参数测量装置上述两种测量装置的正向和反向测量误差模型示于图2-14。误差项的意义与图.2-4b和图2-10中的误差项相同。第二个脚号“F”表示正向测 试、“R“表示反向测试。共有误差12项，即：有效方向性Edf和Edr,隔离度EXp和虽只，等效源失配Esf和 Esr,等效匹配负载失配Elf和Elr，传输跟踪误差etf和etr，反射跟踪误差ert和坯只。图中的s11M、s21M、s22M和s12M为待测网络的测量值。s” s21、s22和s12为待测网络的“真 实值”。根据图.2-14a求出S11M、s21M表达式已如式(.2-4b)和式(28)；同理，可由图.2-14b求出S22M和S12M的表达式。而S、S21、S22和S12分散 在这四个表示式中间。设误差项已知，则可求出待测“真实值”，即校正值。求解方法有二： (1) 迭代法，它要求有合适的初值； (2) 求出显解公 式，即校正值为111211B(1 + SSRS 1 + S (E E )12 B11 B SFLRLF(a)(c)S2122S 1 + S (E E )21B22BSRLF -AS (1 + S E ) (S S E )22 B11 B SF21 B 12 B LR(b)(d)(.2-9)其中S=(S- E) /E11B11MDFRFS=(S- E)/ E21B21MXF / TFS=(S- E) IE12 B12 MXR TRS = (S - E )/ E22 B12 MDR / RRA = (1 + S E )(1 + S E ) - S S E E11 B SF22 B SR21 B 12 B LF LR以上讨论了网络分析仪四个S参数的测量原理和误差模型，共12项误差参数。现把各误差项汇集于表2-3。在测量过程中, 若不用开关而由手动来倒换双口网络的输入和输出端口，则只有6 个误差项，利用式（.2-9）计算时，有 EDF=EDR，ESF=ESR，DF DR SF SRE = E ，E = E ，E =E ，E =E 。RF RR TF TR XF XR LF LR表.2-3误差模型参数表误差参数物理含义EEDFDREESFSREERFRREETFTREEXFXREELFLR反射测量串话误差（有效方向 性）传输测量串话误差（隔离度） 反射测量跟踪误差传输测量跟踪误差等效源失配误差等效匹配负载失配误差上面分析的各项误差是基于线性的误差模型。实际上还会遇到其它类型的误差。例如在接收机中，前面部分的非线性误差会造成增益压缩误 差或者使相位随幅度变化。接头的重复性也是一项重要的误差。串话常常随着信号电平或相位的变化而变化。衰减器也会引起相位和幅度误差。系统噪声总是存在的，也要引入误差。这些误差往往难于校正并且常常被测量者所忽视。EXF(a)(a)正向误差模型(b)反向误差模型图.2-14 网络分析仪的正向、反向误差模型(b)3 微波自动网络分析仪 (ANA)前面只介绍了网络分析仪的基本原理，现代网络分析仪通常是结合计算机构成的自动网络分析仪。自动网络分析仪在以 下三个方面的优点：1. 精确度：自动网络分析仪采用“步进-频率扫描”，或者说是点频扫描，因此在测量频带内是有限数目的测量点。它不 是在连续频率上消除掉系统误差，而是在测量之前，先在各步进频率点上测出系统的各项误差，然后，在测量时，再在各步 进频率点上从测得数据中“扣除”这些系统的误差，给出待测网络的校正特性。网络分析仪的全部误差项可以通过测量适当 的标准器件得到。这些标准器件是短路、开路、匹配负载等，这样的标准器件是容易设计和制造的。在系统中所有次要的其 余误差，仅由接口和开关的重复性、系统噪声、系统的漂移和校准时所用标准器件的误差所引起，因而提高了测量精确度。2. 速度：计算机能够非常容易地控制测试者用手操作的全部测量过程，因此，大大地缩短了测量网络参数的时间，提高 了工作效率。3. 灵活性：S参数是设计微波元器件常用的，也是用网络分析仪最容易测定的一组参数。然而，有时它们未必是所需要 的，但计算机能把S参数转换成任何所需要的参数。即能从S参数得到t、Y或Z参数、群延迟、电压驻波比、回波损失、 衰减或其它所需要之量。从一个域转换成其它域也是容易的，例如根据频域的数值来确定时域响应，这是该仪器的特点之一。ANA在计算机控制下给出经过误差校正的传输和反射测量结果，并使操作量达到最少。ANA的基本框图示于图.3-1。相位图.3-1 ANA原理框图