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网络分析仪交流培训教材 Network Analyzer Basics. 教材培训大纲. 本培训教材包括两步分 一、网络分析仪测试基础知识 网络分析仪组成基本原理及校准误差分析. 网络分析仪测试基础知识. 什么是网络分析仪？ 任意一个微波元器件或微波电路、部件、整机都可以等效成一个网络，可用散射参数即 S 参数来表征微波网络的特性，等效网络的插损、衰减、隔离度、方向性、相移、群时延、驻波比、反射系数等参数均可由 S 参数导出，用于测量网络 S 参数的仪器称为网络分析仪 网络分析仪主要研究被测件传输 / 反射特性与工作频率的关系
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网络分析仪交流培训教材 Network Analyzer Basics
教材培训大纲 本培训教材包括两步分 • 一、网络分析仪测试基础知识 • 网络分析仪组成基本原理及校准误差分析
网络分析仪测试基础知识 什么是网络分析仪？ 任意一个微波元器件或微波电路、部件、整机都可以等效成一个网络，可用散射参数即S参数来表征微波网络的特性，等效网络的插损、衰减、隔离度、方向性、相移、群时延、驻波比、反射系数等参数均可由S参数导出，用于测量网络S参数的仪器称为网络分析仪 网络分析仪主要研究被测件传输/反射特性与工作频率的关系 网络分析仪测试的对象是各种元器件及器件组成的系统，要掌握网络分析仪，需首先正确理解关于器件（系统）相关的性能指标，明确各项指标具体要求、定义及对系统的影响。
网络分析仪测试基础知识 • S参数起源于传输线理论，在射频/微波网络的分析和设计中得到广泛应用。高频情况下，网络的端口电压、电流不能精确测量，失去了意义；而只能在端口上使用(沿传输线传播的)入射波(incident wave)、反射波(reflected wave)和传输波(transmitted wave)作为网络端口变量。 • 由于传输媒介的不均匀性，电磁波的传播很难畅通无阻，很容易形成散射。比如，光就经常以散射的方式传播。 S参数即散射参数（Scattering Parameter）。 • 高频网络分析所关心的(即其研究对象)是电磁能量的传输情况，即功率传输；以网络的反射系数和传输系数为分析基础。 而 S参数正是网络的功率匹配特性的量度 • 一个电子系统由各种元件组成，对每个元件及整个系统都有功能和相应指标的要求。例如：滤波器的带通带宽、带外抑制；放大器的增益、输出功率、平坦度；耦合器的耦合度、方向性、隔离度等。测试人员需要对每个部件进行规划和测试，才能保证整个系统稳定、正常的工作。
网络分析仪测试基本概念 • 传输线基础 • 反射特性 • 史密斯圆图 • 传输特性 • S参数 • 1dB压缩点 • AM/PM转换指标
射频信号在器件中的传播 • 通过说明光在透镜中的传播过程可以帮助我们理解射频或微波信号在器件（部件、网络）中的工作过程。 • 当射频信号输入到某个器件上时，会产生相应的反射和传输。每个器件在工作状态下，其传输和反射信号的大小和相位都是不同的。而反射和传输的特性决定器件对信号的处理作用。射频电路的设计实际上就是定量控制器件的反射和传输特性
传输线基础知识 • 低频传输线 • 信号波长>>线长 • 电压/电流测试值大小与测试位置无关 • 高频传输线 • 信号波长＝or<<线长 • 信号包络电压与传输线位置有关
传输线基础知识 • 对于射频电路，保证信号能在器件中有效的进行功率传输是最大目的。 • 低频信号的波长远大于传输器件的长度，一根简单的传输线对于传输功率就是很有用的，导线中的电压和电流是不随时空变化的常数。电流容易在传输线上进行传播，传输线电压和电流的测量与测试点的位置无关 • 高频信号的波长等于或小于被件的尺寸，在传输线上不同测试点得到的电压和电流均会不同，传输线上的电压和电流随会时间和空间的变化而变化
传输线反射特性－全匹配 • 传输线终端接匹配负载，信号传输过程相当于无穷长线，传输线上形成行波 • 当传输线终端接负载Zo ,输出负载上的信号功率最大。传输线上只有正向传输信号，没有反射信号，信号波形为恒定包络正弦波，传输效果等效为无穷长传输线。 • 补充：无线长的的均匀无耗传输线上各点的电压电流的最大值或有效值都是相等的；因此他们的阻值也是处处相等的。
传输线信号反射特性－全反射 • 传输线终端形成开路或短路，所有传播信号被反射回入射端 • 传输线上形成驻波
传输线反射特性－全反射 • 传输线终端开路时，开路端电流为零。端点反射信号电流与输入信号电流幅度相等、相位相反，而反射信号电压与输入信号电压同相。信号关系满足欧姆定律。 • 传输线终端短路时，开路端电压为零。端点反射信号电压与输入信号电压幅度相等、相位相反，而反射信号电流与输入信号电流同相。信号关系满足欧姆定律。 • 发生全反射时，传输线上同时存在正向输入信号和同功率的反射信号。这两个信号在传输线上矢量叠加，形成驻波。驻波的波峰为输入信号电压2倍，谷值为零。
传输线信号反射特性－部分反射 • 传输线终端接其它负载时，部分传播信号被反射回入射端，传输线上形成行驻波 • 在山图中，传输线终端接25欧姆电阻时，输入信号的一部分被反射。反射信号和输入信号进行矢量叠加从而引起波形包络起伏变化。
反射特性－功率传输效率 • 当阻抗不匹配时，就会产生反射信号，也就是说：造成器件（系统）端口反射的根本原因时阻抗不匹配，研究器件（系统）的反射特性与研究器件的端口阻抗等效。 • 当复杂中由级联电路组成，第2级电路的输入阻抗是第一级电路的负载，在阻抗满足共轭匹配条件时，负载上得到最大功率传输
传输线特性阻抗Zo • 说明，对于所有形式的传输线，如：同轴电缆；波导；双绞线；耦合线等。其特性阻抗反映信号电压与信号电流的关系。特性阻抗只与传输线物理参数有关，如“同轴线内导体外径；外导体内径；介质介电常数，而和工作频率及传输线长度无关。 • 对于低功率场合，如：cable TV，系统要求有很小的传输损耗，系统特性阻抗规定为75欧姆，但对于其它射频微波系统，考虑功率容量和传输损耗的折衷，特性阻抗规定为50欧姆。
反射特性的参数定义 • 反射系数是反射电压与入射信号电压的比值，反射系数为矢量，包含幅度和相位信息，分别反映反射信号与如射信号的幅度比值和相位值。 • 造成反射的根本原因是阻抗不匹配，通过上述反射系数的计算公式可以得到。 • 回波损耗是反射信号与输入信号的功率比值，为标量。 • 驻波比是通过传输线上信号包络起伏大小来定义，当全匹配时，传输线上只有输入信号，包络恒定，驻波比VSWR=1
史密斯圆图 • Smith Chart圆图反映阻抗Z与反射特性的对应关系，所以圆图应定量反映阻抗特性和反射特性。 • Smith Chart圆图就是反射系数和阻抗指标的对应关系的形象反映。 • 对于确定的阻抗值Z=r+jx，在圆图上有确定的某点位置与之对应，r值对应相应大小的等电阻圆(中心座标（r/r+1，0），半径r/r+1)，x对应等电抗圆(中心坐标（1，1/x），半径1/x)。等电阻圆和等电抗圆的交点即为Z。该点半径为阻抗Z对应的反射系数的模值，夹角为反射系数相位。
传输特性 与反射参数的定义相似，可得到传输参数。传输特性为器件输出信号和输入信号的比值。 • 传输系数为信号电压比值，包含幅度信息和相位信息，为矢量。 • 对于功率比值，根据器件是对输入信号进行放大还是衰减，功率比值定义为：增益和插损。
线性器件与非线性器件 • 具有线性传输特性的系统对于输入信号只产生幅度和相位的变化，而不会产生新的频率成分。 • 非线性系统会对入射信号的频率进行搬移，或产生新的频率成分，如谐波和交调 • 在对输入信号进行处理的过程中，许多器件具有线性和非线性，不同特性的传输特性当然对输出信号有不同的影响。即线性系统可能会表现出非线性，如进入饱和区的放大器。这种情况对于无源器件（如电缆、滤波器）和有源器件（放大器）都是存在的。
满足波形不失真线性系统的条件 • 当某个电路或系统用于传输信号时，传输信道电路应保证对输入信号不产生波形变化的失真。非线性系统会产生新的频率成分，肯定会引起输出信号波形变化。 • 要满足波形在传输过程中不失真，则器件传输特性需要满足以下条件：1、幅度/频率特性在工作频率范围内要保持恒定；2、相位/频率特性在工作频率范围内保持线性。以上两个条件为保证信号的无失真传输缺一不可 • 若Vin＝f（t），则Vout＝af（t-t0）
幅度－频率特性对传输信号的影响 • 上面的例子可以反映幅度/频率特性对传输信号的影响 • 例中，线性网络的输入激励信号为类似方波波形，该信号在频域上包含三个频率成分：基波、二次谐波、三次谐波。该信号通过线性网络时，线性网络具有的幅度/频率特性对基波和三次谐波衰减最大，使输出信号频谱发生变化，相应时域波形从方波变为类似的正弦波形 • 所以对放大器、滤波器等器件在工作频带范围内幅/频抖动要严格要求
相位－频率特性对传输信号的影响 • 在器件（系统）实际工作过程中，传输的信号都是占有一定频率带宽的的调制信号，如果器件（系统）的相位/频率特性不线性就会使调制信号发生变化，造成信号失真。
系统相位特性的描述 • 解决相频特性线性指标测试问题有两种方法：方法1、使用网络分析仪电延迟功能抵消掉被被测件相/频特性中线性部分（固定时间差），通过对剩余非线性部分进行定量测试。方法2、群时延测量法。
群时延GROUP DLAY • 群时延是定量反映被测件相位失真的指标，群时延是信号在通过被测件的传输时间与工作频率关系的测量。被测件的相位特性为理想线性时，群时延为固定直线。 • 对群时延的测量应当关心两个读值：1、群时延平均值：该值反映信号在被测件中的平均传输延时；2、群时延抖动：反映被测件的相位非线性。 • 群时延的测量是通过对相位/频率特性进行数学微分得到，微分过程中定义的计算区间称为孔径（aperture） • 孔径设置为窄时，测试分辨率高，但容易受系统中噪声的影响，测试的重复性差。 • 孔径设置为宽时，微分运算对孔径范围内相位非线性变化具有平均作用，测试分辨率变差，但测试重复性好，可以消除系统噪声的随机影响。 • 基于以上原因，在群时延测试时，要根据测试要求设置孔径的设置。孔径的设置是在测试精度和分辨率间的折衷。 • 注明：这里的孔径设置即为网络分析仪中的平滑设置。
群时延的测量过程 • 通过群时延指标反映器件相位特性：通过电延迟补偿得到的被测件非线性相位误差和群时延两项指标都可以定量反映被测件的相位非线性； • 群时延指标更改精确反映相位非线性。下面的例子表明：相位波动峰－峰值相同的被测件产生的群时延可能有明显不同。下面右图中被测件群时延抖动较大，会引起更大的信号失真。
被测件的非线性失真 • 线性网络和非线性网络都可以造成信号波形失真。如上图对于线性的放大电路，当输入信号功率过大，使放大器处于非线性的饱和区时，输出信号被限幅，在频率谱上出现新的谐波成份。所以一个器件（系统）的工作特性与其输入信号幅度有直接关系，即使是无源器件也是一样。
被测件的功率动态范围－1dB压缩点 • 当放大器工作在线性区时，增益为常数并与输入信号功率无关，通常把这个区域的增益称为“小信号增益”。当输入信号功率增加到一定值时，放大器增益下降，也就是放大器出现压缩。举例，如果现在输入是CW正弦波形，则放大器的输出不再是正弦波形，信号的一部分以谐波形式出现，而不只有基波频率成分。 • 当输入信号功率进一步增加，放大器输出功率保持不变，放大器进入饱和区，这时，放大器增益为零。 • 通过输出/输入关系测量可以得到被测件输入1dB压缩点。 • 工作中利用1dB压缩点反映被刺君的动态功率范围。
被测件功率动态范围－1dB压缩点 • 我们在测试时常用1dB压缩点指标来反映被测件的功率动态范围。 • 1dB压缩点指标通过被测件的传输特性得到定义。如山图所示。随输入功率增加，理想线性器件S21不会发生变化，而实测器件的增益会减小。使放大器增益下降1dB的输入功率称为被测件的输出1dB压缩点。
S参数的定义 • 双端口被测件的S参数包含4个参数（N端口器件S参数包含N的平方个参数）。S参数的定义是基于信号电压比值的参数，所以S参数为矢量。 • S参数下标注的意义：第一个数字代表信号输出端口，第二个数字代表信号输入端口。如Sab：代表被测件端口b到端口a的传输系数。再如山图中：若被测件输入端为1端口，输出端为2端口，则S11表示当被测件输出端接匹配负载时，输入端的反射系数，S21表示当被测件输出端接匹配负载时器件端口1到端口2的传输系数。
S参数的定义 • S参数可全面直观表示被测件（系统）的性能指标 • 对于20dB衰减器，20dB为对数功率表示，转换为相应线性电压表示为：0.1，若输入端驻波比为1.2，转换为反射系数为0.09。
网络分析仪组成原理及校准误差分析 第二部分 • 网络分析仪组成原理及校准误差分析
网络分析仪工作原理－组成框图 • 网络分析仪包含以下四个部分： 1、激励信号源，提供被测件的输入信号；2、信号分离装置，含功分器和定向耦合器，分别完成对被测件输入和反射信号提取；3、接收机，对被测件的反射、传输、输入信号进行测试比较；4、处理显示单元，完成对测试结果的处理和显示。
网络分析仪－信号源 • 提供被测件激励信号，由于网络分析仪需要测试被测件传输/反射特性与工作频率和功率的关系，所以，网络分析仪内信号源需具备频率扫描和功率扫描功能 • 为了保证测试精度，现在网络分析仪内信号源采用频率合成方法实现。当扫宽设置为零时，网分输出信号为点频CW信号。 • 网络分析仪控制其输出功率依靠ALC和衰减器两个部分完成，ALC保证输入信号功率的稳定和功率扫描控制，由于ALC控制范围有限，需衰减器完成大功率调整。
网络分析仪－信号分离装置 • 网络分析仪内部功分器和定向耦合器分别完成对被测件输入信号和反射信号的提取。定向耦合器负载分离被测件中的激励信号和反射信号，这个功能也可由电桥完成，与定向耦合器相比，电桥可覆盖的频率范围更宽，但其对测试的传输信号有较大损耗。 • 当要测试被测件某个端口反射特性时，必须将定向耦合器直接连接在该测试端口上。 • 定向耦合器具有定向传输特性。当把信号由定向耦合器输入端接入时，耦合器有耦合输出，此时称为正向传输。定向耦合器相当于不均分功率分配器。 • 定向耦合器的反向传输特性：当信号由耦合器输出端接入反向工作时，耦合端没有输出。这是因为输入功率被耦合器内部的负载和主臂终端外接负载所吸收，这就是定向耦合器的单向传输性。
