網(wǎng)絡(luò)分析儀組成框圖

圖1所示為網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部組成框圖。 為完成被測(cè)件傳輸/反射特性測(cè)試，網(wǎng)絡(luò)分析儀包含：

1．激勵(lì)信號(hào)源；提供被測(cè)件激勵(lì)輸入信號(hào)

2．信號(hào)分離裝置，含功分器和定向耦合器件，分別提取被測(cè)試件輸入和反射信號(hào)

3．接收機(jī)；對(duì)被測(cè)件的反射，傳輸，輸入信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。

4．處理顯示單元;對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行處理和顯示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)分析儀組成框圖

傳輸特性是被測(cè)件輸出與輸入激勵(lì)的相對(duì)比值， 網(wǎng)絡(luò)分析儀要完成該項(xiàng)測(cè)試，需分別得到被測(cè)件輸入激勵(lì)信號(hào)和輸出信號(hào)信息。

網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部信號(hào)源負(fù)責(zé)產(chǎn)生滿足測(cè)試頻率和功率要求的激勵(lì)信號(hào)，信號(hào)源輸出通過功分器均分為兩路信號(hào)，一路直接進(jìn)入R接收機(jī)，另一路通過開關(guān)輸入到被測(cè)件相應(yīng)測(cè)試口，所以，R 接收機(jī)測(cè)試得到被測(cè)輸入信號(hào)信息。

被測(cè)件輸出信號(hào)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)分析儀B接收機(jī)，所以，B接收機(jī)測(cè)試得到被測(cè)件輸出信號(hào)信息。B/R為被測(cè)試件正向傳輸特性。當(dāng)完成反向測(cè)試測(cè)試時(shí)，需要網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部開關(guān)控制信號(hào)流程。

圖2網(wǎng)絡(luò)分析儀傳輸測(cè)試信號(hào)流程

反射特性是被測(cè)件反射與輸入激勵(lì)的相對(duì)比值， 網(wǎng)絡(luò)分析儀要完成該項(xiàng)測(cè)試，需分別得到被測(cè)件輸入激勵(lì)信號(hào)和測(cè)試端口反射信號(hào)。

網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部信號(hào)源負(fù)責(zé)產(chǎn)生滿足測(cè)試頻率和功率要求的激勵(lì)信號(hào)，信號(hào)源輸出通過功分器均分為兩路信號(hào)，一路直接進(jìn)入R接收機(jī)，另一路通過開關(guān)輸入到被測(cè)件相應(yīng)測(cè)試口，所以，R 接收機(jī)測(cè)試得到被測(cè)輸入信號(hào)信息。

激勵(lì)信號(hào)輸入到被測(cè)件后會(huì)發(fā)射反射， 被測(cè)件端口反射信號(hào)與輸入激勵(lì)信號(hào)在相同物理路徑上傳播，定向耦合器負(fù)責(zé)把同個(gè)物理路徑上相反方向傳播的信號(hào)進(jìn)行分離，提取反射信號(hào)信息，進(jìn)入A接收機(jī)。

A/R 為被測(cè)試件端口反射特性。當(dāng)需要測(cè)試另外端口反射特性時(shí)，需網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部開關(guān)將激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換到相應(yīng)測(cè)試端口。

圖3網(wǎng)絡(luò)分析儀反射測(cè)試信號(hào)流程

1、信號(hào)源

信號(hào)源提供被測(cè)件激勵(lì)信號(hào)，由于網(wǎng)絡(luò)分析儀要測(cè)試被測(cè)件傳輸/反射特性與工作頻率和功率的關(guān)系。所以，網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)信號(hào)源需具備頻率掃描和功率掃描功能。

為保證測(cè)試的頻率精度，現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)信號(hào)源采用頻率合成方法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)掃寬設(shè)置為零時(shí)，輸出信號(hào)為點(diǎn)頻CW信號(hào)。

網(wǎng)絡(luò)分析控制其輸出功率依靠ALC和衰減器兩個(gè)部分完成。 ALC保證輸入信號(hào)功率的穩(wěn)定和功率掃描控制，由于ALC控制范圍有限，需衰減器完成大范圍功率調(diào)節(jié)。

圖4網(wǎng)絡(luò)分析儀中的信號(hào)源

2、信號(hào)分離裝置

網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部功分器和定向耦合器分別完成對(duì)被測(cè)件輸入信號(hào)和反射信號(hào)的提取。其中當(dāng)要測(cè)試被測(cè)件某個(gè)端口反射特性時(shí)，必須將定向耦合器直接連接在該測(cè)試端口上。

這兩部分統(tǒng)稱為信號(hào)分離裝置，這部分硬件也通常被測(cè)試為“測(cè)試座”，在一些特殊測(cè)試場(chǎng)合(大功率測(cè)試等)可不使用網(wǎng)絡(luò)分析儀表一體化的內(nèi)置測(cè)試座，而使用外置測(cè)試座設(shè)備。

圖5網(wǎng)絡(luò)分析儀中的信號(hào)分離裝置

電橋用于反射性能測(cè)試，電橋可覆蓋很寬頻率范圍，電橋的主要缺點(diǎn)是對(duì)傳輸信號(hào)有較大損耗。因此對(duì)于給定的信號(hào)源功率。結(jié)果導(dǎo)致輸入到被測(cè)件的功率損失。

定向耦合器負(fù)責(zé)分離反射測(cè)試中的激勵(lì)信號(hào)和反射信號(hào)，這個(gè)功能也可由電橋完成，與定向耦合器相比，電橋可覆蓋更寬的頻率范圍，單其對(duì)測(cè)試的傳輸信號(hào)有較大損耗。

定向耦合器是三端口器件；其三個(gè)端口為； 輸入端，輸出端和耦合端。

在反射測(cè)試中之所以需要定向耦合器，是利用定向耦合的定向傳輸特性。當(dāng)把信號(hào)由定向耦合器輸入端接入時(shí)，耦合端有耦合輸出，此時(shí)稱為正向傳輸，定向耦合器相當(dāng)于不均分功率分配器。

在正向傳輸中，耦合器耦合輸出與輸入功率比值比定義為耦合度。

圖6定向耦合器正向傳輸特性

對(duì)于理想定向耦合器，當(dāng)信號(hào)由耦合器輸出端接入反向工作時(shí)，耦合端沒有輸出。這是因?yàn)檩斎牍β时获詈掀鲀?nèi)部的負(fù)載和主臂終端外接負(fù)載所吸收，這就是定向耦合器的單向傳輸性。

實(shí)際定向耦合器反向工作時(shí)，耦合端會(huì)有泄露輸出， 反向工作時(shí)耦合端輸出與輸入信號(hào)功率比定義為定向耦合器隔離度。

圖7定向耦合器反向傳輸特性

對(duì)定向耦合器測(cè)試的重要指標(biāo)為其方向性(Directivity)，方向性為定向耦合器反向工作隔離度與正向工作耦合度差值。方向性指標(biāo)反映耦合器分分離正反兩個(gè)方向信號(hào)的能力。可以被視為反射測(cè)試的動(dòng)態(tài)范圍。

測(cè)量定向耦合器有一種簡(jiǎn)易方法，不需要正向和反向連接測(cè)試。當(dāng)定向耦合器內(nèi)部負(fù)載損耗功率相當(dāng)小時(shí)，該方法得到的結(jié)果與真實(shí)值相近。

首先，在主臂輸出端接一個(gè)短路負(fù)載，由于全反射，耦合端輸出反映耦合度，對(duì)該值進(jìn)行規(guī)一化處理后端接匹配負(fù)載。此時(shí)耦合端只是有限隔離度引起的泄露信號(hào)。因?yàn)橐呀?jīng)進(jìn)行了規(guī)一化處理，最后讀值就是耦合器方向性。

反射測(cè)試中，定向耦合器對(duì)于被測(cè)件反射信號(hào)而言是正向連接，定向耦合器耦合端輸出反映反射信號(hào)信息。

網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試反射特性時(shí)，由于定向耦合器有限的方向性影響，耦合器耦合端會(huì)包含泄露的輸入激勵(lì)信號(hào)，該信號(hào)會(huì)與反射信號(hào)進(jìn)行矢量疊加，造成反射指標(biāo)測(cè)試誤差。

被測(cè)件匹配性能越好，定向耦合器方向性對(duì)測(cè)試影響越大。

3、網(wǎng)絡(luò)分析儀中的接收機(jī)

由功分器，定向耦合器及輸出端得到的信號(hào)輸入到相應(yīng)接收機(jī)進(jìn)行處理，為對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析，網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)置多臺(tái)接收機(jī)。

網(wǎng)絡(luò)分析儀是一個(gè)包含激勵(lì)源和接收設(shè)備的閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)。

圖8網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機(jī)

網(wǎng)絡(luò)分析儀中檢測(cè)信號(hào)主要有兩種基本方法。

方法1：二極管檢波，二極管檢波提取射頻信號(hào)輸入包絡(luò)電平，輸出電壓反映輸入信號(hào)功率。如果輸入信號(hào)為連續(xù)CW信號(hào)，為DC檢波，如果輸入為幅度調(diào)制信號(hào)，為AC檢波。二極管檢波只反映信號(hào)幅度信息，丟失了射頻載波信號(hào)的相位信息。

方法2：調(diào)諧接收機(jī)。調(diào)諧接收機(jī)將輸入信號(hào)進(jìn)行下變頻后通過ADC變?yōu)閿?shù)字量后處理。這樣可以得到信號(hào)的相位和幅度信號(hào)。

如果您使用過功率計(jì)，就會(huì)了解檢波器測(cè)量信號(hào)的特點(diǎn)。首先檢波器是寬帶功率測(cè)試，既如果檢波器工作頻率范圍是10M至18G，其功率顯示結(jié)果應(yīng)為該頻率范圍內(nèi)存在的所有信號(hào)功率和，而沒有選頻測(cè)試功能。由于這個(gè)原因，使用檢波器的標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀會(huì)對(duì)被測(cè)件輸出端的失真及雜波信號(hào)沒有區(qū)分能力，而會(huì)造成錯(cuò)誤測(cè)試結(jié)果。

但標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)變頻和非變頻的被測(cè)件使用相同的方法進(jìn)行測(cè)試。

檢波器能檢測(cè)的功率范圍是有限的，例如為；-50dBm~10dBm， 這會(huì)限制標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試的動(dòng)態(tài)范圍。

調(diào)諧接收機(jī)由于中頻信號(hào)要通過帶通濾波處理，由于檢波器帶寬測(cè)試模式，這種無選頻測(cè)試會(huì)造成大測(cè)試噪聲帶寬(20G)，而調(diào)諧接收機(jī)的中頻帶寬可小至1KHz，這樣可保證接收機(jī)有很好的測(cè)試靈敏度，而且對(duì)被測(cè)件輸出信號(hào)中雜波失真成分有很好抑制作用。

調(diào)諧接收機(jī)靈敏度度與其設(shè)置中頻濾波器帶寬有直接關(guān)系，中頻帶寬越窄，進(jìn)入接收機(jī)噪聲能量越少，靈敏度相應(yīng)提高，但輸出信號(hào)響應(yīng)時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試速度會(huì)下降。

窄帶接收機(jī)網(wǎng)絡(luò)分析儀中頻濾波器帶寬為測(cè)試基本設(shè)置參數(shù)之一，其設(shè)值是在測(cè)試精度和速度間折衷。

圖9 調(diào)諧接收機(jī)及其特點(diǎn)

這是同一個(gè)被測(cè)件分別利用檢波器和調(diào)諧接收機(jī)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比。

例子中，被測(cè)件為一濾波器， 當(dāng)對(duì)濾波器帶外抑制性能進(jìn)行測(cè)試時(shí)， 此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出的激勵(lì)信號(hào)受到濾波器的抑制作用變?yōu)樾⌒盘?hào)，

濾波器輸出= 輸入信號(hào)功率0dBm -波波器帶外抑制度100dB= -100dBm。

如果檢波器靈敏度為-60dBm，不能檢測(cè)到-100dBm實(shí)際信號(hào)，測(cè)試結(jié)果不能真實(shí)反映測(cè)件指標(biāo)。

與檢波器相比，調(diào)諧接收機(jī)有很小檢測(cè)帶寬，從而檢測(cè)靈敏度高，可真實(shí)得到被測(cè)試件指標(biāo)。

采用調(diào)諧接機(jī)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，可通過增加輸出功率，減小中頻帶寬或利用平均功能(Avg)來擴(kuò)展測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍。

圖10 網(wǎng)絡(luò)分析表動(dòng)態(tài)范圍對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

大部分高端網(wǎng)絡(luò)分析儀都是采用調(diào)諧接收機(jī)的高性能矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

調(diào)諧接收機(jī)可使用混頻器和采樣器兩種方式實(shí)現(xiàn)器前端變頻功能。

采樣器(Sampler)是利用二級(jí)管對(duì)輸入射頻信號(hào)按脈沖進(jìn)行抽取處理，采樣器可以認(rèn)為是內(nèi)部有脈沖發(fā)生器的混頻器，脈沖發(fā)生器產(chǎn)生由本振諧波組成的寬帶頻譜(梳狀譜)，輸入射頻信號(hào)與梳狀譜線之一信號(hào)進(jìn)行混頻產(chǎn)生中頻輸出。

采樣器變頻電路要求的本振信號(hào)只需覆蓋較窄的頻率范圍，其缺點(diǎn)為為鎖定不同的梳狀譜線需進(jìn)行復(fù)雜的鎖相處理，而且與混頻電路相比，其所有梳裝譜線的噪聲都會(huì)變換到中頻信號(hào)中，靈敏度要差一些。

網(wǎng)絡(luò)分析儀是綜合激勵(lì)和接收的閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，采用窄帶調(diào)諧接收機(jī)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀工作時(shí)，信號(hào)源產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，接收機(jī)應(yīng)在相同頻率對(duì)被測(cè)件響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行處理，激勵(lì)源和接收機(jī)工作頻率的變化應(yīng)該是同步變化的。網(wǎng)絡(luò)分析儀是依靠鎖相方法來完成該功能。

R通道接收機(jī)中頻信號(hào)會(huì)與固定參考信號(hào)進(jìn)行鑒相，鑒相誤差輸出用于壓控改變激勵(lì)源輸出頻率，這樣當(dāng)接收機(jī)本振頻率掃描變化時(shí)，鎖相環(huán)會(huì)控制激勵(lì)源保持頻率同步變化。當(dāng)R通道接收機(jī)工作不正常時(shí)，網(wǎng)絡(luò)分析儀會(huì)出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象。