北京交通大学电子测量大作业

电子测量大作业二-7-14 姓名：王自胜 学号：12212162 班级：铁道信号 1204 2014 年 12 月 7-14 查阅网络分析仪的技术资料，说明网络分析仪的功能和基本原 理，比较网络分析仪和频谱分析仪的异同点 一、网络分析仪的功能 现代网络分析仪已广泛在研发，生产中大量使用，网络分析仪被广泛地应用于分析各 种不同部件，材料，电路，设备和系统。无论是在研发阶段为了优化模拟电路的设计，还 是为了调试检测电子元器件，矢量网络分析仪都成为一种不可缺少的测量仪器。网络分析 仪是一种功能强大的仪器，正确使用时，可以达到极高的精度。它的应用也十分广泛，在 很多行业都不可或缺，尤其在测量无线射频（RF）元件和设备的线性特性方面非常有用。 现代网络分析仪还可以应用于更具体的场合，例如，信号完整性和材料的测量。随着业界 第一款 PXI 网络分析仪NI PXIe - 5630 的推出，你完全可以摆脱传统网络分析仪的高成 本和大占地面积的束缚，轻松地将网络分析仪应用于设计验证和产线测试。 二、网络分析仪的基本原理 一个任意多端口网络的各端口终端均匹配时，由第 n 个端口输入的入射行波 an 将散 射到其余一切端口并 发射出去。若第 m 个端口的出射行波为 bm,则 n 口与 m 口之间的散 射参数 Smn=bm/an。一个双口网络共有四个散射参数 S11、S21、S12 和 S22。当两个终端 均匹配时，S11 和 S22 就分别是端口 1 和 2 的反射系网络分析仪数,S21 是由 1 口至 2 口的 传输系数，S12 则是反方向的传输系数。当某一端口 m 终端失配时 ,由终端反射回来的行波 又重新进入 m 口。这可以等效地看成是 m 口仍是匹配的，但有一个行波 am 入射到 m 口。 这样，在任意情况下都可以列出各口等效入射、出射行波与散射参数之间关系的联立方程 组。据此可以解出网络的一切特性参数,如终端失配时的输入端反射系数、电压驻波比、输 入阻抗以及各种正向反向传输系数等。这就是网络分析仪的最基本的工作原理。单端口网 络可视为双口网络的特例，在其中除 S11 之外，恒有 S21=S12=S22。对于多端口网络,除了 一个输入和一个输出端口之外,可在其余一切端口都接上匹配负载，从而等效为一个双端口 网络。轮流选择各对端口作为等效双口网络的输入、输出端，进行一系列测量并列出相应 的方程,即可解得 n 端口网络的全部 n2 个散射参数,从而求出 n 端口网络的一切特性参数。 图左为四端口网络分析仪测量 S11 时测试单元的原理示意，箭头表示各行波的路径。信号 源 u 输出信号经开关 S1 和定向耦合器 D2 输入到被测网络的端口 1，这就是入射波 a1。端 口 1 的反射波(即 1 口的出射波 b1)经定向耦合器 D2 和开关传到接收机的测量通道。信号 源 u 的输出同时经定向耦合器 D1 传到接收机的参考通道，这个信号是正比于 a1 的。于是 双通道幅度-相位接收机就测出 b1/a1，即测出 S11,包括其幅值和相位（或实部和虚部）。 测量时,网络的端口 2 接上匹配负载 R1，以满足散射参数所规定的条件。系统中的另一个 定向耦合器 D3 也终接匹配负载 R2,以免产生不良影响。其余三个 S 参数的测量原理与此 类同。图右为测量不同 Smn 参数时各开关应放置的位置。 在实际测量之前，先用三个阻抗已知的标准器（例如一个短路、一个开路和一个匹配负载） 供仪器进行一系列测量，称为校准测量。由实测结果与理想（无仪器误差时）应有的结果 比对，可通过计算求出误差模型中的各误差因子并存入计算机中，以便对被测件的测量结 果进行误差修正。在每一频率点上都按此进行校准和修正。测量步骤和计算都十分复杂， 非人工所能胜任。 上述网络分析仪称为四端口网络分析仪，因为仪器有四个端口，分别接到信号源、被测件、 测量通道和测量的参考通道。它的缺点是接收机的结构复杂，误差模型中并未包括接收机 所产生的误差。 三、频谱分析仪与网络分析仪的异同点 频谱分析仪主要有两种结构：扫频式的和 FFT，由于 FFT 结构存在测量频率的限制， 一般只用于低频，而扫频式的广泛应用与射频和微波领域 扫频相对于 FFT 优点有：测量频率范围宽，DANL 低，测量动态范围大等 FFT 相对于扫频的优点有：实时测量 当然扫频的频谱仪有的也有 FFT 功能，如 PSA，一般的频谱分析仪，后端对接收信号进行 AD 采集，然后用 DSP 处理后，可以达到 VSA（矢量信号分析仪）的功能，如 ESA89601A 当然目前的频谱分析仪功能还可以扩展，如 NF 测试，Phase Noise 的测试，Digital Modulation 的测试等，但是这些一般是作为选件，选件的意思就是要额外的付钱。 网络分析仪有矢量和标量两种，目前主要的是矢量的，也就是说它能同时测量得到传 输、反射幅度和相位信息，网络分析仪里面有自己的信号源，也有自己的接收机，但是如 果把它理解成一个信号源和一台频谱仪的综合，那是有问题的，因为目前标准的网络分析 仪只能测量线性参数，它是同频扫描的，具个例子，VNA 扫描 f1 时，接收端也是测量 f1 信号上的传输和反射，再次计算得到 S 参数。 当然现在的 VNA 功能也扩展了，一般的 VNA 有 frequcney offset 选件，加上这个，就可以 完成例如 Mix 这种频率偏移器件的扫描测试，当然有了这个频率偏移，也可以进行器件的 非线性测试，如谐波等参数测试。 还有一个 VNA 的主要扩展就是进行差分器件的测试，目前随着