（电磁场与微波技术专业论文）基于网络分析仪的天线近场测量系统的研究.pdf

摘要 摘要 本文对平面近场测量系统中有关网络分析仪的理论及技术进行了深入研究，包 括一种高性能的网络分析仪的测量精度分析，对其控制进行自动幅相信号采集以 及使用这一型号网络分析仪作为接收机的天线近场测量系统的配置等方面的内 容。 作为基础知识，本文首先介绍了平面近场天线测量的基本原理。讨论了天线产 生的电磁场的平面波谱展开理论，给出了天线远场方向图的表示式，论述了由近 场测量数据确定天线的远场方向图的方法和有探头补偿的近远场变换公式，并就 平面近场扫描的取样间隔、扫描面范围和待测天线口径面与扫描面之间距离的选 取原则进行了探讨。 同时，本文给出了在近场测量系统中所使用的一种高性能网络分析仪的性能指 标，幅度和相位测量的不确定度曲线，及其与以往其他型号的分析仪进行精度对 比的情况，具体提出了提高网络分析仪测量精度和降低系统误差的方法；对于如 何通过g p i b 接口控制网络分析仪的方法也进行了深入探讨；并结合实测结果，基 于实际天线近场测量系统的配置，分析得到本文所论述的天线近场测量系统具有 很高的可信度和很好的重复性的结论。 关键词：天线近场测量网络分析仪精度分析自动控制 a b s t r a c t a b s t r a e t 1 1 忙t h e o r ya n dt e c h n o l o g yc o r r e l a t i v ew i t l ln e t w o r ka n a l y z e ri nt h ea n t e n n a n e a r - f i e l dm e a s u r e m e n ts y s t e mt i t l ed e e p l ys t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ec o n t e n ti s c o m p o s e do f t h ea c c u r a c ya n a l y s i so f an e t w o r ka n a l y z e rw h i c hi si n9 0 0 dp e r f o r m a n c e ， t h ea u t o m a t i cm e a s u r e m e n to fa m p l i t u d ea n dp h a s es i g n a lb yc o n t r o l l i n gn e t w o r k a n a l y z e rt h r o u g har e m o t ec o m p u t e ra n dt h ec o n f i g u r a t i o no ft h ea n t e n n an e a r - f i e l d m e a s u r e m e n ts y s t e mw h i c hu t i l i z et h i st y p eo f n e t w o r ka n a l y z e r 勰i t sr e c e i v e r f i r s t l y , a st h eb a s i so ft h i sd i s s e r t a t i o n , t h eb a s i ct h e o r yo fp l a n a rn e a r - f i e l d m e f l s i l l e m e n ti se l a b o r a t e d t h et h e o r yo fp l a n ew a v es p e e m l me x p a n s i o no nt h e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d sp r o d u c e db ya n t e n n a si sd i s c u s s e da n dt h ee x p r e s s i o n so f a n t e n n a f a r - f i e l dp a t t e r na 托西v 锄t h ea n t e n n af a r - f i e l dp a t t e r n sd e t e r m i n e df r o mp l a n a r n e a r - f i e l dd a t af i l ed e r i v e da n dt h ef o r m u l a st r a n s f o r m i n gt h en e a r - f i e l di n t of a r - f i e l di n t h ec a s eo fc o n s i d e r i n gp r o b ec o m p e n s a t i o na r e 西v e n t h ec h o i c ep r i n c i p l e so nt h e s a m p l i n gi n t e r v a l ，t h ew i d t ho f t h es c a n n i n gp l a n ea n dt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ea p e r t u p l a n eo f t h ea n t e n n au n d e r t e s ta n dt h es c a n n i n gp l a n ea r cd i s c u s s e d t h i sd i s s e r t a t i o nt h e np r e s e n t st h es y s t e mp e r f o r m a n c eo fah i g he f f e e t i v d y n e t w o r ka n a l y z e ru t i l i z e di na n t e m mn e a r - f i e l dm e a s u r e m e n ts y s t e ma n ds h o w st h e c o m p a r i s o no i la c c u r a c yb e t w e e nt h ea n a l y z e ra n da n o t h e rt y p eo fa n a l y z e r t h e m e t h o d so fi m p r o v i n gm e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n dr e d u e i n gs y s t e me r l o l so fn e t w o r k a n a l y z e ra d e s c r i b e d t h ew a yo fc o n t r o l l i n ga n a l y z e rt h r o u g har e m o t eco m p u t e r b a s e do ng p i bi n t e r f a c ei sa l s od i s c u s s e dd e e p l y o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t sa n dt h e a c t u a lc o n f i g u r a t i o no f a n t e n n an e a r - f i e l dm e a s u r e m e n ts y s t e m i tc 弛b ec o n c l u d e dt h a t t h ea n t e n n an e a r - f i e l dm e a s u r e m e n ts y s t e md e s c r i b e di nt h i sd i s s e r t a t i o nh a st h eh i 曲 d e p e n d a b i l i t ya n dr e p e a t a b i l i t y k e y w o r d ： a n t e n n an e a r - f i e l dm e 鼬u 聆m 蚰t n e t w o r ka n a 睁z e r a c c u r a c y 蚰a l y s j s l u t o m a t i ec o n t r o l 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：函秒列巾耖日期塑! t ! ：! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名 习抄日期塑! i 尘 日期型f ，f o 第一章绪论 第一章绪论 1 1 天线近场测量系统的发展概况及课题研究的意义 早在上世纪五十年代初，从事天线研究的科学家们就开始探讨天线的近场平 面扫描和非平面扫描技术l l 捌，这一技术的出现，首先解决了天线采用传统远场测 量的方法难以解决的问题。七十年代天线近场测量技术得到了应用，但是还未实 现测量的自动化。到了八十年代，计算机和电了测量仪器的发展，为天线测量技 术实现自动化提供了条件，天线近场测量技术得到了广泛的工程应用，成为国际 上先进的高精度天线测量技术。随着近场测量技术的不断成熟，世界各国的研究 部门，特别是电子、宇航、通信公司，相继建立了大小不同、形式各异的天线平 面近场测量系统。大约在上世纪七十年代末八十年代初，我国天线近场测量技术 开始起步j ，经过二十多年的发展，现在国内的天线近场测量技术已经相当成熟 了，可以进行方向图的测量、增益测量、相位测量、极化参数的测量和阻抗测量【】 等，既研究了平面近场测量，还研究并实现了柱面【6 】、球面近场测量1 7 1 。近年来， 在国内一些大专院校和科研单位，已经建立了不少天线平面近场测量系统，电子 部1 4 所自行研制生产了1 0 m x l o m 的平面近场扫描系统，测量设备为h p 8 5 3 0 系列。 西安电子科技大学自行设计，并建立了一套扫描尺寸为9 m g m 的平面近场扫描系 统，测量设备为h p 8 5 3 0 系列峭j 。2 0 0 4 年桂林七_ 二- - - 厂建立了一套平面近场扫描系 统，其测量设备为a g i l e n tp n a 系列矢量网络分析仪作为天线近场测量系统的核 心设备以及射频和微波产品性能的主要测试仪器，多年来在精度、速度、动态范 围和操作界面等方面都有较大的改进。 而现代雷达技术的发展对天线各项电性能指标的要求越来越高，研制副瓣低 于5 0 d b 的超低副瓣天线以及其他高性能雷达天线，必须具备先进的测试技术和设 备。低和超低副瓣天线测试所面临的一个极其困难的问题是，如何精确测量十分 微弱的辐射信号，对于5 0 d b 以下的信号电平测量而言，电磁环境的影响，收发系 统的灵敏度、动态范围、噪声电平的干扰、线性或非线性幅相误差等诸多影响高 精度测量的因素交织在一起，这一切都使得测量的可信度大大降低。解决这一矛 盾的方法之一就是采用近场测量技术。然而，这一新技术同样面临解决高精度大 型平面扫描架、交流伺服驱动定位、高速大动态范围的幅相信号采集、严格的近 远场数学交换、系统误差的分析与补偿、大型多功能系统软件设计等一系列难题。 将高性能的矢量网络分析仪应用于天线近场测量系统中，进行高速、高精度、大 动态范围，低的噪声电平等幅相信号采集和自动化的分析处理，对于提高天线性 能指标的测试精度和准确度，特别是近年来低和超低副瓣天线的测试，都有非常 基f 网络分析仪的天线近场测量系统的研究 重要的作用。 1 2 本文的主要研究内容 本文对平面近场天线测量的基本原理，近场测量系统中a g i l e n tp n a 系列网络 分析仪的精度，如何有效地提高网络分析仪的测量精度，以及如何控制网络分析 仪进行自动测量和相应的天线近场测量系统的配置等内容进行了深入地研究。 第一章阐述了天线近场测量系统的发展概况，本课题研究的意义以及本文的 主要研究内容。 第二章系统地介绍了平面近场天线测量的基本原理。首先介绍了天线产生的 电磁场的平面波谱展开理论，给出了天线远场方向图的表示式；接着论述了由近 场测量确定天线的远场方向图的方法，并具体推导了考虑探头影响情况下的耦合 方程及由近场数据确定天线远场方向图的公式；最后给出了平面近场扫描的取样 间隔、扫描面范围以及待测天线口径面与扫描面之间距离的选择原则等。 第三章在介绍了网络分析仪的基本测量原理之后，给出了a g i l e n t p n a 系列矢 量网络分析仪的性能指标及其幅度和相位测量的不确定度曲线；并将p n a 系列网 络分析仪与以往其他型号的分析仪进行了精度对比，得出了其在精度方面有较大 优势的结论；最后具体提出了提高网络分析仪测量精度和降低系统误差的方法。 第四章首先对远程控制网络分析仪的两种方法之一c o m 进行了简要介绍，然 后主要研究了如何通过g p i b 接口控制网络分析仪的方法，包括o p i b 总线技术介 绍、s c p i 指令系统介绍以及如何通过g p i b 接口控制网络分析仪进行自动测量等。 第五章对比h p 8 5 3 0 a 的天线近场测量系统，介绍了使用p n a 系列网络分析 仪作为接收机的天线近场测量系统的配置情况，并给出了使用该测量系统对一具 体旋转抛物面天线进行实测的结果；最后对近场测量中的几种主要误差源进行了 分析并给出了相应的补偿办法。 第一：章平面近场测量的基本理论 第二章平面近场测量的基本理论 在离开待测体( d u t ) 3 5 a 距离上，用一个电特性已知的探头在d u t 近区 某一平面或曲面上扫描抽样电磁场的幅度和相位数据，再经过严格的数学变换 ( f f t ) 计算出d u t 的远区场的电特性，这一技术称之为近场测量技术。近场测 量方法自上世纪七十年代以来主要用于天线测量( 辐射问题测量) ，它在待测天线 ( a u t ) 的近区做数据采样，并可由得到的数据经过数学变换，得到天线的远场 特性，如远场方向图等。 对辐射近场测量而言，根据取样表面的不同，可分为平面扫描技术、柱面扫 描技术和球面扫描技术。而平面近场测量技术是近场测量技术中研究最早、应用 最多的测量方法，已被广泛用来测量天线的远场辐射特性。目前，平面近场天线 测量的基本理论己基本成熟，其核心部分便是考虑探头影响( 有探头补偿) 时的 平面近远场变换理论，即考虑探头影响( 有探头补偿) 时a u t 与探头间的耦合方 程以及由近场数据确定待测天线远场方向图的公式。关于耦合方程及其由近场数 据确定待测天线远场方向图的公式的推导大体上有两种方法，一种是基于平面波 散射矩阵的理论 9 1 ，另一种是基于互易定理【l o l 。本章将简要介绍平面近场天线测量 技术的基本理论 4 , 1 1 l ，包括平面波谱展开理论、天线远场表达式、考虑探头影响( 有 探头补偿) 情况下的耦合方程、由近场数据确定待测天线远场方向图的公式以及 取样间隔的选择、扫描面范围的选择、待测天线口径面与扫描面之间距离选择的 原则等。 2 1 天线产生的电磁场的平面波展开 设天线位于z 0 为无源区，如图2 1 所示。在天线馈线上取一参 考面品，它位于馈线上的单模传输区。 z 图2 1 位于z 0 区域的电场表示为 豆( x ，y ，z ) = i ( x ，y ，z )( 2 3 ) 其中，孑( 毛y ，z ) 为a 。= 1 ( 即单位电压激励) 时，天线在卒间产牛的场。 将孑( 工，y ，z ) 相对x ，y 取f o u r i e r 变换，并记变换的结果为五( 七，k ，；z ) ，即 五( 以，七，；z ) = 丐1 = 孑( x ，弘孑) p 伸。p 出砂( 2 - 4 ) 其逆变换为 孑o ，y ，z ) = 石1 五( t ，；z ) e - j , 。e - j k ； 微，嘶( 2 - 5 ) 所以 重( x ，y ，z ) = 去五( t ，；z ) e - f l , 。e - j k r y 蹴，d k ，( 2 - 6 ) 由于： 0 为无源区，故z 0 区域中的豆应满足： v 2 重+ k 2 豆= 0 ( 其中k 2 = m 2 肛)( 2 7 ) 及 v 豆= 0 ( 2 - 8 ) 将( 2 - 6 ) 代a ( 2 7 ) 可得 譬+ 妊2 一一砖玩= o ( 2 - 9 ) 由上式可以解出五与z 的关系为 4 ( 1 i ，k ，；z ) = 4 ( 1 ，k ，) e 一雕 ( 2 1 0 ) 其中： 七；= 1 4 一k ，= - k ：+ - 。；髟一, 万，篙：菩；：c 2 - t ， ( 2 1 1 ) 中根号前取一_ ，是为了保证式( 2 - 6 ) 所表示的波在z 寸+ m 时为有限值。 将( 2 1 0 ) 代a ( 2 - 6 ) ，并令 k = 七，量+ k r 多+ 七：；( 2 1 2 ) 该k 称为矢量波数，则有 舌( x ，y ，z ) = 鲁j ( 七，_ i ，弦一廊班，d 砖( 2 - 1 3 ) 将( 2 1 3 ) 代a ( 2 8 ) 可得 第二章平面近场测量的基本理论 5 v 彳( t ，k ，一肛7 = 0( 2 - 1 4 ) 即 j ( 七，t ，) i = 0( 2 1 5 ) 由( 2 一1 1 ) 及( 2 1 2 ) 知1 k 仅有两个独立分量t ，k ，。由( 2 1 5 ) 知1 ，j ( 七，k ，) 与i 正交， 所以j 也仅有两个独立分量，不妨取4 ，a ，为独立分量，a ：由a x , a ，确定： a a ：一型掣丛 ( 2 1 6 ) ：= 一二乇上三 ( 2 - 1 6 ) 后z 由v x e = - j w t h 及( 2 一1 3 ) ，可求出z 0 区域天线产生的磁场为 膏( x ，y ，z ) = 幼 oh fk f 删k _ _ j ( 七，t ，) e - j e 7 d k x d k y ( 2 - 1 7 ) 式( 2 1 3 ) 及( 2 1 7 ) 为天线产生的电磁场的平面波展开式，其中j ( 七，k ，) 称为平 面波谱。 当+ 砖 k 2 时，i 为复矢量 j ( 七，k ，) p 一舻= j ( 七，七，弘啦。e - z 瓜2( 2 i s ) 表示沿霞方向传播、幅度沿z 指数衰减的非均匀平面波。( 其中，霞= t 圣+ 七，多， j 圣= 薪+ 谚) 在g 很大时，该波衰减得基本上消失了。 由上述可知，天线在z 0 区域产生的场可以看作是沿不同方向传播的均匀平 面波和沿z 指数衰减的非均匀平面波的加权和，在离开天线的距离较远时，衰减模 的贡献基本不存在了。 2 2 天线远场方向图的表示式 在z 0 的无源区域，天线产生的电场豆( x ，y ，z ) 与波谱函数j ( 七。，k ，) 的关系由 ( 2 一1 3 ) 确定。 如果在z = 常数，例如z = d 的平面上场的横向分量 丘( x ，y ，力= 曼e ( 工，y ，d ) + 如，y ，加是已知的或是能够由测量得到的，则由 ( 2 一1 3 ) 有： e t o ，y ，d 1 = 甍巳巳a | 眯l ，k ，) e 拍e 1 咐。“一彘t a r k y 2 - 1 9 ) 显然4 ( 七) 是z = d 平面上横向场互( x ，弘d ) 的二维傅立叶( f o u r i e r ) 变换，即： 4 ( k ) = 等专e 删e e 巨( x , y , d 协 幼 ( 2 2 0 ) 用该式求出a ，( i ) ，再借助于( 2 - 1 6 ) 计算出a ：( 七) ，从而j ( 后) 就确定了，把它 代入( 2 1 3 ) ，便可以求出z 0 区域内任一点的场。 6 基f 网络分析仪的天线近场测量系统的研究 但( 2 2 0 ) 中二重积分的计算是很困难的，不过在观察点远离天线的情况下，可 以用渐近技术进行近似计算，设场点用r , o ，妒来表示，当场点远离天线时即在 ，- - 9 o o b o 眈时，f p ) = 0 ，则称厂( x ) 是一个空间谱宽有限的函数，且它的谱宽 为2 眈。而这样的，( x ) 可以由它在某间隔x 刀吐的一系列离散点处的值来构造 出来，即 ( 班= f ( m a x ) ( 2 - 5 4 ) 第二章平面近场测量的基本理论 这就是n y q u i s t 取样定理，它将一个谱宽有限的连续函数用一系列离散点的叠 加而完成重构，n y q u i s t 取样定理的证明从略。 下面考虑平面近场天线测量中取样间隔的选取。由2 1 节我们可以知道，只要 扫描面到待测天线口面的距离选择得较远，衰减模对扫描面上场的贡献已非常小， 从而可认为扫描面上场的空间谱带宽限定在i 一七，k l 内( k 为波数) ，即。= k ， k 。= k 。根据上述n y q u i s t 取样定理得取样间隔 陲 式中，五为工作波长。因此，通常情况下， 于或等于二分之一波长。 j ( 2 5 5 ) 五 m j 。， 2 平面近场天线测量中取样间隔应小 2 5 扫描面范围的选取原则 理想情况下，扫描面宽度越大，所得到的测量结果越精确。但是在实际的平 面近场天线测量中，扫描面的宽度总是有限的。如何合理地选择扫描面宽度可以 在获得有限的测量数据的情况下最大限度地提高测量精度，一直是天线测量工作 者关心的问题。设待测天线的口径宽度为a ，天线口径面与扫描面的距离为d ，扫 描面宽度为工。，最大可信远场角为p 。( 即最大可信角域为( 胡。见) ) ，如图2 4 所示， 则理论分析及实验表明存在如下关系式1 1 3 1 ： a u t 吃* 们文等) ( 2 - 5 6 ) 图2 4 扫描面宽度选择原则示意图 为了保证测试精度，所选择的扫描面宽度应满足如下关系式： t 2 a r g o , + 口( 2 - 5 7 ) 应当指出，( 2 - 5 6 ) 式和( 2 5 7 ) 式成立的条件是待测天线的最大辐射方向沿z 方 基f 网络分析仪的天线近场测量系统的研究 向，即待测天线不手- j 描。如果待测天线是扫描天线，则通常情况下应增大扫描面 的尺寸。设待测天线的扫描角为哦，则一般来说所选择的扫描面宽度应满足如下 关系式： t 22 d t g ( o ，+ l o o l + 口 ( 2 - 5 8 ) 这里最大可信角域是以扫描角瓯为中心的，即最大可信角域为 ( 0 0 一8s ，a o + 9 。) 。 ( 2 - 5 7 ) 式和( 2 5 8 ) 式便是扫描面宽度选择原则。需要指出的是，的选择必须使 确定远场方向图的适用角域满足实际要求，同时要使扫描面边缘处的电平相对最 大电平足够低，一般截断电平应在3 0 d b 以下。当然，这也要根据测量仪器的动态 范围、扫描面四周的环境情况及对副瓣测量精度的要求等进行综合考虑。 2 6 待测天线口径面与扫描面之间距离的选取原则 待测天线1 ：3 径面与扫描面之间距离d 的选取原则是应使探头与天线间多次耦 合的影响尽可能小，且使衰减模得到足够衰减，从这点考虑将d 选取得较大是有利 的：但是当d 较大时，要保证给定的最大可信远场角扫，和截断电平会导致扫描面 宽度上。过大，因此必须根据实际情况进行折衷考虑。d 的选择范围通常可以在1 a 1 0 2 的范围内。对尺寸很小且散射较弱的探头，d 可以选择得小一些。 第二牵网络分析仪及其精度分折 第三章网络分析仪及其精度分析 3 1 网络分析仪概述 3 1 1 网络分析仪在天线近场测量中的作用 微波网络分析仪是全面测定网络参数的一种仪器。它是分析双口网络电压传 输函数、散射参数( s 参数) 频率特性的有效工具，不仅能够方便地测量幅频、相 频、时延以及输入输出电压转移特性，而且还能够测量任意复杂的自定义函数的 频率特性。 网络分析仪作为射频和微波产品性能的主要测试仪器，已经成为天线近场测 量系统中的核心设备。天线近场测量系统是一个庞大的测量分析系统，它主要由 驱动定位子系统，信号收发子系统，计算机远程控制子系统及数据处理子系统等 几个部分组成。其中信号收发子系统的主要作用是将探头取得的电平信号经过混 频转换成中频( i f ) 信号，网络分析仪作为幅相接收机将接收到的i f 信号经过一 系列处理变成相应的幅相信号并显示出来，有了幅相信号的相关信息，我们才可 以对待测天线( a u t ) 进行进一步的全面的分析。因此网络分析仪在其中承担着 极其重要的角色。为了更清楚直观地描述网络分析仪在天线近场测量中的作用， 我们以直接法进行天线近场测量为例【4 】，如图3 1 所示，在该方法中，用探头直接 测量源场的相位和幅度分布，由幅相接收杌将接收到的电平信号转交成幅相信号 并进行显示，在这个简化的近场测量框图中，作为幅相接收机的网络分析仪是测 量系统中的主要部分之一 待测天线 信号源 图3 1 直接法天线近场测量框图 3 1 2 网络分析仪的发展 网络分析仪的早期结构是阻抗图示仪。随着扫频信号源和取样变频器的解决， 使网络分析仪得到迅速发展，但还处于手控状态。直到上世纪6 0 年代将计算机应 用于测量技术，才出现全自动的测量网络参数装置自动网络分析仪( a n a ) 。 1 4 基r 网络分析仪的天线近场测量系统的研究 随着计算机和大规模集成电路技术日新月异的发展，网络测量技术发展成为 今天这种多参数、高精度、宽频段、速度快、自动化程度高的测量系统。现代网 络分析仪为全面评价网络特性的测量提供了高质量的测试，它既能测量无源网络， 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；既能示 波器显示，也能打印输出。其测试频段可高达4 0 g h z 乃至1 1 0 g h z ，测量速度最 快也可达到每点2 6 艘，动态范围1 4 0 d b 以上，以幅度、相位、时延、极坐标、s m i t h 圆图、驻波比等形式测量系统的各项网络参量如：s 参数、阻抗参数、驻波系数、 回波损耗、插入损耗、电长度、群时延、相位失真等，有些网络分析仪还附加了 时域分析功能等。 3 2 网络分析仪的基本原理 3 2 1 网络分析仪的组成框图 网络分析仪主要由合成频率源( 激励源) 、测试装置( 信号分离装置) 、接收监测 部分、微处理器显示四大部分组成【1 4 】，原理框图如图3 2 所示。其基本工作原理 是：先将激励源的信号分成二路，一路作为参考信号r 。另一路经过衰减送入测试 端口作为被测网络的激励源，并通过定向耦合器取出，经过被测网络的反射信号a 和传输信号b 后作为测试信号，再用采样变频法将该两路微波信号中所包含的幅 度和相位信息线性地转移到中频或低频上，进行幅度和相位关系的测量，变频还 有利于在很宽频带内实现连续和步进扫频测量，以显示出被测网络的各种参数随 频率变化的情况。 图3 2 矢量网络分析仪的组成框图 3 2 2h p 8 5 3 0 网络分析仪的测量原理【1 5 】 下面以h p 8 5 3 0 网络分析仪为例，简要介绍网络分析仪的测量原理。h p 8 5 3 0 第三章网络分析仪及其精度分析5 网络分析仪由信号源，测量装置，中频检测和显示处理等四个部分组成，如图3 3 。 信号源可采用模拟或合成扫频源( 部工作在斜坡电压模式 。前者在选定频率范围 内以线性斜坡扫描，后者使用“锁一滚”调谐技术，使扫频的起始频率点具有频率合 成器的精度，随后处于线性模拟扫频过程直到终止频率，窄带测量时能在全部频 带内获得频率合成器的高性能，合成扫频源与模拟扫频源一样，也可以工作在步 进扫频模式。在选定频率范围内，每个步进频率点都经过相位锁定，能保证频率 合成信号源的频率精度和重复性。该工作模式，虽然测试速度有所降低，但频率 精度很高。 nbtli睫i10 图3 3h p 8 5 3 0 网络分析仪原理 测试信号输入到测试装置，正反向测试时分别利用a l 和a 2 作为参考信号，由 分离装置分出两路测试信号( 分别为反射和传输) ，共有四个通道。每路信号都输 入到本通道的谐波混频器，由公用的电压调谐振荡器( v r o ) 输出到谐波发生器 作为本振源。混频后输出2 0 m h z 第一中频信号，送入中频检测单元。经过二次变 频得出l o o l ( 1 z 信号，同步检波后输入到显示处理单元，显示测量结果。 第一混频器至显示处理单元即为幅相接收机，它在斜坡电压扫描期间，可与 扫频源同步地取样选择8 0 1 或4 0 1 ，2 0 1 ，1 0 1 个步迸电压加到v t o ，由传感o 一 1 0 v 扫描电路完成取样定时控制。同时将1 0 0 k h z 晶振信号加到参考和测试同步检 波器的输入端作为比较基准，参考或测试信号同步检波之后都展开为实部( r ) 和 虚部( i ) ，由算法消除漂移、偏移和周期性误差。然后每个( i ) 的电压被变换 为数字量，由c p u 读出。网络分析仪系统各部件通过内部总线相连，使其成为一 部快速、精确的高智能化仪器。 &；一l#毒盏 1 6 基f 网络分析仪的天线近场蒯晕系统的研究 刚络分析仪的频率范围取决于接收机的第一混频器的工作带宽。通常采用取 样变频方案扩展频段。图3 3 的频率变换工作频率为4 5 m h z - - 2 6 5 g h z ，第一中频 2 0 m h z 被晶振产生的杯准频率锁定后，变频到1 0 0 k h z ，经过窄带中放，提高了 信噪比，使幅值测量的动态范围扩大到8 0 d b 。其上限受限于混频器非线性，下限 受限于噪声。采用多次测量取平均的办法可降低噪声，使动态范围增加到1 0 0 d b 。 图3 4 是检测处理数字信号流程框图。表示处理测试和参考通道复比值数据的 流程，包括校正误差、输出格式、算法和时域频域转换处理。 图3 4 内部数据流 3 3a g i l e n tp n a 系列矢量网络分析仪的精度分析 p n a 系列矢量网络分析仪是安捷伦及其前身h p 公司不久前推出的产品。在 该系列的网络分析仪中，采用混频接收机取代了传统方案中的取样器，这样p n a 系列的测量速度比作为工业标准的8 7 5 3 系列快3 5 倍。在性能指标上，p n a 系列 矢量网络分析仪也有了新的突破，主要表现在以下几大方面： 测量速度： s c p i 指令的语法介绍： 1 ) 有时同样的一个关键字，例如s t a t e ，会用在不同的几个命令树分支中， 分析仪可以通过下面的规则确认当前路径： 源的开启和复位：源在每次循环之后或在* r s t 指令之后，当前路径都 被设置在根命令级上； 消息终止器：一个消息终止器，例如 特性，会将当前路径设置在 根命令级上。很多编程语言的输出状态会自动给终止器发送消息： 冒号( ：) ：在两个命令关键字中间的冒号，将当前路径在命令树中降 低一个级别，例如“：s o u r c e ：p o w e r 表示p o w e r 是s o u r c e 下面 一级的命令。若冒号出现在一个命令的开头，则表示该关键字是一个 根命令，例如“：s o u r c e 表示s o u r c e 是一个根命令( 另外，如果某 一命令在一行的最开始，则可以省略掉冒号，如 s 0 u r ：p o w ：a = 兀! a u l o 和：s o u r ：p o w ：朋r r a u t o 是等效的) 。 空格：比如 和 ，必须使用空格将命令和其后的参数分隔 开来，例如在下面的语句中，s t a t e 和o n 之间必须有空格： c a l c u l a ：r e l ：s m o o t h i n g ：s t a t eo n 逗号(