网络分析仪的使用.doc

一般而言，网络分析仪在射频及微波组件方面的量测上，是最基本、应用层次也最广的仪器，它可以提供线性及非线性特性组件的量测参数，因此，举凡所有射频主被动组件的仿真、制程及测试上，几乎都会使用到。在量测参数上，它不但可以提供反射系数，并从反射系数换算出阻抗的大小，且可以量测穿透系数，以及推演出重要的S参数及其它重要的参数，如相位、群速度延迟(Group Delay)、插入损失(Insertion Loss)、增益(Gain)甚至放大器的1dB压缩点(Compression point)等。基本原理电子电路组件在高频下工作时，许多特性与低频的行为有所不同，在高频时，其波长与实际电路组件的物理尺度相比会相对变小，举例来说，在真空下的电磁波其速度即为光速，则c=f，其中c为光速3108m/sec，若操作在2.4GHz的频率下，若不考虑空气的介电系数，则波长=12.5cm，亦即在短短的数公分内，电压大小就会因相位的偏移而有极大的变化。因此在高频下，我们会使用能量及阻抗的观念来取代低频的电压及电流的表示法，此时我们就会引入前述文章所提波的概念。光波属于电磁波的一种，当我们用光分析一个组件时，会使用一个已知的入射光源测量未知的待测物，当光波由空气到达另一个介质时，会因折射率的不同产生部分反射及部分穿透的特性，例如化学成分分析上使用的穿透及反射光谱。对于同样是属电磁波的射频来说，道理是相通的，光之于折射率就好比微波之于阻抗的概念，当一个电磁波到达另一个不连续的阻抗接口时，同样也会有穿透及反射的行为，从这些反射及穿透行为的大小及相位变化中，就可以分析出该组件的特性。用来描述组件的参数有许多种，其中某些只包含振幅的讯息，如回返损耗(R.L. Return Loss)、驻波比(SWR Standing Wave Ratio)或插入损失(I.L. Insertion Loss)等，我们称为纯量，而能得到如反射系数( Reflection coefficient)及穿透系数( Transmission coefficient)等，我们称之为向量，其中向量可以推导出纯量行为，但纯量却因无相位信息而无法推导出向量特性。重要的向量系数反射特性在此，我们重点介绍几个重要的向量系数首先，我们从反射系数来定义，其中Vrefect为反射波、Vinc为入射波，两者皆为向量，亦即包含振幅及相位的信息，而反射系数代表入射与反射能量的比值，经过理论的演算，可以从传输线的特性阻抗ZO(Characteristic Impedance)得到待测组件的负载阻抗ZL，亦即，在网络分析中，一般使用史密斯图(Smith Chart)来标示不同频率下的阻抗值。另外，反射系数也可以使用极坐标表示： ，其中为反射系数的大小，则表示入射与反射波的相位差值。接下来，介绍两个纯量的参数-驻波比及回返损耗，其中驻波的意义是入射波与被待测装置反射回来的反射波造成在传输线上的电压或电流驻波效应，而驻波比(SWR)的定义就是驻波中的最大与最小能量的比值，我们可以从纯量的反射系数中得到。同样，我们也可以从值定义出回返损耗(R.L.)，其意义是反射能量与入射能量的比值，其值愈大，代表反射回来的能量愈小。对于反射系数所衍生的相关纯量参数，我们将其整理成表1，基本上，它们之间是换算的过程，会因为产业及应用的不同而倾向于使用某一参数。REMARK:驻波系数又叫做驻波比,如果电缆线路上有反射波,它与行波相互作用就会产生驻波,这时线上某些点的电压振幅为最大值Vmax,某些点的电压振幅为最小值Vmin,最大振幅与最小振幅之比称为驻波系数.驻波系数越大,表示线路上反射波成分愈大, 也表示线路不均匀或线路终端失配较大.为控制电缆的不均匀性,要求一定长度的终端匹配的电缆在使用频段上的输入驻波系数S不超过某一规定的数值.电缆中不均匀性的大小,也可用反射衰减来表示.反射系数的倒数的绝对值取对数,称为反射衰减.反射衰减愈大,即反射系数愈小,也就是驻波比愈小,即表示内部不均匀性越小.穿透特性对于穿透的特性，一样有分为纯量与向量两种，对于向量系数而言，最重要的就是穿透系数 ，其中Vtrans为经过待测物后的穿透波、Vinc为入射波，而即为穿透系数的纯量大小，则表示入射与穿透波的相位差值。对于纯量的定义上，以被动组件而言，最常使用的就是插入损失(I.L. Insertion Loss)，亦即与上述的值是相关的参数，定义为。若为主动组件如放大器等，穿透的信号有放大的效应则为增益(Gain)，此时定义为。对于向量的行为，则计有插入相位(Insertion Phase)，其表示入射与穿透信号的相位差，我们可以从相位的变化中，推导出另一个很重要的参数-群速延迟(G.D. Group Delay)，它代表的意义就是不同频率的波在一段传输线中，因介电材料或其它边界效应(Boundary condition)的影响，使到达时间不同而产生的延迟现象，其中又有分为平均延迟时间(Average Group Delay)与波浪(Ripple)或称为平坦度(Flatness)的定义，前者表示不同频率到达的平均时间，并可以从中推算出电气长度(Electrical Length)，后者则表示不同频率间的到达时间差，一般我们会希望平坦度愈小愈好，如此在通讯上不致造成信号失真的问题。散射参数(Scattering parameter)在高频的量测上，S参数提供了相当有用的定性量测方法，以便分析双端口甚至是多端口组件的所有特性，如放大器、滤波器、天线以及缆线等，S参数与低频的Z、Y参数定义相当类似，但不同的是S参数是采用入射、反射及穿透波能量来描述待测装置的输入及输出端口特性，而不若Z、Y参数必须找到电压或电流的开路或短路的解，使得在高频领域下的应用更为广泛。图2则是两端口组件S参数的表示方式，其中a表示发射源，b则为接收器，而a、b的下标则代表从第一埠(Port 1)或第二埠(Port 2)来量测，如a1则表示从第一端口的发射信号源，b2则表示在第二端口的信号接收器。以一个双端口组件而言，会衍生出四个S参数，若为三埠或多端口以上的组件，就会有N2个相对应参数，基本上，在微波工程中常用以矩阵来表示。而每一个S参数，都有其对应的边界条件，如，即表示第二端口时没有信号反射时，亦即待测物输出端有负载阻抗的匹配时，所得到待测物在输入端的反射系数。经过以上的定义，我们将反射、穿透及S参数与相对应的量测参数整理如图3。仪器结构示意图基本上，网络分析仪的架构可以分成四大部分：一个是信号的发射源，另一种为用以分离入射、反射及穿透波的信号分离电路，第三是将射频或微波信号转换至中频信号的接收器，最后是负责将侦测信号作运算处理的处理器及显示屏。信号源担任激励(Stimulus)的角色信号源在网络分析仪中是担任一个激励(Stimulus)的角色，主要是提供一个扫频或功率扫描的信号送到待测物上，当信号打到待测物之后，就会反应出穿透或反射的行为，据此，我们就可以得到某个频率或功率范围下的响应，而信号源的频率范围、频率稳定度、信号纯度以至于功率位准即位准控制能力都会影响量测的结果，一般用于网络分析仪中大致有两类，其一是振荡器(Oscillator)，另一个是合成器(Synthesizer)，前者好处是价格低廉，但频率稳定度及精确度远不及后者，若我们量测的组件其响应变化优于振荡器时，如量测晶体滤波器的残存FM(residual FM)频宽时，就应该采用更稳定的合成器信号源。信号分离电路将入射、反射及穿透信号分离处理当信号源产生入射的信号行为后，接下来就是要将入射、反射及穿透信号予以分离处理，进而侦测每一分量的振幅及相位特性。担任信号分离工作的是一些被动组件，主要有单向耦合器(Directional Coupler)、电桥(Bridge)、功率分离器(Power Splitter)等，图4中即为单向耦合器的示意图，其中主路径只有单一方向的功率行进情况下，才会有能量被耦合到耦合路径上，而被耦合的路径的信号位准通常较低，而下降位准的总量称为耦合因子(Coupling Factor)，例如耦合因子为20dB的单向性耦合器，代表入射信号的1%能量会耦合到耦合路径上，而99%的功率则仍在主路径上行进。另一个单向耦合器的重要参数为方向性(Directivity)，其定义为：Directivity(dB)=Isolation(dB) - Coupling Factor(dB) - Loss(dB)代表信号在顺向及逆向所检测到的信号差，造成方向性误差的来源有信号的泄漏(Leakage)或称为隔绝性(Isolation)、耦合器内部及接头阻抗不匹配的反射(亦即耦合因子)等。在仪器内部中，方向性应尽可能的好，一般至少要在30dB以上，如此才不致受到信号泄漏的误差而影响量测。而功率分离电路的特性是将入射信号分离成两个路径，一般而言，两个分离信号的功率位准比原入射信号低6dB，分离器的主要目的是产生一个具有与信号源完全匹配的量测环境，一般连接的方式是将其中一个输出路径连接到参考接收器(Reference Detector)，而另一个输出路径则连接到待测物上，若在待测物的输出端后接上一个传输接收器(Transmission Detector)，就可以从两个功率比值中得到穿透系数，综而言之，功率分离器是一个宽频且良好频率响应的组件，并能与信号源及接收器间有良好的匹配。第三种是电桥，其工作原理类似于惠斯同电桥(Wheatstone Bridge)，其等效于单向性耦合器的方向性定义为最大的平衡值(Maximum Balance，即接上完美的负载)与最小的平衡值(Minimum Balance，即接上开路或短路)所得的比率(dB)，是单向耦合器的替代方案。在量测上，与单向耦合器不同的地方是它可以工作在直流下，因此仪器可以有较大的频率量测范围，一般单向耦合器有高通(High Pass)的反应现象，因此在低于40MHz以下就必须用电桥来取代。但电桥也有其缺点，因为它的信号位准从待测物传回值较小，因此会有较大的损耗，相较于单向耦合器则具有低损耗(Low Loss)的优点，电桥则减少了量测的动态范围。上述的各个组件一般工作在50或75欧姆下的环境，实际上量测反射系数时，我们会搭配一对或一个单向性耦合器及一个功率分离器，如图5下方所示，才能将入射与反射信号分离，而对于穿透系数量测上，基本上使用一个功率分离器或单向性耦合器就可完成入射与穿透信号的分离动作，在穿透量测上使用单向性耦合器的好处是可以将大部分的能量送到待测物上，而可以得到较佳的动态范围，而电桥的接法与单向性耦合器类似，在此不再赘述。接收器接收器的角色，就是将分离电路所得的射频/微波讯号转换至中频或直流位准，以便于后方的数字处理器作运算的工作。基本上的接收器有两类，即为二极管(Diode)及调谐型接收器(Tuned Receiver)，其中最简单也最便宜的技术就是使用宽频的二极管接收器，二极管有整流的功能，可以将高频讯号能量转换成直流的信号，但使用这种接收器的缺点是因频率响应是宽频的，因此对于信号源或待测物所产生的谐波(Harmonic)或虚拟(Spurious)效应也会加入量测范围内，因此其动态范围会限制在5060dB左右，但对于这种宽频量测行为的好处是它的侦测方式与频率无关，因此对于频率转换的组件、大的直流增益放大器及动态范围较小的窄波滤波器上有其应用的范围，另外需注意的是得到信号仅有纯量的信息，所以搭配此类型接收器多半是较廉价的纯量式(Scalar)网络分析仪。另外一种是属于窄频的调谐接收器，其中混波的方式可以有基频混波(Fundamental Mixing)及谐波混波(Harmonic Mixing)的方式，将侦测到的射频/微波信号利用中频滤波器(IF filter)转换成较低频的中频信号，如图6右方所示，这种方式的好处是对于虚拟讯号(Spurious Signal)可以有过滤的效果，另外，使用窄频滤波的方式，可以将噪声位准(Noise Level)降低，这原理与频谱分析仪相当类似，如此一来就可以得到较大的动态范围，除此之外，一般搭配调谐接收器的网络分析仪可以量测与输入信号间的相位关系，因此向量网络分析仪内部接收器以此类为主。信号处理及显示屏分析仪中有许多组接收器，其中一个对应的处理单元会针对参考信道，纪录输入信号的绝对功率位准及相位归零值，而有另一个或以上的处理单元则担任测试信道纪录的工作，而从参考与测试信道之间就可以得到信号位准比值及相对应相位差，例如两信道之间量测电压比值为20dB，则代表两信道之间信号位准的比例为10：1，而所有网络分析仪的S参数都是采用相对性表示法得到，在相位部分，一般会以参考信道相位为零度去比较出其它测试信道的相位差而得到有关向量的参数。因此，当信号经过降频处理及纪录后，仪器内部就会对所侦测到的信号，根据运算的数值作适当的显示，包括不同的图表格式如史密斯图、极坐标、SWR、相位、群速延迟等，另外如光标显示、限制线(Limit Line)设定、不同S参数的显示及存盘、打印等工作，都是由内部的处理单元来完成，近来更因微软的窗口操作系统相当便利之故，并有其强大的COM/DCOM功能可以透过局域网络联机(LAN)作外部计算机控制的动作，而在下一世代的仪器中，会渐渐走向窗口平台操作系统，因此无论在操作上或资料的转换上都相当的便利，不需要再考虑资料打印时打印机是否支持、以及量测资料格式是否兼容于计算机的问题，使用者可以专注于量测及分析的工作以提高生产效率。校正原理在所有网络的量测系统中，都会有所谓的误差来源，他们分别来自于如缆线、治具及环境所造成的系统误差(Systematic Error)，我们假设它不随时间而变(这也代表当缆线或治具改变时，就必须重新作校正)，因此可以用校正模型或数学运算的方式将其去除，在网络中，这些误差计有信号泄漏(Signal Leakage)、信号反射(Signal Reflection)以及频率响应(Frequency Response)等。另一类误差为随机误差(Random Error)，它是会随着时间而改变且不可预期的，如仪器的噪声位准、取样噪声等，我们无法对此类误差作校正的动作，但我们可藉由增加入射讯号功率、降低中频滤波器频宽或使用平均方式来尽量减少此类误差。第三种是当校正后因使用时间增加所产生的飘移误差(Drift Error)，它主要来自于环境温度改变的贡献，而飘移误差的大小就决定了何时必须再做一次的校正工作，若我们可以控制环境温度为一稳定值，例如，则系统就可以维持在一定的精确度范围内。必须注意的是，以上所述的这些误差大小会随着测试系统架设方式而有不同，因此在做每次精确的量测前，我们建议都必须作校正的动作，以下就是探讨误差的来源及相对应的解决方案。单埠误差来源及解决方案(1-Port)这里所提到的单埠，就是表示在所谓反射系数的量测上，误差主要来自于三项贡献，即方向性(Directivity)、信号源不匹配(Source Mismatch)、反射频率响应(Reflection Tracking)等。若对照到仪器及缆线端的架构上，可以由图7来表示，第一个误差项为方向性，前已提到，它主要来自于单向耦合器或电桥的信号泄漏的因素；其次是信号源匹配部分，由于信号源到缆线之间阻抗匹配的问题，会造成信号源与待测物输入端间多次反射现象，而产生量测误差；第三是反射频率响应问题，对于反射系数而言，它代表参考接收器与待测接收器的比值(亦即图7中的R与A接收器)，但同样的信号从两端信号的路径中，所得到的值会因为内部缆线长短及两接收器的频率响应而有所不同，总称为频率响应误差。对于前述三种误差来源，我们可以用已知的三个校正工具，利用数学矩阵仿真运算的方式，将三项误差去除，在同轴式的接头上，我们会采用标准的开路(Open)、短路(Short)及50欧姆的负载(Load)作为参考值，将各个频率下的误差订正(Correction)，对于校正完后，应进一步做验证的动作，以确保在量测时的校正平面(Calibration Plane)是够精准的，例如在50欧姆负载端接上时，S11值应小于-60dB、在开路或短路的情况下，S11值应小于0.05dB等。双埠误差来源及解决方案(Full 2-Port)同样是在单端口模型下的情形，但多了穿透特性的量测，因此在误差来源上，比纯粹反射系数多了三项误差，它们分别是穿透频率响应(Transmission tracking)、输出端不匹配(Load Mismatch)以及串音(Crosstalk)。如同前所述反射频率响应一般，穿透系数是由图中两接收器R、B所定义，当两接收器反应不一致时，就会造成误差；其次在信号输出端与穿透接收器之间的阻抗也必须匹配，否则信号同样会在输出端与接收器之间来回振荡而使信号多了一个不确定性；最后一个是串音的现象，对于切换器或动态范围较大的组件，必须考虑到当信号不直接通过待测物但透过空气传递的现象，因此，对于这方面我们就必须比纯作反射系数量测上，多做额外的三项校正。为了解决上述的误差来源，我们会采用直接缆线对接的方式，称之为Through校正，同样也是经由数学运算，此时可以解决输出端不匹配及穿透频率响应的问题。对于串音部分，一般为一选项校正，除非串音对待测组件影响较大，不然可以将此误差项忽略，实际上若要校正，必须两埠都接上50欧姆或先接上待测物再串接50欧姆负载做校正才正确。以上为单端口的误差来源模型，共计有6个误差项，若对于两端口组件上，因信号源入射方向及待测物所走的路径不同，而会有对应到12个误差来源，对于三埠，则有27个误差项，若为四埠，则计有48个误差来源，因此当测量埠愈多时，相对的误差也会较多，但对于误差来源的原因，都可以归纳成图八所提的六大类误差之中。校正方式及校正工具介绍在了解误差的来源后，接下来，就是对应到仪器如何操作，我们以双端口网络分析仪为例，以速度及精准度来分，计有响应(Response)、单埠反射校正(1-Port)、全双埠校正(Full 2-Port)三种。所谓的响应，就是单做开路、短路、负载或者是穿透(Through)其中一种，其中以穿透较为常见，因做全双埠校正需要较多的接头转换次数，为了节省时间或不需要非常精确的量测，只做穿透校正就可以将其中四项误差更正，例如使用频谱分析仪(Spectrum Analyzer)加上同步信号产生器(Tracking Generator)所得纯量穿透系数所做的归一化(Normalization)就属于同样类型的校正原理。对于单埠的反射系数量测上，则须做三次接头转换，其分别为开路、短路及负载，这类似于高频的阻抗分析仪，若只纯粹量测反射相关参数如阻抗、反射损失等，就仅做此校正即可。但对于较有弹性的量测上，如滤波器或放大器等需同时量测反射及穿透相关参数，则需要做全双埠校正而将10或12项误差(其中两项为串音误差，一般可以忽略掉)做订正的动作，图9为不同校正方式与其相对应的校正工具。另外，相对于不同的接头型态、涵盖频率及精准度，就会有不同校正工具的选择，如APC-7、N-Type、3.5mm、2.4mm等等，端视欲量的待测物为何种形式的接头而定。如图10左方，为传统3.5mm的校正工具，而右方则是目前较新式的电子切换式校正工具，使用者只须连接一次而不必再换接头就可以将所有的误差来源校正完成，这应该是未来多埠校正工具的趋势。仪器规格及特征如同频谱分析仪一般，网络分析仪也有相对应的规格，而规格的好坏并非绝对，主要须能符合量测应用的领域范围及未来的需要为优先考量因素，另外就是价格方面的问题，某些量测设备，可能会因为添加某些选项而可以做某方面特殊的应用等(如时域反射侦测、Full TRL校正)，而会使整体价格提升，但为了作正确的测量及应用，这方面的投资是必要的。一般来说，仪器规格大致可以区分成系统、信号源、测试端口、扫描项目、校正、选项及支持性等六类，以下我们举实例来做参考。系统规格仪器规格中，有定义所谓的系统动态范围(Dynamic Range)，它的计算方式是输出功率或接收器的最大输入信号位准与接收器噪声位准的差值，单位为dB，其值愈大愈好，一般都会在70dB以上，但必须同时考虑到扫描的时间，若仪器动态范围够大，但相对的扫描时间过长，就不适用于产线上实时的量测监控，一般来说，单次扫描时间为数十毫秒到数秒之间。另外，会标示反射或穿透的不确定性(Uncertainly)，这是代表在做完校正动作之后，仪器因噪声、接头重复性及切换器所造成最差情况的误差贡献，造成量测的不确定，单位为dB，其值愈小愈好。信号源规格频率范围(Frequency Range)代表信号源所能扫描的频率范围，而频率分辨率(Frequency Resolution)则表示信号源扫频时的最小频率间隔，一般为数kHz至1Hz，在频率稳定度(Stability)及精确度(Accuracy)规格上，则表示有多少成分的频率会偏离欲调变的频率中心，单