網(wǎng)絡(luò)分析與網(wǎng)絡(luò)分析儀的詳解

時間：2019-07-17作者：成都安特電子有限責(zé)任公司瀏覽：272

若干電氣元件相互連接形成的系統(tǒng)叫做網(wǎng)絡(luò)?！熬W(wǎng)絡(luò)”可以作為電路的代名詞，“網(wǎng)絡(luò)分析”就是電路分析，只是平常很少這樣說，由此增添了幾分神秘色彩。到了射頻通信領(lǐng)域，可以把任何具有一個以上端口的電路單元稱為網(wǎng)絡(luò)，并且常常把這種網(wǎng)絡(luò)視為“黑箱”，并不去關(guān)心電路單元內(nèi)部是怎么回事，而是給端口加上適當(dāng)?shù)募钚盘?，測試電路的反應(yīng)，從而表征這個網(wǎng)絡(luò)的特點。射頻通信領(lǐng)域常說的“網(wǎng)絡(luò)分析”，就是這種以端口為界，描繪射頻電路性能的工作。

散射參數(shù)

為了進一步了解網(wǎng)絡(luò)分析給我們帶來的便利，有必要先了解網(wǎng)絡(luò)分析的語言——散射參數(shù)。圖（1）是一個Π型衰減器，圖（2）是它的電路圖，如何較簡單明確的描述它的性能呢？熟悉傳統(tǒng)電路分析的人不難想到，可以先把右邊的端口開路，然后用萬用表測試左邊的電阻；再把左邊開路，測試右邊的電阻。給左邊通上適當(dāng)?shù)碾娏?，然后用電壓表測試右邊的電壓，然后反過來再測試一次。根據(jù)這些數(shù)據(jù)依次得到四個參數(shù)：開路輸入電阻、開路輸出電阻，開路正向傳輸電阻、開路反向傳輸電阻。當(dāng)看到這一堆似曾相識參數(shù)之后，您一定會問：這東西與衰減器有啥關(guān)系，大家喜聞樂見的衰減量是多少？

圖1

圖2

這個例子說明，在低頻電路上常用的Z參數(shù)（開路阻抗參數(shù)），用在射頻通信領(lǐng)域既不符合習(xí)慣，也難以測量。歸納起來，有三個重要原因促使我們選擇一種新的參數(shù)來描述電路：（1）大多數(shù)射頻電路不允許端口開路或短路，因為這樣做會讓電路偏離預(yù)定的工作狀態(tài)；（2）波長很短的時候，即使信號只傳播很短距離，也會發(fā)生不可忽視的相位移動，使測試計算變得非常困難；（3）需要有一整套方法，能夠根據(jù)所得到的參數(shù)迅速簡便的設(shè)計電路。基于上述原因，散射參數(shù)應(yīng)運而生。

散射參數(shù)（Scattering Parameters）常被簡稱為S參數(shù)。和阻抗參數(shù)類似，對于有兩個端口的網(wǎng)絡(luò)（例如衰減器）而言，它也包括四個部分，用Sij表示，其中，i表示待檢測端口，j表示激勵信號的入射端口：

S11：被測器件（device under testing，簡稱DUT）的一個端口對信號的反射量，又稱回波損耗；

S21：信號通過被測器件時產(chǎn)生的變化（幅度和相位變化，又稱插損或增益）；

S12：信號以相反方向通過被測器件時產(chǎn)生的變化；

S22：被測器件的另一個端口對信號的反射量。

當(dāng)一個端口在測試時沒有被用到時，應(yīng)接上匹配負載，于是電路能夠非常接近正常的工作狀態(tài)。測量散射參數(shù)，只需要了解信號流經(jīng)被測器件時產(chǎn)生的變化，同時又不會對電路的正常工作造成影響，因此較加簡單、直接。后面將要介紹的網(wǎng)絡(luò)分析儀，就是專門測量散射參數(shù)的裝置。

通過數(shù)學(xué)計算，散射參數(shù)能夠被轉(zhuǎn)換為其它類型的參數(shù)。

S參數(shù)是歸一化的相對值

四個S參數(shù)都代表出射信號與入射信號的電壓比（或功率比，在計算時應(yīng)統(tǒng)一）。還是用衰減器來舉例，圖（2）中，入射信號的功率是1W，經(jīng)過待測器件，輸出0.1W，則S21=0.1/1=0.1。換算成分貝值則為-10dB。于是這支衰減器的衰減量是10dB。這一相對值又是頻率的函數(shù)。隨著頻率的變化，衰減器的衰減量可能發(fā)生波動。把頻率作為橫坐標(biāo)，衰減量作為縱坐標(biāo)，可以得到幅度——頻率特性圖，簡稱幅頻特性圖。

有的時候還需要關(guān)心信號通過電路以后相位發(fā)生的變化。例如一支天線，給他輸入1W∠0°的信號，在天線的端口上測到反射信號功率為入射信號的0.5倍（稱為反射系數(shù)），但是反射信號與入射信號之間，電壓的相位相差了90度，則天線的S11表示為0.707∠90°，表明有-3dB的回波損耗，且相位滯后90度。

網(wǎng)絡(luò)分析的效益

了解了散射參數(shù)以后再來探討網(wǎng)絡(luò)分析的效益就很容易理解。上面舉例的衰減器，當(dāng)對他進行網(wǎng)絡(luò)分析以后，直接得到了衰減量這個參數(shù)，就能直觀的了解衰減器接入射頻電路以后會產(chǎn)生什么效果。下面天線的例子，進一步說明了這種分析方法的方便之處。

通過網(wǎng)絡(luò)分析，能夠直接測到天線的S11參數(shù)，包含一個幅度（或功率）關(guān)系和一個相位關(guān)系，例如0.5∠90°。圖（3）是一個較坐標(biāo)的S11關(guān)系圖，它的徑向坐標(biāo)代表幅度關(guān)系，繞軸旋轉(zhuǎn)的角度代表相位關(guān)系。圖（4）是一個直角坐標(biāo)表示的阻抗圖，橫坐標(biāo)代表電阻，縱坐標(biāo)代表電抗。對圖（4）做從直角坐標(biāo)到較坐標(biāo)的坐標(biāo)變換，并讓刻度符合單位阻抗（Zn=Z/Z0,Z0=50Ω）與反射系數(shù)（Γ）之間的關(guān)系式Zn=（1+Γ）/(1-Γ)，可以得到圖（5）所示的阻抗圓圖。圖（3）和圖（5）重疊起來，得到史密斯圓圖（Smith Chat，圖6）。在這張圖上，可以根據(jù)S11參數(shù)，直接讀取天線的輸入阻抗。我們的目的是匹配以傳輸較大的功率，這時有兩種方法：（1）傳輸線末端提供一個與天線輸入阻抗共軛的輸出阻抗；（2）通過調(diào)試和接入匹配元件，讓天線的輸入阻抗變?yōu)榧兇獾?0歐。對于后一種方法，匹配元件的大小，可以在史密斯圖上方便的求解。


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