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。 為完成被測件傳輸/反射特性測試，網(wǎng)絡(luò)分析儀包含；

       1．激勵信號源； 提供被測件激勵輸入信號

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

       3．接收機(jī)； 對被測件的反射，傳輸，輸入信號進(jìn)行測試。

       4．處理顯示單元; 對測試結(jié)果進(jìn)行處理和顯示。

圖1  網(wǎng)絡(luò)分析儀組成框圖

    傳輸特性是被測件輸出與輸入激勵的相對比值， 網(wǎng)絡(luò)分析儀要完成該項測試，需分別得到被測件輸入激勵信號和輸出信號信息。

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

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

圖2  網(wǎng)絡(luò)分析儀傳輸測試信號流程

    反射特性是被測件反射與輸入激勵的相對比值， 網(wǎng)絡(luò)分析儀要完成該項測試，需分別得到被測件輸入激勵信號和測試端口反射信號。

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

    激勵信號輸入到被測件后會發(fā)射反射， 被測件端口反射信號與輸入激勵信號在相同物理路徑上傳播，定向耦合器負(fù)責(zé)把同個物理路徑上相反方向傳播的信號進(jìn)行分離，提取反射信號信息，進(jìn)入A接收機(jī)。

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

圖3  網(wǎng)絡(luò)分析儀反射測試信號流程

信號源

    信號源提供被測件激勵信號，由于網(wǎng)絡(luò)分析儀要測試被測件傳輸/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)信號源需具備頻率掃描和功率掃描功能。

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

    網(wǎng)絡(luò)分析控制其輸出功率依靠ALC和衰減器兩個部分完成。 ALC保證輸入信號功率的穩(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)

圖4  網(wǎng)絡(luò)分析儀中的信號源

信號分離裝置

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

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

圖5  網(wǎng)絡(luò)分析儀中的信號分離裝置

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

    定向耦合器負(fù)責(zé)分離反射測試中的激勵信號和反射信號，這個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，單其對測試的傳輸信號有較大損耗。

    定向耦合器是三端口器件；其三個端口為； 輸入端，輸出端和耦合端。

    在反射測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)把信號由定向耦合器輸入端接入時，耦合端有耦合輸出，此時稱為正向傳輸，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

    對于理想定向耦合器，當(dāng)信號由耦合器輸出端接入反向工作時，耦合端沒有輸出。這是因為輸入功率被耦合器內(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。

    實際定向耦合器反向工作時，耦合端會有泄露輸出， 反向工作時耦合端輸出與輸入信號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

    對定向耦合器測試的重要指標(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方向信號的能力?？梢员灰暈榉瓷錅y試的動態(tài)范圍。

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

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

    反射測試中，定向耦合器對于被測件反射信號而言是正向連接，定向耦合器耦合端輸出反映反射信號信息。

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

    被測件匹配性能越好，定向耦合器方向性對測試影響越大。

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輸入到相應(yīng)接收機(jī)進(jìn)行處理，為對這些信號進(jìn)行分析，網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)置多臺接收機(jī)。

    網(wǎng)絡(luò)分析儀是一個包含激勵源和接收設(shè)備的閉環(huán)測試系統(tǒng)。

圖8  網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機(jī)

    網(wǎng)絡(luò)分析儀中檢測信號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輸入包絡(luò)電平，輸出電壓反映輸入信號功率。如果輸入信號為連續(xù)CW信號，為DC檢波，如果輸入為幅度調(diào)制信號，為AC檢波。二極管檢波只反映信號幅度信息，丟失了射頻載波信號的相位信息。

    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。這樣可以得到信號的相位和幅度信號。

    如果您使用過功率計，就會了解檢波器測量信號的特點。首先檢波器是寬帶功率測試，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)存在的所有信號功率和，而沒有選頻測試功能。由于這個原因，使用檢波器的標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀會對被測件輸出端的失真及雜波信號沒有區(qū)分能力，而會造成錯誤測試結(jié)果。

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

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

    調(diào)諧接收機(jī)由于中頻信號要通過帶通濾波處理，由于檢波器帶寬測試模式，這種無選頻測試會造成大測試噪聲帶寬(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)有很好的測試靈敏度，而且對被測件輸出信號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，但輸出信號響應(yīng)時間會變長，網(wǎng)絡(luò)分析儀測試速度會下降。

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

圖9 調(diào)諧接收機(jī)及其特點

    這是同一個被測件分別利用檢波器和調(diào)諧接收機(jī)測試結(jié)果的對比。

例子中，被測件為一濾波器， 當(dāng)對濾波器帶外抑制性能進(jìn)行測試時， 此時，網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出的激勵信號受到濾波器的抑制作用變?yōu)樾⌒盘枺?/p>

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

    如果檢波器靈敏度為-60dBm，  不能檢測到-100dBm實際信號，測試結(jié)果不能真實反映測件指標(biāo)。

    與檢波器相比，調(diào)諧接收機(jī)有很小檢測帶寬，從而檢測靈敏度高，可真實得到被測試件指標(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)展測量動態(tài)范圍。

圖10 網(wǎng)絡(luò)分析表動態(tài)范圍對測試結(jié)果的影響

    安捷倫PNA系列網(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。其接收機(jī)測試靈敏度度較高，可滿足各種被測件測試動態(tài)范圍要求。

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

    采樣器(Sampler)是利用二級管對輸入射頻信號按脈沖進(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)，輸入射頻信號與梳狀譜線之一信號進(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只需覆蓋較窄的頻率范圍，其缺點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變換到中頻信號中，靈敏度要差一些。

    網(wǎng)絡(luò)分析儀是綜合激勵和接收的閉環(huán)測試系統(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，信號源產(chǎn)生激勵信號，接收機(jī)應(yīng)在相同頻率對被測件響應(yīng)信號進(jìn)行處理，激勵源和接收機(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)中頻信號會與固定參考信號進(jìn)行鑒相，鑒相誤差輸出用于壓控改變激勵源輸出頻率，這樣當(dāng)接收機(jī)本振頻率掃描變化時，鎖相環(huán)會控制激勵源保持頻率同步變化。當(dāng)R通道接收機(jī)工作不正常時，網(wǎng)絡(luò)分析儀會出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象。