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(多图) 网络分析的基本原理

: NI?? 2010年12月23日 ?? 收藏0

  一种独特的仪器

  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。

  网络分析仪的发展

  你可以使用图1所示的NI PXIe-5630矢量网络分析仪测量设备的幅度,相位和阻抗。由于网络分析仪是一种封闭的激励-响应系统,你可以在测量RF特性时实现绝佳的精度。当然,充分理解网络分析仪的基本原理,对于你最大限度的受益于网络分析仪非常重要。

  

网络分析的基本原理-1

  1. NI PXle-5630 矢量网络分析仪

  

  在过去的十年中,矢量网络分析仪由于其较低的成本和高效的制造技术,流行度超过了标量网络分析仪。虽然网络分析理论已经存在了数十年,但是直到20世纪80年代早期第一台现代独立台式分析仪才诞生。在此之前,网络分析仪身

形庞大复杂,由众多仪器和外部器件组合而成,且功能受限。NI PXIe-5630的推出标志着网络分析仪发展的又一个里程碑,它将矢量网络分析功能成功地赋予了灵活,软件定义的PXI模块化仪器平台。

  通常我们需要大量的测量实践,才能实现精确的幅值和相位参数测量,避免重大错误。由于射频仪器测量的不确定性,小的错误很可能会被忽略不计。而网络分析仪作为一种精密的仪器能够测量出极小的错误。

  网络分析理论

  网络是一个被高频率使用的术语,有很多种现代的定义。就网络分析而言,网络指一组内部相互关联的电子元器件。网络分析仪的功能之一就是量化两个射频元件间的阻抗不匹配,最大限度地提高功率效率和信号的完整性。每当射频信号由一个元件进入另一个时,总会有一部分信号被反射,而另一部分被传输,类似于图2所示。

  这就好比光源发出的光射向某种光学器件,例如透镜。其中,透镜就类似于一个电子网络。根据透镜的属性,一部分光将反射回光源,而另一部分光被传输过去。根据能量守恒定律,被反射的信号和传输信号的能量总和等于原信号或入射信号的能量。在这个例子中,由于热量产生的损耗通常是微不足道的,所以忽略不计。

  网络分析的基本原理-2

  2. 利用光来类比网络分析的一个基本原理

  

  我们可以定义参数反射系数(G),它是一个包含幅值和相位的矢量,代表被反射的光占总(入射)光的比例。同样,定义传输系数(T)代表传输的光占入射光的矢量比。图3示意了这两个参数。

  网络分析的基本原理-3

  3. 传输系数(T)和反射系数(G

  

  通过反射系数和传输系数,你可以更深入地了解被测器件(DUT)的性能。回顾光的类比,如果DUT是一面镜子,你会希望得到高反射系数。如果DUT是一个镜头,你会希望得到高传输系数。而太阳镜可能同时具有反射和透射特性。

  电子网络的测量方式与测量光器件的方式类似。网络分析仪产生一个正弦信号,通常是一个扫频信号。DUT响应时,会传输并且反射入射信号。传输和反射信号的强度通常随着入射信号的频率发生变化。

  DUT对于入射信号的响应是DUT性能以及系统特性阻抗不连续性的表征。例如,带通滤波器的带外具有很高的反射系数,带内则具有较高的传输系数。如果DUT 略微偏离特性阻抗则会造成阻抗失配,产生额外的非期望响应信号。我们的目标是建立一个精确的测量方法,测量DUT响应,同时最大限度的减少或消除不确定性。

  网络分析仪测量方法

  反射系数(G)和传输系数(T)分别对应入射信号中反射信号和传输信号所占的比例。图3示意了这两个向量。现代网络分析基于散射参数或S-参数扩充了这种思想。

  S-参数是一种复杂的向量,它们代表了两个射频信号的比值。S-参数包含幅值和相位,在笛卡尔形式下表现为实和虚。S-参数用S坐标系表示,X代表DUT被测量的输出端,Y代表入射RF信号激励的DUT输入端。图4示意了一个简单的双端口器件,它可以表征为射频滤波器,衰减器或放大器。

  网络分析的基本原理-4

  4. 简单的双端口设备的 S-参数表示

  

  S11定义为端口1反射的能量占端口1入射信号的比例,S21定义为传输到DUT端口2 的能量占端口1入射信号的比例。参数S11和S21为前向S-参数,这是因为入射信号来自端口1的射频源。对于从端口2入射信号,S22为端口2反射的能量占端口2入射信号的比例,S12为传输到DUT端口1的能量占端口2入射信号的比例。它们都是反向S-参数。

  你可以基于多端口或者N端口S-参数扩展这个概念。例如,射频环形器,功率分配器,耦合器都是三端口器件。你可以采用类似于双


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