微波仿真论坛_矢量网络分析仪的原理与使用

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矢量网络分析仪的原理与使用掌蒋晓红(中国雷华电子技术研究所无锡 24 6 ) 10 3[摘要】本文阐述了矢量网络分析仪的测量原理和硬件结构组成探讨了矢量网络分析仪的误差来源,二端口误差模型和误差修正方法,简要介绍了典型元器件并,

(波器,放大器,合器,滤耦电缆,关 )的测试方法.开

~mi反射和传输 S r q,参数校准件 S L O T校准法频率扫描功率扫描

1引言 网络分析仪是微波电路设计和测试工程师必不可少的测量仪器 .矢量网络分析仪在我所科研生产中起着非常重要的作用,我所现有两台微波矢量网络分析仪 H 8 1 B P 50 和 A l n 82 E及一台射频矢量网络分 g e t 72 S i

析仪 H 85 D, P 73广泛使用于天线测试,电路测试,元器件测试和计量检定等领域.进行可靠的网络测量必须深刻理解网络分析仪

和要测量的器件或电路 .本文将探讨矢量网络分析仪的基本原理,结构组成,误差修正和典型元器件的特性测量 .

被测器件 ( u ) DT

入射波R

传输波B

反射波A

反射

传输———— -一—————·:

垦入射一R

传输 B

入射 R

\ \酸 1,

回矗

增

,阻抗{

员|\耗 /|.

s参数

,r

插入橱

图 1网络分析包括提供入射能量, 测量反射能量和传输能量

2矢量网络分析仪的测量原理 众所周知,网络分析仪有标量网络分析

仪和矢量网络分析仪之分 .标量网络分析仪只能测量网络的幅频特性,而矢量网络分析

%本文于 2 0 0 2年 7月 4日收到 .

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空载雷达

2 0年第 4期 02

仪可以同时测量被测网络的幅度信息和相位信息 .矢量网络分析即是通过测量被测网 络对频率扫描和功率扫描测试信号的幅度与相位的影响,来精确表征被测网络的一种方法 . 2 1反射和传输 .

In=器件的反射电沉 t e

我们可以从这些值中导出一些有用的参数 . 阻抗:

Z .=传输介质特性阻抗(复数 )Z=器件或负载阻抗 (复数 ) 反射: 复反射系数 r= 反射系数的幅度 p=I I r ' P=

在网络分析的基本形式中,包含测量沿传输线行进的人射波,反射波和传输波,如图 1:

在网络分析仪的名词术语中,一般用 R 或参考通道表示测量人射波;反射波用 A通道测量,而传输波则用 B通道测量.利用这些波中的幅度和相位信息,便能定量描述被测器件 ( U )的反射特性和传输特性 . DT

电压驻波比( s )= V wR回波损耗=一2 L g p 0 o( )传输: 传输系数 T=

=『 l+o=

下面

一些术语用于对反射和传输进行定义和说明.V =输人或人射电压眦 _

=T P '

I=输人或人射电流 V~=通过器件传输的电压.

插损(=.l l人耗B一 o d 2g ) L=一2 L g 0 o~

I .=通过器件传输的电流V=器件的反射电压神

增c l『 g益B g= T d 2 2 S2 .1 Ta s t d u r n mie ^ t 2

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图2 S 参数示出人射和传输信号的关系

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矢量网络分析仪的原理与使用22 S .参数微波领域广泛应用散射参数 ( S参数 ) 来分析微波网络 .复杂的系统可以简单地看

7 1面有所差别,但所有的网络分析仪都包含 4个基本部分,图 3见 .··

成是若干个耦合的二端口网络.与入射波, 传输波和反射波相关的二端口参数称为散射参数或 S参数,图 2见 . S参数类似于反射和传输特性 .当输出端处于匹配状态时,输入端的反射系数即为 S参数; . .当输入端处于匹配状态时,输出端的反射系数即为 s丝参数.2参数与正向传 s.输系数等效,.参数与反向传输系数等效. S 在测量,建模和设计多元件的复杂系统中, 器件的 S参数特性起着关键的作用.矢量网络分析仪能方便快捷地测量出被测器件的四个 S参数 . .号

提供入射信号的信号源信号分离器分离入射,反射和传输信接收机把高频信号转换为较低频率

·

(中频 )的信号

处理和显示系统对较低频率的信号进行处理,并显示经检测和导出的信息·

3 1信号源 .

为激励被测器件,信号源必须在整个感兴趣的频率范围内提供入射波.被测器件通过传输和反射对激励波做出响应 .被测器件的频率响应通过信号源扫频确定 .测量结果受到多种信号源参数的影响,包括频率范围, 功率范围,频率稳定度和信号纯度等.在矢量网络分析仪中广泛采用合成扫频信号源. 32信号分离 .网络分析仪的下一项任务是分离入射,

3矢量网络分析仪的结构组成 矢量网络分析仪常指连续波矢量网络

分析仪,被测网络的激励信号为正弦波信号.根据激励信号源和响应接收机是否在一个机箱内而分成分体式和一体化矢量网络分析仪两个基本形式 .我所的 H 8 B是 P 50 1分体式矢量网络分析仪, g e t 7 2 S和 A l n 82 E i

反射和传输信号,从而测量它们各自的幅度和相位 .矢量网络分析仪均采用定向耦合器方法分离信号.用做信号分离功能的硬件通常称为"测试装置"测试装置可能是单独 .的盒子,或者集成在网络分析仪内部 .3 3接收机 .

H 85 D是一体化矢量网络分析仪 . P

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网络分析仪的接收机把 R或微波能量 F转换为较低的 I F信号,而简化了精确的从检测任务 .标量网络分析仪采用宽带的晶体

检波技术,矢量网络分析仪采用窄带的锁相接收机技术 .采用调谐接收机能提供最好的灵敏度和动态范围,还能抑制谐波和寄生信号.窄带中频滤波器产生相当低的本底噪声,结果显著地改善了灵敏度 .量网络分矢析仪的接收机的最小等效带宽达 1 H . 0 z34处理和显示系统 .旦检测到 R F或微波能量,量网络矢一

图 3网络分析仪的 4个主要部分

分析仪必须处理和显示各种测量 .矢量网络分析仪是一种多通道仪器,至少有一个通道

虽然不同的网络分析仪在设计细节方

作为基准通道,一个通道作为测试通道 .矢

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7 2量网络分析仪的显示功能强大灵活,如多种标记功能,极限线功能,为测试带来很大便利.

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20 0 2年第 4期

稳定环境温度的测试环境,往往能将漂移误差减至最小 .

由于微波,毫米波部件的不完善性所引起的误差称为系统误差.系统误差是最大的误差源.幸而绝大部分系统误差可以通过校准技术予以消除.系统误差的理解和建模对是关键的一步——这是矢量误差校正 (也就是校准 )的基础 .经过对短路,开路,负载

4矢量网络分析仪的误差修正 众所周知,矢量网络分析仪的附件包括各种校准件,日常测试时必须先进行校在

准.校准的目的即是修正矢量网络分析仪的系统误差 .掌握矢量网络分析仪的误差修正原理和操作方法,有助于操作者更好地使用矢量网络分析仪,得真实可靠的测试结取果.

这些已知物理标准进行测量,就有可能通过数学运算消除实际测量中的系统误差 . 网络测量中所涉及的系统误差与信号泄漏,信号反射和频率响应有关 .如图 4有,以下六种类型的系统误差: 与信号泄漏有关的方向误差···

4 1误差修正的基本原理 .

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