[科普中國]-微波網(wǎng)絡(luò)分析儀

網(wǎng)絡(luò)分析儀是測量微波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的一種儀器，可直接測量有源或無源、可逆或不可逆的雙口和單口微波網(wǎng)絡(luò)的復(fù)數(shù)散射參數(shù)，并以掃頻方式給出各散射參數(shù)的幅度、相位頻率特性。

概述網(wǎng)絡(luò)分析儀是測量微波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的一種儀器，可直接測量有源或無源、可逆或不可逆的雙口和單口微波網(wǎng)絡(luò)的復(fù)數(shù)散射參數(shù)，并以掃頻方式給出各散射參數(shù)的幅度、相位頻率特性。自動網(wǎng)絡(luò)分析儀能對測量結(jié)果逐點(diǎn)進(jìn)行誤差修正，并換算出其他幾十種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，如輸入反射系數(shù)、輸出反射系數(shù)、電壓駐波比、阻抗（或?qū)Ъ{）、衰減（或增益）、相移和群延時(shí)等傳輸參數(shù)以及隔離度和定向度等。

傳統(tǒng)不足一些早期產(chǎn)品雖然測量精度仍然較高，但其功能與現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)分析儀相比已明顯落后，典型的有如下幾點(diǎn)：

(1)測量通道少，有的只有2個(gè)通道；

(2)本機(jī)數(shù)據(jù)存儲方式落后，有的無法直接與外界交換數(shù)據(jù)，有的只能用軟盤；

(3)屏幕跡線顏色顯示單一，通常只有綠色；

(4)不易實(shí)現(xiàn)自動測量。但由于其價(jià)格較為昂貴，完全淘汰這些仍然具有很高測量精度的儀器無疑非?？上?。1

誤差網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量誤差基本來自3個(gè)方面：系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和漂移誤差。其中，系統(tǒng)誤差是由于儀器 設(shè)計(jì)本身的不理想性引起的，這種誤差在測量過程中，可以通過校正方法予以消除，隨機(jī)誤差主要來自儀器 內(nèi)部器件的噪聲，如信號源的相位噪聲等，它隨著時(shí)間在不斷變化，是不可預(yù)知的，因而不能通過校正方法 來消除，漂移誤差主要指由頻率和溫度變化而引起的誤差，它可以通過對儀器重新校正消除。

其中，由于定向耦合器阻隔特性不理想，信號源輸出的一部分信號直接由定向耦合器的阻隔端進(jìn)入反射通道所引起的誤差稱為方向性誤差。信號源的信號未經(jīng)過測試設(shè)備直接進(jìn)入接收機(jī)所引起的誤差稱為泄漏誤差，從測試設(shè)備的2個(gè)測試端口分別向系統(tǒng)的信號源和接收機(jī)方向看去的等效反射系數(shù)不為零，即阻抗不匹配引起的誤差稱為源失配誤差和負(fù)載失配誤差。反射通道和傳輸通道的耦合度頻率響應(yīng)和變頻器幅相頻率響應(yīng)不同而引起的誤差稱為頻率響應(yīng)誤差，其中包括反射頻率響應(yīng)誤差和傳輸頻率響應(yīng)誤差。上面列舉了系統(tǒng)測量的6種正向誤差，而對于二端口網(wǎng)絡(luò)特性的所有系統(tǒng)測量誤差還應(yīng)包括與正向誤差相對應(yīng)的反向誤差，即總共12種誤差。2

校準(zhǔn)完整的二端口誤差模型包括正方向上的所有上述6項(xiàng)誤差以及反方向上的同樣6項(xiàng)誤差(數(shù)據(jù)不同)，總共12項(xiàng)誤差。這就是二端口校準(zhǔn)常常稱之為12項(xiàng)誤差修正的原因。網(wǎng)絡(luò)分析儀有幾種不同的校準(zhǔn)方法，能有效地消除測量數(shù)據(jù)中誤差項(xiàng)的影響。

1、頻率響應(yīng)校準(zhǔn)

頻率響應(yīng)校準(zhǔn)為反射或傳輸測量提供了歸一化的測試裝置，如果最終測量精度不作要求時(shí)，它是最簡單的誤差修正方法，適用于測量匹配好、低損耗的部件。

2、頻率響應(yīng)和隔離度校準(zhǔn)

為傳輸測量中的響應(yīng)、串?dāng)_或反射測量中頻率響應(yīng)、方向性誤差的修正提供了歸一化的響應(yīng)，應(yīng)用于匹配好、高損耗部件的測量。

3、單端口校準(zhǔn)

單端口校準(zhǔn)為反射測量提供了方向性、源匹配和反射跟蹤的矢量誤差修正，消除了反射測量中的三項(xiàng)系統(tǒng)誤差。當(dāng)然，校準(zhǔn)時(shí)所使用的校準(zhǔn)件(開路器、短路器和匹配負(fù)載)必須是有溯源數(shù)據(jù)的。這樣才能保證校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的精確可靠。這些過程實(shí)現(xiàn)了單端口和兩端口部件具有適當(dāng)端接條件下的高精度的測量。

4、兩端口全校準(zhǔn)

兩端口全校準(zhǔn)，為兩端口部件的傳輸和反射測量提供了正、反向信道中，方向性、源匹配、負(fù)載匹配、隔離度和頻率響應(yīng)的矢量誤差修正。該校準(zhǔn)方法配以s參數(shù)測試裝置，為兩端口部件的傳輸和反射測量提供了最佳的幅度、相位測量精度。

虛擬微波網(wǎng)絡(luò)分析儀通道擴(kuò)展技術(shù)當(dāng)需要虛擬程序中某個(gè)邏輯通道工作時(shí)，首先將該邏輯通道的特征參數(shù)，如與原儀器對應(yīng)的通道、待測S參數(shù)、測量參數(shù)(如衰減值，駐波值)、顯示參數(shù)(參考值，每格值等)所對應(yīng)的指令通過GPIB電纜依次寫入原儀器指定的通道。這里約定，反射參數(shù)的測量映射到原儀器的1通道上，傳輸參數(shù)的測量映射到原儀器的2通道上。原儀器執(zhí)行完所接收的指令后，再將測量數(shù)據(jù)傳回PC機(jī)上虛擬儀器對應(yīng)的邏輯通道，經(jīng)虛擬程序相應(yīng)模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，將結(jié)果按要求顯示在PC機(jī)屏幕上。

數(shù)據(jù)交換技術(shù)當(dāng)調(diào)試增益均衡器或?yàn)V波器等器件時(shí)經(jīng)常需要在屏幕上顯示參考曲線，以方便調(diào)試。由于VISA協(xié)議不僅可以正向傳輸數(shù)據(jù)，借助原儀器的指令，也可方便地從PC將參考數(shù)據(jù)反向?qū)懭朐瓋x器的通道存儲器，這樣就可真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸功能。該子程序既可以從屏幕實(shí)時(shí)輸入數(shù)據(jù)，也可打開預(yù)先存儲好的excel數(shù)據(jù)文件輸入數(shù)據(jù)。另外還可將已有的目標(biāo)曲線數(shù)據(jù)保存為文件，留備后用。

自動測量技術(shù)當(dāng)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)采集或反復(fù)進(jìn)行程式化的測量時(shí)，如果能實(shí)現(xiàn)一鍵式自動測量，無疑會極大提高工作效率，同時(shí)也會減少人為因素引入的錯(cuò)誤測量過程和結(jié)果。一些新式網(wǎng)絡(luò)分析儀雖然隨機(jī)附有與PC的通信程序，但由于考慮通用性每次只能執(zhí)行一條指令，所以還無法真正實(shí)現(xiàn)自動測量。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所