矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀原理和傳輸線理論

設(shè)計(jì)師和制造商通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析過(guò)程，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部的元器件和電路進(jìn)行電氣性能測(cè)量。當(dāng)這些系統(tǒng)傳送含有信息內(nèi)容的信號(hào)時(shí)，我們最關(guān)心的是如何最高效地將信號(hào)從一個(gè)點(diǎn)傳送到另一個(gè)點(diǎn)， 并且確保失真最小？矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通過(guò)測(cè)量元器件對(duì)掃頻和掃功率測(cè)試信號(hào)的幅度和相位的影響，精確表征這些元器件的特性。在本應(yīng)用指南中，我們將回顧矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理和傳輸線理論。討論的內(nèi)容包括可以測(cè)量的常用參數(shù)， 例如散射參數(shù)（S參數(shù)）的概念。另外還回顧了傳輸線和史密斯圓圖等射頻基礎(chǔ)知識(shí)。

通信系統(tǒng)中的測(cè)量

任何通信系統(tǒng)都必須考慮到信號(hào)失真的影響。雖然我們通常認(rèn)為失真是由非線性效應(yīng) 引起的（例如從有用的載波信號(hào)產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物），不過(guò)純線性系統(tǒng)也會(huì)引入信號(hào)失真。信號(hào)在經(jīng)過(guò)線性系統(tǒng)時(shí)，線性系統(tǒng)可能會(huì)改變信號(hào)頻譜分量的幅度或相位關(guān)系，從而改變信號(hào)的時(shí)間波形。

線性和非線性的區(qū)別

1.線性linear，指量與量之間按比例、 成直線的關(guān)系，在數(shù)學(xué)上可以理解為一階導(dǎo)數(shù)為常數(shù)的函數(shù)；非線性non-linear則指不按比例、 不成直線的關(guān)系，一階導(dǎo)數(shù)不為常數(shù)。
2.線性的可以認(rèn)為是1次曲線，比如y=ax+b，即成一條直線。非線性的可以認(rèn)為是2次以上的曲線，比如y=ax^2+bx+C，（X^2是x的2次方)，即不為直線的即可。
3. 兩個(gè)變量之間的關(guān)系是一次函數(shù)關(guān)系的 ---圖象是直線，這樣的兩個(gè)變量之間的關(guān)系就是“線性關(guān)系”；如果不是一次函數(shù)關(guān)系的--圖象不是直線，就是非線性關(guān)系。
4.“線性”與“非線性”，常用于區(qū)別函數(shù)y=f(x)對(duì)自變量x的依賴關(guān)系。線性函數(shù)即一次函數(shù)，其圖像為一條直線。其它函數(shù)則為非線性函數(shù)，其圖像不是直線。
線性，指量與量之間按比例、成直線的關(guān)系，在空間和時(shí)間上代表規(guī)則和光滑的運(yùn)動(dòng)；而非線性則指不按比例、不成直線的關(guān)系，代表不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)和突變。

線性器件會(huì)改變輸入信號(hào)的幅度和相位

圖 1. 線性和非線性的區(qū)別和對(duì)比

進(jìn)入輸入端的正弦波會(huì)再次出現(xiàn)在輸出端， 頻率保持不變。在這個(gè)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生新的信號(hào)。有源和無(wú)源非線性器件都可能使輸入信號(hào)發(fā)生頻移，或增添其他頻率分量，例如諧波和雜散信號(hào)。大輸入信號(hào)會(huì)驅(qū)動(dòng)正常情況下呈線性工作的器件進(jìn)入壓縮或飽和區(qū)域，表現(xiàn)出非線性特性。

為了實(shí)現(xiàn)無(wú)失真的線性傳輸，被測(cè)器件 (DUT) 的幅度響應(yīng)必須平坦，而相位響應(yīng)在所需帶寬上必須呈線性。例如，假設(shè)一個(gè)包含很大高頻分量的方波信號(hào)通過(guò)一個(gè)帶通濾波器， 該濾波器會(huì)讓選定頻率通過(guò)且衰減極小，而對(duì)通帶之外的頻率施加不同程度的衰減。即使濾波器擁有線性相位性能，但方波的帶外分量還是會(huì)發(fā)生衰減，從而使本例中的輸出信號(hào)在本質(zhì)上更接近正弦曲線（圖 2）。

如果同一個(gè)方波輸入信號(hào)通過(guò)另一個(gè)濾波器，且該濾波器僅反轉(zhuǎn)三次諧波的相位，而不改變諧波幅度，那么輸出信號(hào)在本質(zhì)上將更像是脈沖波形（圖 3）。盡管本例中的濾波器就是這種情況，不過(guò)取決于幅度和相位的非線性特性，輸出波形通常總會(huì)出現(xiàn)一定的失真。

不同頻率下的幅度變化 vs 不同頻率下的相位變化

圖 2. 不同頻率下的幅度變化

圖 3. 不同頻率下的相位變化

非線性網(wǎng)絡(luò)

飽和、交叉、互調(diào)和其他非線性效應(yīng)可能會(huì)造成信號(hào)失真。

圖 4. 非線性引起的失真

非線性引起的失真

非線性器件也會(huì)帶來(lái)失真（圖 4）。例如，如果對(duì)放大器施加的激勵(lì)過(guò)大，那么放大器會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)，使輸出信號(hào)發(fā)生削波。輸出信號(hào)不再是單純的正弦波，在輸入頻率的倍頻處會(huì)出現(xiàn)諧波。無(wú)源器件也可能在大功率電平下表現(xiàn)出非線性特性，使用磁芯電感器的 L-C 濾波器就是一個(gè)典型的例子。磁性材料通常呈現(xiàn)高度非線性的滯后效應(yīng)。
功率的有效傳輸是通信系統(tǒng)中的另一個(gè)基本問(wèn)題。為了有效地傳輸、發(fā)射或接收射頻功率， 傳輸線、天線和放大器等器件的阻抗必須與信號(hào)源匹配。當(dāng)兩個(gè)相連器件之間的輸入和輸出阻抗的實(shí)部和虛部不理想時(shí)，就會(huì)發(fā)生阻抗失配。

為什么要矢量測(cè)量？矢量測(cè)量的重要性

測(cè)量信號(hào)分量的幅度和相位非常重要，原因有幾個(gè)。

首先，要想全面表征線性網(wǎng)絡(luò)并確保無(wú)失真的傳輸，必須要進(jìn)行這兩項(xiàng)測(cè)量。為了設(shè)計(jì)有效的匹配網(wǎng)絡(luò)，必須測(cè)量復(fù)阻抗。工程師在為計(jì)算機(jī)輔助工程 (CAE) 電路仿真程序開發(fā)模型時(shí)，需要幅度和相位數(shù)據(jù)才能 建立精確的模型。

此外，時(shí)域表征需要幅度和相位信息，以便執(zhí)行傅立葉逆變換。矢量誤差校正通過(guò)消除測(cè)量 系統(tǒng)固有誤差的影響，可以提高測(cè)量精度，但它也需要幅度和相位數(shù)據(jù)來(lái)建立有效的誤差 模型。為了達(dá)到高精度，甚至是在標(biāo)量測(cè)量（例如回波損耗）中，相位測(cè)量功能也非常重要。