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網絡分析儀原理詳解

日期:2022-05-21 20:38
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摘要: 網絡分析儀組成框圖 圖1所示為網絡分析儀內部組成框圖。 為完成被測件傳輸/反射特性測試,網絡分析儀包含: 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;對被測件的反射,傳輸,輸入信號進行測試。 4.處理顯示單元;對測試結果進行處理和顯示。 圖1 網絡分析儀組成框圖 傳輸特性是被測件輸出與輸入激勵的相對比值, 網絡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...

網絡分析儀組成框圖

圖1所示為網絡分析儀內部組成框圖。 為完成被測件傳輸/反射特性測試,網絡分析儀包含:

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;對被測件的反射,傳輸,輸入信號進行測試。

4.處理顯示單元;對測試結果進行處理和顯示。

圖1  網絡分析儀組成框圖

傳輸特性是被測件輸出與輸入激勵的相對比值, 網絡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。

網絡分析儀內部信號源負責產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,一路直接進入R接收機,另一路通過開關輸入到被測件相應測試口,所以,R 接收機測試得到被測輸入信號信息。

被測件輸出信號進入網絡分析儀B接收機,所以,B接收機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。當完成反向測試測試時,需要網絡分析儀內部開關控制信號流程。

圖2  網絡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, 網絡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。

網絡分析儀內部信號源負責產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,一路直接進入R接收機,另一路通過開關輸入到被測件相應測試口,所以,R 接收機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,定向耦合器負責把同個物理路徑上相反方向傳播的信號進行分離,提取反射信號信息,進入A接收機。

A/R 為被測試件端口反射特性。當需要測試另外端口反射特性時,需網絡分析儀內部開關將激勵信號轉換到相應測試端口。

圖3  網絡分析儀反射測試信號流程

1、信號源

信號源提供被測件激勵信號,由于網絡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系。所以,網絡分析儀內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,現在網絡分析儀內信號源采用頻率合成方法實現。當掃寬設置為零時,輸出信號為點頻CW信號。

網絡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節。

圖4  網絡分析儀中的信號源

2、信號分離裝置

網絡分析儀內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)可不使用網絡分析儀表一體化的內置測試座,而使用外置測試座設備。

圖5  網絡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。結果導致輸入到被測件的功率損失。

定向耦合器負責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部的負載和主臂終端外接負載所吸收,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。當定向耦合器內部負載損耗功率相當小時,該方法得到的結果與真實值相近。

首先,在主臂輸出端接一個短路負載,由于全反射,耦合端輸出反映耦合度,對該值進行規一化處理后端接匹配負載。此時耦合端只是有限隔離度引起的泄露信號。因為已經進行了規一化處理,*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。

網絡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行矢量疊加,造成反射指標測試誤差。

被測件匹配性能越好,定向耦合器方向性對測試影響越大。

3、網絡分析儀中的接收機

由功分器,定向耦合器及輸出端得到的信號輸入到相應接收機進行處理,為對這些信號進行分析,網絡分析儀內置多臺接收機。

網絡分析儀是一個包含激勵源和接收設備的閉環測試系統。

圖8  網絡分析儀接收機

網絡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電平,輸出電壓反映輸入信號功率。如果輸入信號為連續CW信號,為DC檢波,如果輸入為幅度調制信號,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:調諧接收機。調諧接收機將輸入信號進行下變頻后通過ADC變為數字量后處理。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,其功率顯示結果應為該頻率范圍內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,使用檢波器的標量網絡分析儀會對被測件輸出端的失真及雜波信號沒有區分能力,而會造成錯誤測試結果。

但標量網絡分析儀對變頻和非變頻的被測件使用相同的方法進行測試。

檢波器能檢測的功率范圍是有限的,例如為;-50dBm~10dBm, 這會限制標量網絡分析儀測試的動態范圍。

調諧接收機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),而調諧接收機的中頻帶寬可小至1KHz,這樣可保證接收機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。

調諧接收機靈敏度度與其設置中頻濾波器帶寬有直接關系,中頻帶寬越窄,進入接收機噪聲能量越少,靈敏度相應提高,但輸出信號響應時間會變長,網絡分析儀測試速度會下降。

窄帶接收機網絡分析儀中頻濾波器帶寬為測試基本設置參數之一,其設值是在測試精度和速度間折衷。

圖9 調諧接收機及其特點

這是同一個被測件分別利用檢波器和調諧接收機測試結果的對比。

例子中,被測件為一濾波器, 當對濾波器帶外抑制性能進行測試時, 此時,網絡分析儀輸出的激勵信號受到濾波器的抑制作用變為小信號,

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,測試結果不能真實反映測件指標。

與檢波器相比,調諧接收機有很小檢測帶寬,從而檢測靈敏度高,可真實得到被測試件指標。

采用調諧接機的矢量網絡分析儀,可通過增加輸出功率,減小中頻帶寬或利用平均功能(Avg) 來擴展測量動態范圍。

圖10 網絡分析表動態范圍對測試結果的影響

大部分優異網絡分析儀都是采用調諧接收機的高性能矢量網絡分析儀。

調諧接收機可使用混頻器和采樣器兩種方式實現器前端變頻功能。

采樣器(Sampler)是利用二級管對輸入射頻信號按脈沖進行抽取處理,采樣器可以認為是內部有脈沖發生器的混頻器,脈沖發生器產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行混頻產生中頻輸出。

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行復雜的鎖相處理,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。

網絡分析儀是綜合激勵和接收的閉環測試系統,采用窄帶調諧接收機的矢量網絡分析儀工作時,信號源產生激勵信號,接收機應在相同頻率對被測件響應信號進行處理,激勵源和接收機工作頻率的變化應該是同步變化的。網絡分析儀是依靠鎖相方法來完成該功能。

R通道接收機中頻信號會與固定參考信號進行鑒相,鑒相誤差輸出用于壓控改變激勵源輸出頻率,這樣當接收機本振頻率掃描變化時,鎖相環會控制激勵源保持頻率同步變化。當R通道接收機工作不正常時,網絡分析儀會出現失鎖現象。

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