网络分析仪的原理

时间：2021-01-13

一个任意多端口网络的各端口终端均匹配时，由第n个端口输入的入射行波 an将散射到其余一切端口并出去。若第m个端口的出射行波为bm，则n口与m口之间的散射参数Smn=bm/an。一个双口网络共有四个散射参数 S11、S21、S12和S22。当两个终端均匹配时，S11和S22就分别是端口1和2的反射系数，S21是由1口至2口的传输系数，S12则是反方向的传输系数。当某一端口m终端失配时，由终端反射回来的行波又重新进入m口。这可以等效地看成是m口仍是匹配的，但有一个行波am入射到m口。这样，在任意情况下都可以列出各口等效入射、出射行波与散射参数之间关系的联立方程组。据此可以解出网络的一切特性参数，如终端失配时的输入端反射系数、电压驻波比、输入阻抗以及各种正向反向传输系数等。这就是网络分析仪的最基本的工作原理。单端口网络可视为双口网络的特例，在其中除S11之外，恒有S21=S12=S22。对于多端口网络，除了一个输入和一个输出端口之外，可在其余一切端口都接上匹配负载，从而等效为一个双端口网络。轮流选择各对端口作为等效双口网络的输入、输出端，进行一系列测量并列出相应的方程，即可解得n端口网络的全部n2个散射参数，从而求出n端口网络的一切特性参数。　图左为四端口网络分析仪测量S11时测试单元的原理示意，箭头表示各行波的路径。信号源 u输出信号经开关S1和定向耦合器D2输入到被测网络的端口1，这就是入射波a1。端口1的反射波（即1口的出射波b1）经定向耦合器 D2和开关传到接收机的测量通道。信号源u的输出同时经定向耦合器D1传到接收机的参考通道，这个信号是正比于a1的。于是双通道幅度-相位接收机就测出b1/a1，即测出S11，包括其幅值和相位（或实部和虚部）。测量时，网络的端口2接上匹配负载R1，以满足散射参数所规定的条件。系统中的另一个定向耦合器D3也终接匹配负载R2，以免产生不良影响。其余三个S 参数的测量原理与此类同。图右为测量不同Smn参数时各开关应放置的位置。

在实际测量之前，先用三个阻抗已知的标准器（例如一个短路、一个开路和一个匹配负载）供仪器进行一系列测量，称为校准测量。由实测结果与理想（无仪器误差时）应有的结果比对，可通过计算求出误差模型中的各误差因子并存入计算机中，以便对被测件的测量结果进行误差修正。在每一频率点上都按此进行校准和修正。测量步骤和计算都十分复杂，非人工所能胜任。

上述网络分析仪称为四端口网络分析仪，因为仪器有四个端口，分别接到信号源、被测件、测量通道和测量的参考通道。它的缺点是接收机的结构复杂，误差模型中并未包括接收机所产生的误差。