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在無線世界中，射頻組件測試的需求是將產(chǎn)品推向市場的關(guān)鍵因素之一。設(shè)備越來越小，包含的組件越來越復(fù)雜。運用阻抗(或導(dǎo)納)和反射/傳輸參數(shù)的理論知識，可以使射頻設(shè)備的性能達到最佳。濾波器、諧振器等射頻元件所用到的電容和電感值可以通過理論計算來獲得，借助仿真軟件微調(diào)元件的屬性值來優(yōu)化整體設(shè)計，但是最終射頻元件的性能還需要通過實際測量來評估。
相比于標量網(wǎng)絡(luò)分析儀來說，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）不僅可以測量幅度和頻率等標量信息，還可以測試相位等更加全面的系統(tǒng)特征值。
矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）是用來評估及測試射頻元件性能的重要設(shè)備，其測試結(jié)果以矢量（復(fù)數(shù)）形式表征。矢量網(wǎng)絡(luò)分析以反射[S11]和傳輸[S21]因子組成散射矩陣，并可以通過相位信息對線纜故障位置進行精確計算。
RIGOL的RSA5000N和RSA3000N（以下稱RSAxN）系列VNA解決方案可以執(zhí)行三種不同的測量：反射[S11]、傳輸[S21]和故障點距離[DTF]測量。通過切換測試模式，工程師可以輕松地獲取被測物（DUT）的頻率響應(yīng)、相位、SWR（駐波比）等信息，并且可以得到依據(jù)DUT特性繪制的Smith圓圖和極坐標圓圖。
一、S11測量
反射測量是確定復(fù)雜系統(tǒng)(如無線通信系統(tǒng))性能的關(guān)鍵，反射系數(shù)指反射波電壓與入射波電壓的比值。進行反射測量最優(yōu)的方式之一是Smith圓圖，因為它所含信息最多，比如:
• 復(fù)阻抗信息、電感/容抗匹配情況以及補償方式
• 復(fù)反射系數(shù)
• 電容或電感的實際影響
• 頻率范圍的影響及頻率響應(yīng)
• 射頻組件的Q因子
在RSAxN中，史密斯圓圖可以顯示阻抗或?qū)Ъ{圓圖。圖1是一個通用的Smith圓圖。“通用”是指它可以用于每個系統(tǒng)阻抗。但最終實際復(fù)阻抗的計算須在測量完成后進行。在RSAxN中，可以通過標記和測量阻抗值來表征轉(zhuǎn)換后的值。
Smith圓圖和極坐標圖是分析特定頻段上復(fù)阻抗和反射系數(shù)的有效工具，其主要目的是做高頻電路的阻抗匹配。阻抗表示電路對電信號的阻礙能力，由矢量（復(fù)數(shù)）表征：實部表示電阻值，虛部表示電抗值（包括容抗和感抗）。在Smith圓圖中，上半部分表示電路偏感性，即虛部是正值；下半部分表示電路偏容性，即虛部是負值；中間的水平分界線表示電路為純阻性，即阻抗的虛部為0，最左側(cè)為短路點（阻抗為0），最右側(cè)為開路點（阻抗為無窮大），正中心是阻抗匹配點，此時電路處于最佳狀態(tài)。
圖1: 阻抗區(qū)域的Smith圓圖概述，以50 Ω為例
如下，以對50歐網(wǎng)絡(luò)的輸入端口測試為例，Smith圓圖可以顯示復(fù)數(shù)網(wǎng)絡(luò)中不同的可能性。
圖2：DUT中心頻率測量及阻抗匹配
如圖2，我們的實測結(jié)果對應(yīng)Smith圓圖的A點（First measurement）。對該端口先串聯(lián)30歐的電阻我們可以讓測試結(jié)果到達B點然后再串聯(lián)27歐的感抗，即可實現(xiàn)在指定頻點的50歐匹配C點。但現(xiàn)實問題是，27歐感抗對應(yīng)的67pH電感值非常小，很難實現(xiàn)，且獨立的電感元件適應(yīng)頻率范圍也不夠高，所以對于更高的頻率，需要使用其他方法，如微帶傳輸線，用短截線來補償-j27歐（短路短截線的長度: I = 0.078λ，開路短截線的長度: I = 0.328 λ）。對于短截線，需要介電常數(shù)來評估正確的波長。
除了通過Smith圓圖來直觀進行阻抗匹配計算，VNA還可以在頻率范圍內(nèi)換算成回波損耗和電壓駐波比VSWR
圖3：S11參數(shù)測量的四種顯示方式：Smith圓圖、極坐標圖、對數(shù)幅度-頻率、SWR
信號通過濾波器、放大器等組件傳輸時，都會有延時現(xiàn)象。如果寬帶信號經(jīng)過組件，不同頻率信號的群時延不同，會引起信號的非線性變化，即導(dǎo)致信號失真，這不是我們所希望的結(jié)果。如果群時延在頻率范圍內(nèi)是恒定的，那么所有頻率分量將有相同的相位偏差，在這種情況下，理想系統(tǒng)將沒有失真，群時延將是一個恒定值。
群時延計算如下：
圖4：對數(shù)幅度-頻率、SWR、相位-頻率、群時延
二、S21參數(shù)測量
S21參數(shù)可以表征在指定頻率范圍內(nèi)的插入損耗，在經(jīng)過一個完整的校準后可以進行高精度的測量。頻率響應(yīng)的測量功能可以用于測量濾波器（見圖5）或放大器的帶寬。
圖5：S11 SWR測量（左）、S21插入損耗（對數(shù)刻度）測量（右）
類似于S11測量，也可以用RSAxN測量S21的相位、插入損耗和群延遲（見圖6）。
圖6：插入損耗(綠色)、相位(藍色)和群延遲 (粉色)的S21測量
三、故障點距離測量DTF
DTF是S11測量的擴展應(yīng)用，是為了定位線纜故障的距離，在頻域中測量被測電纜的反射。DTF首先通過比較反射信號和跟蹤源創(chuàng)建的參考信號來確定頻段范圍內(nèi)的反射向量，然后執(zhí)行快速傅里葉逆變換（IFFT）。結(jié)合線纜模型的特征，就能夠快速確定反射傳播的距離，準確定位線纜中的故障點。為了進一步提高準確性，DTF的算法中還考慮補償了傳輸過程中發(fā)生的衰減損耗。
圖7顯示了DUT的頻率范圍(S11)和DTF測量結(jié)果(兩根線纜之間有連接器，末端匹配50 Ω)。在S11的一定頻率范圍內(nèi)測量顯示時，故障點只能被粗略地捕捉。但在DTF中，很容易得到故障點的精確距離。
圖7：S11對數(shù)數(shù)量級（左）、相同組件的DTF時間視圖（右）
四、校準
精確測量的前提是校準。校準可以將系統(tǒng)誤差最小化，從而得到更準確的測量結(jié)果。
S11/DTF校準
D =方向性誤差：來自定向耦合器的非理性特性Ms=源匹配誤差:來自VNA信號源的阻抗失配TR= 跟蹤誤差:來自于用于信號分離器件(如定向耦合器)、混頻器和內(nèi)部檢測器的元器件的頻率響應(yīng)。以下是一個單端口測量的誤差模型極其公式:
圖8：單端口測量的誤差模型
負載校準：使用50Ω阻抗[負載]時，S11A為0，S11M = D（測量定向耦合器的方向性誤差）。VNA可將校準后的頻率范圍內(nèi)的方向性誤差[D]降至最低。校準后，RSA5000N的方向性誤差約為-40dB。
短路/開路校準：從DUT的角度看，源[Ms]不匹配，這會在DUT與系統(tǒng)之間形成反射環(huán)路。當DUT顯示不匹配時，可以看到此誤差。此外，連接器、電纜、內(nèi)部耦合器、檢測器導(dǎo)致頻率響應(yīng)誤差[TR]。在開路（ S11A= 1）和短路（ S11A= 1）校準下，將產(chǎn)生兩個含有因子 Ms和 TR的方程式。
開路/負載/短路和直通校準件應(yīng)該是理想的，例如短路反射系數(shù) = 1，但實際不是。例如，開路包含雜散電容，短路則包含電感。RIGOL的校準套件CK106A（DC – 6.5 GHz）和CK106E（DC – 1.5 GHz）補償參數(shù)已經(jīng)集成到RSAxN版本中，可以進行精確的校準。如果使用其它校準套件，則需要根據(jù)所使用的校準套件參數(shù)自定義。
圖9：帶通濾波器的測量：端口末校準測量（細線）和直通校準后測量（粗線）
對于DTF測量，需要綜合電纜的速度因數(shù)（例如70％→0.7）和電纜損耗，以提高測量的準確性。
S21校準
對于S21(傳輸系數(shù))測量，需要進行直通校準以獲得平坦的幅頻響應(yīng)曲線。圖10顯示了校準前后的曲線。
圖10：帶通濾波器的S21測量：未直通準測量（細線）和直通校準后測量（粗線）
五、總結(jié)
常規(guī)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀價格非常昂貴，而且體積一般較大，不便于系統(tǒng)搭建和操作。由RIGOL研發(fā)的RSA5000N/3000N系列頻譜分析儀，搭配VNA功能模式，可以提供給您最具性價比的矢量網(wǎng)絡(luò)分析解決方案。我們根據(jù)您的需要，配備了高性能和經(jīng)濟性兩款設(shè)備，為您最大可能的優(yōu)化成本配置，供您在技術(shù)研究、生產(chǎn)制造、教育教學(xué)等多種途徑中靈活選擇。
RSA5032N頻譜分析儀
普源精電科技股份有限公司（RIGOL TECHNOLOGIES CO., LTD.）自1998年成立，致力于成為測試測量行業(yè)卓越的國際品牌。RIGOL是業(yè)界領(lǐng)先的從事測量儀器研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高新技術(shù)企業(yè)，所設(shè)計研發(fā)的產(chǎn)品深受客戶支持與喜愛，目前已是測試測量行業(yè)擁有自主芯片研發(fā)創(chuàng)新能力的品牌。隨著RIGOL國際化步伐的深入，目前已成為全球測試測量行業(yè)的市場創(chuàng)新者。
