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透徹了解到標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析的基礎(chǔ)理論

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放大字體  縮小字體    發(fā)布日期:2021-04-30  來(lái)源:儀器網(wǎng)  作者:Mr liao  瀏覽次數(shù):53
核心提示:網(wǎng)絡(luò)分析是指設(shè)計(jì)制造人員和制造廠家對(duì)較復(fù)雜系統(tǒng)中所有元件和和電路的電氣性能進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程。當(dāng)這些系統(tǒng)傳送具有信息內(nèi)容的信號(hào)時(shí),我們最關(guān)系的是如何以高效率和最小失真使信號(hào)從一處傳遞到另一處。矢量網(wǎng)絡(luò)分析是通過(guò)測(cè)量元件對(duì)頻率掃描和功率掃描測(cè)試信

網(wǎng)絡(luò)分析是指設(shè)計(jì)制造人員和制造廠家對(duì)較復(fù)雜系統(tǒng)中所有元件和和電路的電氣性能進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程。當(dāng)這些系統(tǒng)傳送具有信息內(nèi)容的信號(hào)時(shí),我們最關(guān)系的是如何以高效率和最小失真使信號(hào)從一處傳遞到另一處。矢量網(wǎng)絡(luò)分析是通過(guò)測(cè)量元件對(duì)頻率掃描和功率掃描測(cè)試信號(hào)的幅度與相位的影響,來(lái)表征元件特性的一種方法。

這里我們將介紹矢量網(wǎng)絡(luò)分析的基本原理。討論的內(nèi)容包括可測(cè)量的通用參數(shù),其中涉及散射參數(shù)(S參數(shù))的概念。還對(duì)一些射頻基本知識(shí),如傳輸線和史密斯原圖進(jìn)行回顧。

是德科技公司能夠提供各種各樣用于在DC-110 GHz 范圍內(nèi)表征元件特性的標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。還可以為這些儀器提供各種選件,以簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)環(huán)境中的測(cè)試。通信系統(tǒng)中的測(cè)試要求

在任何通信系統(tǒng)中,都必須考慮信號(hào)失真的影響。盡管我們一般只考慮非線性效應(yīng)引起的失真(例如,當(dāng)所應(yīng)用的載波信號(hào)引起互調(diào)失真時(shí)),但純粹的線性系統(tǒng)也可能引入信號(hào)失真。由于線性系統(tǒng)可能改變信號(hào)各個(gè)頻譜分量的幅度或相位關(guān)系,所以有可能改變所通過(guò)信號(hào)的時(shí)間波形。

現(xiàn)在,我們來(lái)仔細(xì)的研究線性特性和非線性特性直間的差別。

線性器件使輸入信號(hào)產(chǎn)生幅度和相位變化(圖1)。在輸入端出現(xiàn)的任何正弦曲線也將以相同頻率出現(xiàn)在輸出端,而不會(huì)形成新信號(hào)。無(wú)論是有源或是無(wú)源非線性器件,都可能使輸入信號(hào)的頻率偏離原來(lái)的位置, 或增加其它頻率分量,如諧波信號(hào)或寄生信號(hào)。過(guò)大的輸入信號(hào)通常會(huì)迫使線性器件進(jìn)入壓縮或飽和狀態(tài),從而引起非線性工作。

線性特征和非線性特征的比較

為了進(jìn)行線性無(wú)失真的傳輸,被測(cè)器件(DUT)在所要求的整個(gè)帶寬內(nèi),其幅度響應(yīng)必須平坦,而相位響應(yīng)必須呈線性。作為例子,我們來(lái)研究在經(jīng)過(guò)帶通濾波器時(shí)含有豐富高頻分量的方波信號(hào),該帶通濾波器以很小的衰減讓選定的頻率通過(guò),而通帶之外的頻率則有不同程度的衰減作用。

即使濾波器具有線性相位性能,方波的帶外分量也將受到衰減。這使本例中的輸出信號(hào)在本質(zhì) 上更具正弦屬性(見(jiàn)圖2)。

圖2. 幅度隨頻率的變化

如果在某一濾波器中通過(guò)相同的方波輸入信號(hào)僅造成第3次諧波的相位倒置,而維持諧波幅度不變,則輸出波形將更呈現(xiàn)出脈沖特征(圖3)。一般來(lái)說(shuō),這種情況僅適用于本例中的濾波器,輸出波形將依據(jù)幅度和相位的非線性情況呈現(xiàn)出任意形式的失真。

圖3. 相位隨頻率的變化

圖4. 非線性感生失真

非線性器件也會(huì)引入失真(圖4)。例如,當(dāng)放大器被過(guò)激勵(lì)時(shí),由于放大器飽和而使輸出信號(hào)限幅。輸出信號(hào)不再是一個(gè)純正的正弦信號(hào), 再輸入頻率的各個(gè)倍頻程位置處存在諧波。無(wú)源器件在高功率電平上可能呈現(xiàn)非線性特征。有關(guān)這方面的一個(gè)佳例子是利用具有磁芯電感器的LC濾波器。磁性材料常常呈現(xiàn)出高度非線性的滯磁效應(yīng)。

高效率傳送功率是通信系統(tǒng)的另一個(gè)基本問(wèn)題。為了高效率地傳送,發(fā)射或接收射頻功率,諸如傳輸線,天線和放大器這樣一些器件都須對(duì)信號(hào)源呈現(xiàn)出良好的阻抗匹配。當(dāng)兩個(gè)連接器件之間的輸入與輸出阻抗的實(shí)部和虛部都達(dá)不到理想狀態(tài)時(shí),便出現(xiàn)阻抗失配。矢量測(cè)量的重要性

對(duì)各個(gè)分量的幅度和相位進(jìn)行測(cè)量的重要性源于以下幾個(gè)因素。首先,為了全面表征線性網(wǎng)絡(luò),確保無(wú)失真?zhèn)鬏?,的確需要進(jìn)行這兩種測(cè)量。其次,為了設(shè)計(jì)高效率匹配網(wǎng)絡(luò),必須測(cè)量復(fù)阻抗。最后,開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)電路仿真程序模型的工程師需要幅度和相位數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行模擬。

為了執(zhí)行傅氏逆變換,時(shí)域表征亦需要幅度和相位信息。通過(guò)消除固有測(cè)量系統(tǒng)誤差的影響來(lái)提高測(cè)量精度的矢量誤差修正,也需要幅度和相位數(shù)據(jù)來(lái)建立有效誤差模型。即使對(duì)一些標(biāo)量測(cè)量(如回波損耗),為了獲得高精度,相位測(cè)量能力也十分重要。

入射功率和反射功率的基本概念

在網(wǎng)絡(luò)分析的基本形式中,包含測(cè)量沿傳輸線行進(jìn)的入射波,反射波和傳輸波。利用光波長(zhǎng)作為類比,當(dāng)光投射到一個(gè)透明的透鏡上時(shí)(入射能量),一部分光從透鏡表面反射,但大部分光繼續(xù)通過(guò)透鏡(傳輸能量) (圖5)。若透鏡具有鏡面,則大部分光將被反射,少量或沒(méi)有通過(guò)透鏡。

雖然射頻信號(hào)和微波信號(hào)的波長(zhǎng)不相同,但原理是一樣的。網(wǎng)絡(luò)分析儀能測(cè)量入射能量,反射能量和傳輸能量。例如,在傳輸線上發(fā)送的能量,沿傳輸線反射回發(fā)射源的能量(由于阻抗失配)以及順利地傳送至終端裝置(如天線)的能量。

圖5. 光波與高頻器件特征的類比

史密斯圓圖

對(duì)一個(gè)器件進(jìn)行表征時(shí)所發(fā)生的反射大小取決于入射信號(hào) 看到的 阻抗。由于任何阻抗都能用實(shí)部和虛部(R+jX 或 G+jB )表示,故可以將他們繪制在所謂復(fù)阻抗平面的直線網(wǎng)絡(luò)上,遺憾的是,開(kāi)路(一種常見(jiàn)的射頻阻抗)在實(shí)軸上表現(xiàn)為無(wú)限大,因而無(wú)法表示出來(lái)。

極坐標(biāo)圖由于包括了整個(gè)阻抗平面因而具有重要使用價(jià)值,然而,它并不直接繪出阻抗曲線,而是以矢量形式顯示出復(fù)反射系數(shù),矢量的大小對(duì)應(yīng)于距顯示器中心的距離,而相位則顯示為矢量相對(duì)于從中心到右邊沿水平直線的角度。極坐標(biāo)圖的缺點(diǎn)是不能直接從顯示讀取阻抗值。

圖6. 史密斯圓圖

由于復(fù)阻抗于反射系數(shù)兩者直間有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,故復(fù)阻抗平面的正實(shí)半部分可以映射到極坐標(biāo)顯示上。結(jié)果便形成了史密斯圓圖。所以電抗值和從0到無(wú)限大的所有正電阻值均落在史密斯圓圖內(nèi)(圖6)。

在史密斯圓圖上,恒定電阻的軌跡表現(xiàn)為圓,而恒定電抗的軌跡表現(xiàn)為圓弧。史密斯圓圖上的阻抗總是指對(duì)所考察的元件或系統(tǒng)的特性阻抗進(jìn)行歸一化后的阻抗,通常對(duì)射頻和微波系統(tǒng)來(lái)說(shuō)特性阻抗是50 ,而對(duì)廣播和有線電視系統(tǒng)特性阻抗則為75 。理想的終端位于史密斯圓圖的中心。功率傳送條件

給定源電阻為Rs 及負(fù)載電阻為RL 時(shí), 為了將最大功率傳送到負(fù)載,在兩個(gè)器件的連接處必須滿足理想的匹配條件。RL = Rs 時(shí),無(wú)論激勵(lì)是直流電源還是射頻正弦波源,均能實(shí)現(xiàn)這一條件(圖7)。

如果源阻抗不是純電阻,那么,只有當(dāng)負(fù)載阻抗于源阻抗呈現(xiàn)復(fù)數(shù)共軛時(shí),才能產(chǎn)生最大功率傳送。這個(gè)條件由對(duì)阻抗虛部取相反符號(hào)來(lái)滿足。例如,若Rs=0.6+j 0.3, 則復(fù)數(shù)共軛為 Rs=0.6-j 0.3。

需要高效率的功率傳送是在較高頻率上使用傳輸線的主要原因之一。在很低的頻率(波長(zhǎng)非常長(zhǎng))處,簡(jiǎn)單的導(dǎo)線便適于傳導(dǎo)功率。導(dǎo)線的電阻相當(dāng)小,對(duì)低頻信號(hào)的影響也很小。電壓和電流均相同,在導(dǎo)線上何處進(jìn)行測(cè)量則無(wú)關(guān)緊要。

在較高頻率上,波長(zhǎng)與高頻電路中導(dǎo)體的長(zhǎng)度相當(dāng)或者更小,而功率傳輸可以認(rèn)為是以波形方式實(shí)施。當(dāng)傳輸線的終端負(fù)載等于其特性阻抗時(shí),便有最大功率傳送至負(fù)載。當(dāng)終端負(fù)載與特性阻抗不相等時(shí),則未被負(fù)載吸收的那部分信號(hào)將被反射會(huì)信號(hào)源。

若傳輸線的終端負(fù)載等于其特性阻抗時(shí),便沒(méi)有反射信號(hào),因?yàn)樗鶄鬏數(shù)墓β示回?fù)載吸收(圖8)。觀察射頻信號(hào)包絡(luò)隨傳輸線距離的變化并未發(fā)現(xiàn)駐波,這是因?yàn)闆](méi)有反射,能量只在一個(gè)方向上流動(dòng)。

圖7. 功率傳送

圖 8. 用Zo端的傳輸線

當(dāng)傳輸線終端短路時(shí)(短路不能維持電壓,因而耗散功率為零),反射波沿傳輸線返回到信號(hào)源(圖9)。反射電壓波的大小必然等于入射電壓波;而相位在負(fù)載平面處則與入射波相差108 。反射波與入射波的大小相等,但按相反方向進(jìn)行。

若傳輸線的終端開(kāi)路(開(kāi)路不能維持電流),反射電流波的相位將與入射電流波相差180 ,而反射電壓波則在負(fù)載平面上與入射電壓波同相。這便保證在開(kāi)路處的電流為0。反射電流波和入射電流波的大小相等,但按相反方向進(jìn)行。對(duì)于短路和開(kāi)路兩種情況,在傳輸線上都會(huì)建立駐波。電壓谷值將為0,而電壓峰值將為入射電壓電平的2倍。

若傳輸終端接入譬如一個(gè)25 的電阻器,導(dǎo)致介于全吸收和全反射之間的狀態(tài),則部分入射功率被吸收,部分入射功率被反射。反射電壓波的幅度將是入射波幅度的1/3,且兩種波在負(fù)載平面處的相位相差180 。駐波的谷值不再為0,而峰值則小于短路和開(kāi)路情況的峰值。峰值和谷值之比將是2:1。

確定射頻阻抗的傳統(tǒng)方法是利用射頻探針/檢波器,一段開(kāi)槽傳輸和一個(gè)VSWR(電壓駐波比)測(cè)試儀來(lái)測(cè)量VSWR。當(dāng)探針沿傳輸線移動(dòng)時(shí),測(cè)試儀便記下峰值和谷值的相對(duì)位置和數(shù)值。根據(jù)這些測(cè)量,便可導(dǎo)出阻抗。在不同的頻率上,可以重復(fù)此測(cè)量步驟?,F(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)分析儀能在頻率掃描期間直接測(cè)量入射波和反射波,阻抗結(jié)果可以用多種格式(包括VSWR)顯示出來(lái)。


 
關(guān)鍵詞: 信號(hào) 阻抗 傳輸 反射 線性
 
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