若干電氣元件相互連接形成的系統(tǒng)叫做網(wǎng)絡(luò)?！熬W(wǎng)絡(luò)”可以作為電路的代名詞，“網(wǎng)絡(luò)分析”就是電路分析，只是平常很少這樣說，由此增添了幾分神秘色彩。到了射頻通信領(lǐng)域，可以把任何具有一個以上端口的電路單元稱為網(wǎng)絡(luò)，并且常常把這種網(wǎng)絡(luò)視為“黑箱”，并不去關(guān)心電路單元內(nèi)部是怎么回事，而是給端口加上適當(dāng)?shù)募钚盘枺瑴y試電路的反應(yīng)，從而表征這個網(wǎng)絡(luò)的特點。射頻通信領(lǐng)域常說的“網(wǎng)絡(luò)分析”，就是這種以端口為界，描繪射頻電路性能的工作。

散射參數(shù)

為了進一步了解網(wǎng)絡(luò)分析給我們帶來的便利，有必要先了解網(wǎng)絡(luò)分析的語言——散射參數(shù)。圖（1）是一個Π型衰減器，圖（2）是它的電路圖，如何最簡單明確的描述它的性能呢？熟悉傳統(tǒng)電路分析的人不難想到，可以先把右邊的端口開路，然后用萬用表測試左邊的電阻；再把左邊開路，測試右邊的電阻。給左邊通上適當(dāng)?shù)碾娏鳎缓笥秒妷罕頊y試右邊的電壓，然后反過來再測試一次。根據(jù)這些數(shù)據(jù)依次得到四個參數(shù)：開路輸入電阻、開路輸出電阻，開路正向傳輸電阻、開路反向傳輸電阻。當(dāng)看到這一堆似曾相識參數(shù)之后，您一定會問：這東西與衰減器有啥關(guān)系，大家喜聞樂見的衰減量是多少？

這個例子說明，在低頻電路上常用的Z參數(shù)（開路阻抗參數(shù)），用在射頻通信領(lǐng)域既不符合習(xí)慣，也難以測量。歸納起來，有三個重要原因促使我們選擇一種新的參數(shù)來描述電路：（1）大多數(shù)射頻電路不允許端口開路或短路，因為這樣做會讓電路偏離預(yù)定的工作狀態(tài)；（2）波長很短的時候，即使信號只傳播很短距離，也會發(fā)生不可忽視的相位移動，使測試計算變得非常困難；（3）需要有一整套方法，能夠根據(jù)所得到的參數(shù)迅速簡便的設(shè)計電路?；谏鲜鲈颍⑸鋮?shù)應(yīng)運而生。

散射參數(shù)（Scattering Parameters）常被簡稱為S參數(shù)。和阻抗參數(shù)類似，對于有兩個端口的網(wǎng)絡(luò)（例如衰減器）而言，它也包括四個部分，用Sij表示，其中，i表示待檢測端口，j表示激勵信號的入射端口：

S11：被測器件（device under testing，簡稱DUT）的一個端口對信號的反射量，又稱回波損耗；

S21：信號通過被測器件時產(chǎn)生的變化（幅度和相位變化，又稱插損或增益）；

S12：信號以相反方向通過被測器件時產(chǎn)生的變化；

S22：被測器件的另一個端口對信號的反射量。

當(dāng)一個端口在測試時沒有被用到時，應(yīng)接上匹配負載，于是電路能夠非常接近正常的工作狀態(tài)。測量散射參數(shù)，只需要了解信號流經(jīng)被測器件時產(chǎn)生的變化，同時又不會對電路的正常工作造成影響，因此更加簡單、直接。后面將要介紹的網(wǎng)絡(luò)分析儀，就是專門測量散射參數(shù)的裝置。

通過數(shù)學(xué)計算，散射參數(shù)能夠被轉(zhuǎn)換為其它類型的參數(shù)。

S參數(shù)是歸一化的相對值

四個S參數(shù)都代表出射信號與入射信號的電壓比（或功率比，在計算時應(yīng)統(tǒng)一）。還是用衰減器來舉例，圖（2）中，入射信號的功率是1W，經(jīng)過待測器件，輸出0.1W，則S21=0.1/1=0.1。換算成分貝值則為-10dB。于是這支衰減器的衰減量是10dB。這一相對值又是頻率的函數(shù)。隨著頻率的變化，衰減器的衰減量可能發(fā)生波動。把頻率作為橫坐標，衰減量作為縱坐標，可以得到幅度——頻率特性圖，簡稱幅頻特性圖。

有的時候還需要關(guān)心信號通過電路以后相位發(fā)生的變化。例如一支天線，給他輸入1W∠0°的信號，在天線的端口上測到反射信號功率為入射信號的0.5倍（稱為反射系數(shù)），但是反射信號與入射信號之間，電壓的相位相差了90度，則天線的S11表示為0.707∠90°，表明有-3dB的回波損耗，且相位滯后90度。

網(wǎng)絡(luò)分析的效益

了解了散射參數(shù)以后再來探討網(wǎng)絡(luò)分析的效益就很容易理解。上面舉例的衰減器，當(dāng)對他進行網(wǎng)絡(luò)分析以后，直接得到了衰減量這個參數(shù)，就能直觀的了解衰減器接入射頻電路以后會產(chǎn)生什么效果。下面天線的例子，進一步說明了這種分析方法的方便之處。

網(wǎng)絡(luò)分析儀

有了上文的基礎(chǔ)，現(xiàn)在我們應(yīng)該關(guān)心一下如何求得S參數(shù)。在很久以前，求S參數(shù)雖然已經(jīng)是網(wǎng)絡(luò)分析中最便捷的手段，但仍是一件非常麻煩的事情。原理上無外乎用信號源給待測器件送入一個穩(wěn)定的信號，然后用電平表測輸出功率，或者用測量線在不同的距離上測試電壓，從而計算得到幅度和相位。問題就在于這種測試每次只能針對一個頻率，如果要了解不同頻率上的變化趨勢，就需要進行多次測量，有的時候一測就是幾天。

隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，計算機控制的網(wǎng)絡(luò)分析儀問世，這種儀器可以連續(xù)不斷的對多個頻率的S參數(shù)進行測量，而且只需要若干秒時間。特別是最近十年，3GHz以下的網(wǎng)絡(luò)分析儀大幅度降價，在國內(nèi)還出現(xiàn)了所謂“公版”儀器，各地廠商風(fēng)起云涌，讓這種以前只有大型科研單位才能安置的昂貴設(shè)備，一下子普及到幾乎所有射頻工程師手中，不久的將來，還會普及到愛好者手中。

最簡單的網(wǎng)絡(luò)分析儀——掃頻儀

掃頻儀是一種S21參數(shù)的測試裝置，它的框圖如圖（7）。它由一個頻率可變的信號源和一個檢波器組成。待測器件接在信號源和檢波器之間。測試時，先把檢波器直接接在信號源上，讓信號源掃過所有需要測試的頻率，并把檢波器檢測到的幅度存儲下來。接上待測器件之后，檢波器檢測到一個新的幅度（功率）值。把新的幅度值與剛才存儲的幅度值進行比較，即可得到S21參數(shù)。用計算機控制信號源連續(xù)的掃描，可以繪制出幅頻特性圖。

為掃頻儀增加反射電橋或定向耦合器，便可用于測量S11參數(shù)。S11參數(shù)和電壓駐波比（VSWR）之間可以直接換算，因此又可以顯示駐波比曲線。

掃頻儀只能得到幅頻特性圖，因此是一種標量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

掃頻儀的檢波器具有寬帶特性。不論是測試信號，還是信號源的諧波以及外部耦合的各種干擾，都同時被檢波。被測器件如果是陷波器，對諧波就不能產(chǎn)生有效的壓縮，于是測到的陷波量不能小于諧波的量。如果被測器件是已經(jīng)安裝好的天線，那么天線接收到的空中信號也會進入檢波器，這會導(dǎo)致測到的駐波值虛大。此外，檢波器的動態(tài)范圍通常最多達到70dB左右，導(dǎo)致儀器的動態(tài)范圍較小。

帶跟蹤源的頻譜儀把掃頻儀的檢波器換成了頻譜儀的接收機。頻譜接收機只響應(yīng)中頻帶寬內(nèi)的信號，跟蹤源的諧波和外部耦合的干擾不對測試結(jié)果產(chǎn)生明顯影響，因此可以測試陷波型器件。頻譜儀具有較低的檢波噪聲和良好的中頻放大器，這種由跟蹤源和頻譜儀組成的網(wǎng)絡(luò)分析儀通常能達到100dB以上的動態(tài)范圍。

如果沒有跟蹤源，可以使用頻譜儀的最大值保持功能，與手動掃描的信號源組成簡易網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)。

一些高檔的標量網(wǎng)絡(luò)分析儀也采用類似方案。由于網(wǎng)絡(luò)分析儀的信號源頻率及其諧波是可以預(yù)知的，因此這種儀器的“頻譜接收機”并不需要太好的帶外抑制指標，可以采用比通常的頻譜儀簡單得多的接收機。

歷史上，相位檢測多是基于觸發(fā)器原理。首先對需要比較相位的兩路中頻信號進行整形，然后送入兩個觸發(fā)器中。當(dāng)一個觸發(fā)器被信號的上升沿過零觸發(fā)的時候，計數(shù)器開始數(shù)時鐘脈沖。當(dāng)另一個觸發(fā)器被觸發(fā)時，停止脈沖計數(shù)。這樣得到的是兩路中頻的上升沿的時間差。由于中頻頻率是已知的，經(jīng)過簡單換算就能得到相位差。假設(shè)中頻頻率是100KHz，為了得到0.1度的相位分辨率，在不采用額外手段的情況下，需要時鐘頻率高于360MHz。

當(dāng)前常用的相位檢測方法基于同步檢波的原理，并且逐漸依靠數(shù)字信號處理技術(shù)來實現(xiàn)。同其他方法一樣，待測件的輸出信號和輸入信號的一部分（稱之為參考輸入，在儀器上用R端口表示）首先被同步下變頻到比較低的中頻頻率。如果不設(shè)參考通道，則信號源需要同變頻本振鎖相。經(jīng)過中頻濾波和幅度調(diào)理以后，用ADC進行同步采樣，得到的數(shù)字信號進入大規(guī)模FPGA，進行數(shù)字變頻產(chǎn)生兩組I/Q信號，經(jīng)數(shù)字濾波后，將其中一組信號取共軛以后與另一組信號相乘，再采用適當(dāng)?shù)氖噶啃D(zhuǎn)算法求取相位差。也可以采用其他數(shù)學(xué)運算求得相位差，這些處理基本上由軟件完成，具有很高的靈活性。對數(shù)字處理過程進行精心設(shè)計，能夠以比較高的效率達到0.1度以內(nèi)的鑒相精度。

僅僅得到相位差和幅度差是不夠的——測到的這些數(shù)值，并不是待測件上的真實情況。不論是混頻、濾波、信號調(diào)理，還是電纜、插座、電橋，都會對幅度和相位造成影響，必須把這些影響從測到的原始數(shù)據(jù)上消去才能得到正確的結(jié)果。對于S11測量誤差的消除，通常采用開路-短路-負載三步法校準。這種校準要求先將儀器端口開路，存儲開路狀態(tài)下的一組數(shù)據(jù)，然后再存儲短路和接匹配負載時的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)作為誤差模型的已知量，用于確定任意其他測試時的誤差并讓結(jié)果返璞歸真。

采用適當(dāng)?shù)男誓Ｐ停坏芟x器內(nèi)外各種連接線的電長度誤差、濾波器和放大器的相移，還能大幅降低對硬件的某些指標的要求，正巧這些指標原本已經(jīng)很難提高了，電橋的定向性就是一例。

這里舉一個理想化的例子，實際情況復(fù)雜得多。已知駐波電橋的定向性為0dB，即沒有定向性，如何測量一個回波損耗小于30dB，即駐波小于1.1的天線？了解天分儀的讀者或許認為有點天方夜譚，但是校準確實能解決這個問題——前提是正向信號的提取點和電橋之間有緩沖。試想如果給儀器接上匹配負載，將此時測到的正向信號和“反向信號”的幅度和相位關(guān)系存儲下來。然后接上天線，讓儀器重新測量，并根據(jù)剛才存儲的相位幅度關(guān)系，推算出本底的“反向信號”，將其從結(jié)果中減去，就得到了實際的反向信號。此時您大概在想，如果S21測試的隔離度不好，能否如法炮制？

剛才我們做了一個減法，讓定向性無中生有，看起來很好玩，但成本卻很高。儀器必須有足夠的相位和幅度分辨率，軟件才能算出并不太多的一點定向性來。兩個正弦信號，如果絲毫不差，它們相減恰好等于零。如果差一點點，相減以后就會留下不少東西。對于矢網(wǎng)而言，0.1dB的幅度分辨率和0.1°的相位分辨率是起碼的指標。在這樣的分辨率上保持穩(wěn)定很難，一旦漂移或改變測試條件，校準模型即刻失效，因此要經(jīng)常校準。

網(wǎng)絡(luò)分析的常見用途

通過上面的敘述，網(wǎng)絡(luò)分析能做什么，讀者可能已經(jīng)比作者還想得遠了。最后再為大家梳理一下，作為文章的結(jié)尾。

最簡單的網(wǎng)絡(luò)分析儀——掃頻儀，利用少量的附件（例如駐波電橋），已經(jīng)可以滿足通信工程中的大部分驗證性用途和少部分調(diào)試用途之需，得到的是S11和S21標量數(shù)據(jù)。例如檢驗天線、電纜、分路器等射頻器件。如果軟件支持，還能當(dāng)信號發(fā)生器和場強表使用，雖然不太準確。同時，掃頻儀可以調(diào)試帶通濾波器，尋找線圈和諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振點，對于帶阻濾波器、陷波器等，如果不要求很大的陷波比，也可以進行初步的調(diào)試。在調(diào)試大陷波比的陷波器（例如雙工器）時，可通過串聯(lián)低通或帶通濾波器來增大觀察范圍。當(dāng)然，掃頻儀是一種簡單的標量儀器，無法直接讀出阻抗，也就不能直觀的找出匹配參數(shù)。基于寬帶檢波的特性，也不主張用它調(diào)試放大器和其它有源電路。

天線分析儀屬于單端口網(wǎng)絡(luò)分析儀。雖然很多東西都叫天線分析儀，但是性質(zhì)卻相差甚遠。如果把電橋內(nèi)置在掃頻儀中，就成為最簡單的天線分析儀，能夠測試天線的駐波曲線。不論是掃頻儀還是這種簡單天分，用于有強烈外部干擾的場合都可能使測試結(jié)果虛大。

介于掃頻儀和矢量天線分析儀之間，還有一種“半矢量天分”，它具有某種形式的測試相位或阻抗的能力，但是并不提供校準功能。用它測一支100Ω純電阻的天線，如果連接了相當(dāng)于八分之一波長的電纜，就會被測成40-j30Ω。做這種測試時必須進行人工修正，否則具有迷惑性。合理利用這種天分，可以對天線、放大器的輸入阻抗進行調(diào)試，可以測得天線、線圈的諧振點。如果軟件支持的話，也能當(dāng)信號源使用。

矢量天分是標準的網(wǎng)絡(luò)分析儀，可以測得復(fù)數(shù)的S11參數(shù)及由它衍生而來的一系列數(shù)據(jù)。由于具備完善的校準功能，所能測試的回波損耗范圍通常優(yōu)于50dB，測得的阻抗也是可信的。對一個頻帶的測試數(shù)據(jù)進行傅里葉逆變換，可以得到若干時域參數(shù)，比如電纜在不同距離上的回損。矢量天分在通信以外的領(lǐng)域也得到了一定程度的應(yīng)用，例如測試農(nóng)作物的含水量。

帶跟蹤源的頻譜儀和帶跟蹤接收機的標量網(wǎng)分具有與掃頻儀類似的用途，但是它們都具備優(yōu)良得多的動態(tài)范圍和較好的選擇性，可以用于強干擾條件下的天線測量和大陷波比的陷波器調(diào)試，例如調(diào)試雙工器。

全功能的雙端口或多端口矢網(wǎng)囊括了上述所有用途，具備強大的分析功能。需要提到的是全功能矢網(wǎng)一般標配群延時顯示和功率掃描功能。后者可以對器件的非線性特性進行分析。

網(wǎng)絡(luò)分析儀的種類五花八門，遠不止上面幾種。它們都具有信號源和若干個幅度或相位幅度檢測通道。結(jié)合必要的信號分配裝置，內(nèi)置或外置的定向電橋、耦合器構(gòu)成完整的儀器。網(wǎng)分的用途也不是固定的，懂得它的測量原理之后，可以引申出許多巧妙的用法，把它比作射頻領(lǐng)域的萬能表毫不為過。網(wǎng)絡(luò)分析和網(wǎng)絡(luò)分析儀是設(shè)計、調(diào)試、改進射頻電路的最基本，同時也應(yīng)該是最常用的手段和工具。掌握網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)之后，射頻通信電路的設(shè)計制作將更加富有趣味。