武汉凌特电子技术有限公司 LTE-WB-02D微波通信系统实验指导书
实验五 网络分析仪的构成及S参数测量机理
一、 实验目的
1． 网络分析仪的构成及原理； 2． S参数测量方法；
3． 简易标量网络分析仪的组建及测试。
二、 实验原理
我们都知道，微波测试仪器有两个特点：价格昂贵、种类多。对于微波测试仪器来说，经常是动辄几十万甚至上百万元。因此，在操作的过程中，一方面必须要注意电网的安全性并保证设备接地良好，另一方面应绝对禁止仪器的带电连接操作和调试时的带电焊接。
网络分析仪可以分成标量网络分析仪和矢量网络分析仪。矢量网络分析仪主要用来测试如频响、增益、插损、带外抑制、VSWR、S参数（包括幅值和相位）、阻抗、插入相移、群延时等指标；而标量网络分析仪则只能测试上述指标中与相位无关的参数。
（一） 网络分析仪的构成及原理
入射DUT反射源传输信号分离装置周荣入射（R）反射（A）传输（B）接收机/检波器处理器/显示器 图5-1 普通网络分析仪方框图
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如图5-1所示是普通网络分析仪方框图，表示信号处理的主要部分。为了测量入射、反射和传输信号，需要四部分：激励源、信号分离装置、提供信号检测的接收机、用于计算和观察结果的处理器或显示器。我们将详细地分析每一部分。
信号源提供激励用于激励—响应测试系统中，它或是频率扫描源或是功率扫描源。传统上，网络分析仪使用独立源。今天，大量的网络分析仪都是集成化综合频率源。
接下来是信号分离单元，用作该功能的硬件通常称为“测试装置”。测试装置可能是单独的盒子，或者集成在网络分析仪内部。信号分离硬件必须有两种功能。第一是测量入射信号的一部分作为求比值的参考。这可由功分器或定向耦合器完成。第二个功能是在被测件的输入端分离入射和反射行波。定向耦合器在定向性、低损耗、和高反向隔离方面是理想的，但是由于很难制造出真正的带宽定向耦合器，因而常使用电桥。
网络分析仪中检测信号有两种基本方法。一种是二极管检波器，它把射频信号电平按比例变换为直流电平。如果是幅度调制信号，二极管从调制信号中去除载波。另一种是利用调谐接收机，往往是用混频器或采样器实现其前端。用采样器代替混频器做宽带前端往往更容易实现。二极管检波器的主要优点是覆盖宽带频率，并且比调谐接收机便宜。而调谐接收机能提供最好的灵敏度和动态范围，还能抑制谐波和寄生信号。
网络分析仪最后的硬件部分是显示器/处理器部分。在这里反射和传输数据用格式化的方式显示，使其易于说明测量结果。大部分的网络分析仪有相似的特性，如线性和对数扫描，线性和对数格式，极坐标图，史密斯圆图等等。
（二） S参数的测量方法
简单的说，S参量表达的是功率波，它使我们可以用入射功率波和反射功率波的方式定义网络的输入、输出关系。
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图5-2 两端口网络S参量的规定
根据图5-2中关于电压波方向的规定，可以定义S参量：
S11?b1a1a2?0?1端口反射波1端口入射波
S22?b2a2b1a2b2a1a2?0a1?0a1?0?2端口反射波2端口入射波
S12??1端口传输波2端口入射波
S21??2端口传输波1端口入射波
我们注意到a2?0和a1?0的条件意味着2端口和1端口都没有功率波返回网络。然而这个条件只能在两端传输线都匹配时才成立。那么如何用网络分析仪测量S参量呢？
图5-3 高频器件反射、传输特性
如图5-3所示为高频器件的反射与传输特性。网络分析仪上通常有1个输出端口，该端口可以通过内部信号源或外接信号源输出射频信号，另外还有3个分别标为R,A和B的测量通道（见图5-4）。
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图5-4 利用网络分析仪测试S11和S21的实验系统
射频源通常是覆盖特定频段的扫频源。测量通道R用于测量入射波，同时也作为参考端口。通道A和B通常用于测量反射波和传输波。测量通道A和B可以同时测量任意两个S参量元素。图5-4是测量S11和S21的实验系统。
此时，S11和S21的数值可以分别通过计算A/R和B/R的比值得到。若要测量S12和S22，的则必须将待测元件反过来连接。图5-4中的双定向耦合器可以在待测元件的输入端口将入射波与反射波分开。偏置T形接头（Bias Tee）可为待测元件提供必要的偏置条件，比如静态工作点。因为网络分析仪的主要用途是测量两端口器件，所以新型网络分析仪的内部已经包含了偏置T型接头，定向耦合器，电子开关以及扫频信号源。
（三） 简易标量网络分析仪的组建及测试
频谱分析仪与网络分析仪之间的主要区别是源。那么给频谱分析仪加上一个跟踪发生器是否可以使之成为标量网络分析仪呢？答案是肯定的。加上跟踪源及反射电桥就可以在常规频谱测量的基础上又将频谱分析仪模拟成为一台标量网络分析仪。如图5-5所示，微波跟踪源射频输出至反射电桥输入端，反射输出至频谱分析仪射频输入，电桥输出端接至测器件，这样就可以根据输入、传输、反射波的功率求出各S参数了。
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DUT待测器件频谱分析仪反射电桥
图5-5 由频谱分析仪构成的标量网络分析仪
目前市面上也有很多频谱分析仪自带跟踪源，这样配合反射电桥，可以轻松组建出一个标量网络分析仪。
三、 实验思考题
1． 试简单叙述网络分析仪的构成及原理。
2． 结合网络分析仪的构成原理，简单叙述如何利用频谱分析仪构成标量网分析仪。
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