浅析向量网路分析仪工作原理.doc

淺析向量網路分析儀工作原理（上）
向量網路分析儀（VNA）可量測微波元件（網路）的大小與相位的特性，常見的微波被動（passives）元件包含訊號傳輸線、濾波器、天線、超聲波傳導濾波器（SAW）、分配器、及一些平衡與非平衡（Balanced and Unbalanced）被動元件; 主動元件包括積體電路放大器、低雜訊放大器（LNA）、ICs、混頻器（Mixer）、功率放大器、塔頂放大器（Tower mounted amplifier）等等，可說包羅萬象。
向量網路分析儀工作原理
向量網路分析儀主要工作原理是，利用其發射至待測物的入射訊號與待測物反射回分析儀的反射訊號，或是穿透至待測物另一端的穿透訊號，進行比較得到的相對值。
圖一與圖二說明向量網路分析儀可做的兩件事情

圖一：穿透量測
增益Gain （dB）
插入損失Insertion Loss （dB）
相位差Insertion Phase （degrees）
穿透係數Transmission Coefficients （S12, S21）
電子長度Electrical Length （m）
延遲時間Electrical Delay （s）
線性相位變化量Deviation from Linear Phase （degrees）
群延遲Group Delay （s）

圖二：反射量測
返回損失Return Loss （dB）
反射係數Reflection Coefficients （S11, S22）
反射係數vs.距離/時間Reflection Coefficients vs. Distance Fourier Transform）
阻抗Impedance （R+jX）
駐波比SWR

向量網路分析儀量測系統基本觀念

向量網路分析儀量測系統使用一可調整頻段的接收機如圖三所示，此微波訊號是經由降頻器將其頻率降至中頻通帶處理。

較不易收干擾訊號或雜訊干擾
圖三：向量網路分析儀可調整頻段接收機方塊圖
使用分歧器將微波訊號在量測前分開可以得到一個相位的參考量如圖四所示。微波訊號的相位在穿過待測物之後，然後將其比較原先的訊號得ㄧ參考相位量，向量網路分析儀自動取樣參考訊號不需額外的硬體。

圖四：分離微波訊號求得相位參考量
讓我們考慮一個例子，假設我們先將待測物移去使用一長度的傳輸線代替如圖五所示，附註說明此傳輸線路徑長度比參考訊號的長度來的長，線在我們看看在這種情形之下對我們的量測有什麼影響。

圖五：分離微波訊號待測物用傳輸線取代

假設我們將測試訊號設在1GHz的位置且此兩不同路徑長度分別出來的兩訊號是精確的差一個波長，這個意思就是測試訊號與參考訊號差360度相位角如圖六所示，我們無法說出一個正弦波最大值至下ㄧ個最大值的實際差距，所以網路分析儀將量到的相位差是0度。

圖六：分離兩微波訊號相差
現在考慮設定頻率在1.1GHz進行相同的測試，頻率比原先的高出十個百分比，因此相對應的波長會比值前短十個百分比，測試訊號路徑長現比參考訊號路徑多0.1波長（見圖七），此測試訊號是：x 360 = 396度
與之前用1GHz頻率進行項位量測差了36度，所以網路分析儀將顯示的相位差是-36度。此測試訊號設定在1.1GHz時是比設在1GHz時相位延遲了36度。

圖七：分離兩微波訊號相差396度
　如果我們將量測頻率設定在1.2GHz，我們將讀到-72度，若將頻率設定在1.3GHz可讀到-108度，等等如圖八所示，這是一個測試訊號與參考訊號之間的電子性的延遲，對於這些延遲我們將使用工業用的常用術語，就是我們常聽到的相位延遲（phase delay），在早期的網路分析儀中，在測試時有用參考測試臂（reference arm）將長度正規化，使測試臂對於（相位對頻率）參數做適當的量測。

圖八：電子相位延遲
去量測待測物的相位角，我們先移去電子長度的相位改變是由於頻率改變的關係不看，直接看實際相位特性，這個特性將會很小於相位改變是由於電子長度不同所造成的影響。
可用兩種方式來完成這件事情，第一種大家比較常用的方式是插入一適當長度的傳輸線，置於參考訊號路徑上，使得兩路徑成為等長的效果如圖九所示。使用理想的傳輸線與理想的分配器，然後我們將量測相位常數當成是在改變頻率的因素，這種近似法的使用有一個問題必須考慮，就是每ㄧ次進行量測設定時必須改變傳輸線的寬度。

圖九：兩路徑電子長度相等
另一種近似法是利用軟體的方式來控制路徑長度差，圖十說明顯示一個元件相位對頻率關係的座標，這個元件有著不同的效應，即是在不同頻率時輸出相位會出現非線性效果，因為如此的結果，我們知道該元件有著非線性相位的響應，就可以利用線性相位的值進行相位偏差量的補償，所以最後此元件隨著頻率產生的非線性相位偏差我們可以依據上述的方式修改消除延遲的特性。

圖十：頻率增加改變相位非線性
　現下市面上的網路分析儀幾乎都有提供自動參考延遲線的補償功能，使用時只要按下一按鈕即可，可說是非常簡單。圖十一說明當我們進行相位補償後看到的量測結果，在一系統應用上通常是修正長度的差異，無論如何這些多餘的相位特性在測試上都是需要考慮的，不可任意忽略。

圖十一：相位補償後之結果
淺析向量網路分析儀工作原理（下）
前一回我們簡單介紹了向量網路分析儀的工作原理與量測系統的基本觀念，緊接著這一次我們將帶入實際的量測方法，以及在量測時的誤差該如何修正。
向量網路分析儀量測法
現在讓我們考慮測試一個待測物，它是一個兩埠元件，元件兩邊各有一個連接器，關於這樣的量測我們對什麼有興趣呢?以下是我們的說明。
第一，我們將量測每一個埠的反射特性，另一端沒有用到的埠一定要用終端電阻50歐姆接起來，如果我們指定一個端面為標準平面一定要將其參考平面定清楚，然後我們就定義反射特性從參考平面而來的稱之為順向反射量（Forward reflection）。從另一端面來的反射特性就稱之為逆向反射量（Reverse reflection）如圖十二所示。

圖十二：順向與逆向反射
第二，我們來量測順向穿透（Forward Transmission）與反向穿透（Reverse Transmission）特性，在一般場合中我們都使用速記法，都稱要測的項目為S參數，S是英文單字scattering的簡稱，S後面尾隨的第二個數字是訊號從網路分析儀哪個埠灌入，S後面尾隨的第一個數字是訊號從網路分析儀哪個埠離開，所以舉例來說，S11是訊號從網路分析儀埠一離開的訊號灌入網路分析儀埠一訊號的比值。四個S參數的定義可見圖十三。

圖十三：四個S參數
◎ S11 （順向反射）Forward Reflection
◎ S21 （順向穿透）Forward Transmission
◎ S22 （反向反射）Reverse Reflection
◎ S12 （反向穿透）Reverse Transmission
S參數被使用在非常多的地方，S參數包含了大小（Magnitude）與相位（Phase）兩個物理量，大小的顯示使用分貝dB，與早期的純量網路分析儀一樣，我們通常稱此項為對數大小（Log Magnitude）。在相位顯示方面稱為線性相位（Linear Phase），見圖十四，如同我們之前討論的，我們無法說明此一週期與下一個週期的差異，因此相位跑了360度之後會回到最初的位置也就是0度的地方，在量測所顯示的部份是從-180度到+180度之間，這是最常見的。這種顯示會呈現不連續（跳躍）的情形見圖十四，順向與反向所有的測試都是以0度出發做為參考相位。

圖十四：線性相位與頻率關係曲線圖
這裡有幾種方法可以讓更多的資訊顯示在同一條曲線上，其中之一是極座標顯示如圖十五所示，此放射性的參數（與圓心相距的距離）是大小，旋轉的弧長的角度是相位角，我們有時候會使用極座標顯示一個穿透量的測試，特別是在一些疊加的元件（或串聯電路）中，每一個元件的極座標顯示穿透量測結果除了大小（dB）之外還加了相位的資料在其中，如同我們已經討論的，訊號來自於待測物的反射也有大小與相位，這是因為待測物元件的阻抗有包含實部項與虛部項可描述成r+jx。我們將r稱為實部電阻項，將x稱之為虛部電阻項，而j是虛部的符號有時寫為i。它的平方是等於-1，若x的值是正的，那阻抗呈現電感性，若x的值是負的，那阻抗呈現電容性。

圖十五：極座標顯示圖
對於虛部x項次，其大小和極性對於阻抗匹配是很重要的，對於複數（Complex）即包含實部與虛部的阻抗來說，最佳的匹配是共軛匹配（complex conjugate），所謂共軛匹配的意義其實是很簡單的，兩阻抗的r與x值是相同的，但x極性相反，觀看這種阻抗最好是用史密斯圖（Smith Chart）來分析如圖十六所示，它使用r與x畫出實圓與虛圓組合而成。圖十五是依據我們想要的格式，用一條或兩條曲線顯示所有的資訊在單一個S參數上，另一個大家常用的就是使用史密斯圖來看順向反射（一條曲線），將得到的順向穿透用對數大小與相位的直角座標來看（兩條曲線），讓我們看看如何來完成這件事。

圖十六：史密斯圖
一般的網路分析儀通常都有四個顯示的通道，每一個通道可以顯示用任意內建的格式來秀出一條或兩條曲線，所有的四個S參數可以同時在任一種格式下顯示，所以全部有八條曲線可以同時顯現，當一大堆的資料同時秀出的時候，能不能精確的判讀就要看個人功力而定了，抓住上述文章的技巧相信就能很容易得到個人想要的資訊。
當我們進行相位量測時，另一個重要觀察的參數是群延遲（Grope Delay），在一些線性元件中，訊號穿過待測物相位會隨著頻率線性改變，所以頻率加倍相位也會加倍改變，一個重要的量測法，是去觀察相位對頻率的變化率（群延遲），尤其是針對通訊系統的使用者來說更重要，如果相位對頻率的比率不是常數的話，此待測物的相位對特定的頻率來說就是非線性的，對通訊系統而言非線性就會產生訊號失真。
量測上的誤差修正
在向量網路分析儀中，我們可以量測訊號的大小與相位，但是再測試的同時有一些可能會產生的誤差項（六項）是必須要修正掉的，六項如下：
◎ 訊號端測試埠匹配（Source Test Port Match）
◎ 負載端測試埠匹配（Load Test Port Match）
◎ 方向性（Directivity）
◎ 隔絕度（Isolation）
◎ 穿透頻率響應（Transmission Frequency Response）
◎ 反射頻率響應（Reflection Frequency Response）
當我們在修正六項誤差項時，是在順向與反向兩個方向進行，因此全部是12項誤差修正，在進行順向與反向測試時必須要做這十二項誤差修正才可進行，早期有些測試儀器沒有自動切換開關，只能進行單向六項誤差修正，若是要進行雙向測試必須儀器本身必須提供雙向能力才可以。
去完成這種誤差修正，我們須量測誤差訊號的大小與相位如圖十七所示，大小與相位的資訊變成一個向量，此向量是數學上的應用至訊號上，這種處理修正稱之為誤差向量修正。

圖十七：大小與相位的誤差向量測試
結論
向量網路分析儀量測相位的能力與量測大小的能力一樣好，與相位伴隨而來的S參數是用來定義順向與逆向穿透反射特性的簡易符號，在量測相位方面我們引入兩種新的格式，極座標與史密斯圖，它也能加上相位修正去量測曲線，用相位誤差修正，誤差是因為量測系統引入的，補償之後量測的不確定性會降到最低，另外相位量測也增加了量群延遲的能力，它是一個相位隨著頻率變化的比率，總的來說，網路分析儀對於測試元件提供更完整的分析與量測方法。

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