作者：鼎陽硬件設(shè)計(jì)與測試智庫專家組成員 黃玉良
網(wǎng)絡(luò)分析儀作為一款多功能測試測量儀器，在電子信息化高速發(fā)展的今天，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用在各類領(lǐng)域，包括天線與RCS測試、元器件測試、材料測試等等。但是網(wǎng)絡(luò)分析儀的使用也與傳統(tǒng)示波器、萬用表等儀器有較大的差異。下面這篇文章中我們將為大家介紹一些網(wǎng)絡(luò)分析儀的基礎(chǔ)知識(shí)。
SVA1000X系列頻譜&矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀
在我們使用網(wǎng)絡(luò)分析儀時(shí),往往會(huì)遇到阻抗匹配的問題，那么什么是阻抗，阻抗匹配的理想模型是什么，又需要用到什么方法實(shí)現(xiàn)呢？在觀察測試信號(hào)時(shí)，我們也會(huì)查看網(wǎng)絡(luò)分析儀上各種不同的圖表，而這些圖表又該怎么查看以及代表什么意義呢？下面將為大家解答。
我們知道，電路是對(duì)電流有阻礙作用的，要想讓電流從一端流到另一端一定要有電壓差，電流經(jīng)過電路也會(huì)發(fā)生一定的損耗。物理學(xué)上把電路中對(duì)電流所起的阻礙作用叫做阻抗，單位為歐姆，阻抗可分為電阻和電抗兩個(gè)部分，用公式表示為：
Z= R+i( ωL–1/(ωC))
當(dāng)兩個(gè)阻抗不同的設(shè)備連接到一起進(jìn)行信號(hào)傳輸時(shí)，連接處會(huì)發(fā)生信號(hào)反射，這會(huì)使信號(hào)衰減，無法達(dá)到完美傳輸?shù)男Ч藭r(shí)就需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行阻抗匹配。阻抗匹配是輸入端與輸出端阻抗的相互匹配，使信號(hào)不會(huì)在連接處發(fā)生反射的一種傳輸狀態(tài)。主要用于傳輸線上，讓信號(hào)不會(huì)在連接處產(chǎn)生反射，減小傳輸線纜對(duì)高頻信號(hào)的損耗，提升傳輸效率。
不同電路的阻抗匹配條件是不一樣的。在純電路中，當(dāng)負(fù)載電阻等于輸出源內(nèi)阻時(shí)，此時(shí)的輸出功率最大，這種工作狀態(tài)稱為匹配，否則稱為失配。當(dāng)輸出源內(nèi)阻和負(fù)載阻抗含有電抗成分時(shí)，為使負(fù)載得到最大的功率，負(fù)載阻抗與內(nèi)阻必須滿足共軛關(guān)系，即電阻成相等，電抗成分只有數(shù)值相等而符號(hào)相反。這種匹配稱為共軛匹配。
日常中用到的線纜阻抗大多數(shù)為50歐姆，所以阻抗匹配的最理想的模型是輸出和輸入端都為50歐姆，這樣輸出和輸入端所構(gòu)成的電路就不會(huì)發(fā)生過大的損耗。但是在實(shí)際測試中，往往會(huì)遇到各種情況，不可能都為50歐姆，這個(gè)時(shí)候，我們就需要使用電容和電感來進(jìn)行阻抗匹配，達(dá)到RF性能最優(yōu)。
目前，阻抗匹配的方法有很多，主要包括計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算、手工計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)推測以及最常用的史密斯圓圖。計(jì)算機(jī)仿真操作復(fù)雜，需要足夠多的測試數(shù)據(jù)和設(shè)備支持，不能馬上得出結(jié)果；手工計(jì)算相比于計(jì)算機(jī)仿真更為費(fèi)時(shí)，在計(jì)算機(jī)普及的現(xiàn)在，已經(jīng)被計(jì)算機(jī)所取代。有些射頻經(jīng)驗(yàn)比較豐富的工程師可以利用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行大致判斷，但是不夠準(zhǔn)確，而且不是人人都能進(jìn)行正確的判斷，那么什么方法既快速準(zhǔn)確，又相對(duì)簡單呢？答案是史密斯（Smith）圓圖。
在史密斯圓圖發(fā)明之前，進(jìn)行阻抗匹配需要花費(fèi)很大功夫，當(dāng)時(shí)在美國RCA公司工作的菲利普?史密斯（Phillip Smith）就考慮：能不能以一種簡單的圖表表現(xiàn)復(fù)雜的函數(shù)計(jì)算式，這樣結(jié)果可以直接由圖表來呈現(xiàn)出來，不用再耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間去計(jì)算大量的函數(shù)計(jì)算式。于是，1939年，一種能夠以圖表形式呈現(xiàn)函數(shù)表達(dá)式的圖被發(fā)明了出來，這個(gè)圖形通俗易懂、查看便捷，而后迅速在相關(guān)領(lǐng)域取代了原有的復(fù)雜計(jì)算方法，這就是后來人們所稱的史密斯圓圖。
史密斯圓圖主要基于以下算式：
Γ= (Z - 1)/(Z+ 1)
Γ代表其線路的反射系數(shù)(reflection coefficient)，即S-parameter里的S11；Z是歸一負(fù)載值，即ZL/Z0，其中，ZL是線路的負(fù)載值，Z0是傳輸線的特征阻抗值，通常會(huì)使用50Ω。用圖表示為：
現(xiàn)在看到的圖像和我們平時(shí)看的圖表一樣，是橫平豎直的坐標(biāo)線，與復(fù)雜的史密斯圓圖有非常大的區(qū)別，但是當(dāng)我們把縱坐標(biāo)彎曲起來，就得到了另一個(gè)圖形。
這看起來和我們常見的史密斯圖有點(diǎn)像了，但是好像太簡單了，那么如果在正常坐標(biāo)里面再加兩條線呢？
在加入X=±1兩條線后，按照原來的方法令圖表彎曲，就得到下圖：
這樣看起來已經(jīng)比較接近我們熟悉的史密斯圖了，差不多是一個(gè)高中水準(zhǔn)的圖表。在這個(gè)圖表中，我們已經(jīng)能簡單的判斷一些特性，比如：最大的圓上的點(diǎn)阻抗實(shí)部為0，小圓上的點(diǎn)實(shí)部為1，也就是電阻為50歐姆。通過分析我們就可以得出，上半圓區(qū)域?yàn)楦行詤^(qū)域，虛部為正；下半?yún)^(qū)域?yàn)槿菪詤^(qū)域，虛部為負(fù)等等。
當(dāng)我們?cè)侔褕D表精細(xì)化，加入更多的橫線與豎線，就可以得到一個(gè)非常復(fù)雜的圖像：
上圖就是比較完整的史密斯圓圖，我們可以查看到相當(dāng)多的信息，但是從高中一下跳到研究生未免跨度太大，看著這個(gè)圖像是不是一頭霧水呢？現(xiàn)實(shí)中可能用不上這么精密，所以可以將圖片簡化，去掉一些細(xì)分的曲線，得到下圖：
這個(gè)圖像是我們?nèi)粘Ｖ幸姷帽容^多的樣子，也是大多數(shù)儀器中史密斯圓圖的表現(xiàn)形式，這樣既能清晰的查看信號(hào)，也不會(huì)由于過于復(fù)雜而令使用者暈頭轉(zhuǎn)向?，F(xiàn)在以這個(gè)圓圖做一個(gè)簡單的總結(jié)，了解圖形的特性：
圓的上半部分是感抗，虛部為正；下半部分是容抗，虛部為負(fù)；
r=o上的圓：實(shí)部為0（電阻為0）；
r=1上的圓：實(shí)部為1（電阻值為50歐姆）；
r=0到r=∞這條線：虛部為0（電感，電容為0）；
圓心的位置就是匹配點(diǎn)，左右兩側(cè)圓的切點(diǎn)分別為短路點(diǎn)和開路點(diǎn)。
通過上述分析可以知道，史密斯圓圖不但能讓我們更快速地進(jìn)行阻抗匹配，同時(shí)，作為網(wǎng)絡(luò)分析儀中一個(gè)最常用的顯示界面，史密斯圓圖讓我們可以在使用網(wǎng)絡(luò)分析儀時(shí)看懂所測信號(hào)的特性。
SVA1000X系列史密斯圓圖
上方的圖為SVA1000X網(wǎng)絡(luò)分析儀的史密斯測試圖，紫色的線是S11測試跡線，為正常的損耗曲線，黃色的跡線為史密斯圖曲線。結(jié)合前面的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，這個(gè)測試器件的特性非常特殊，起始點(diǎn)都在圓心，阻值為50歐，曲線圍成了一個(gè)圓形，是阻值不變的情況下，電抗部分隨著頻率在感性與容性之間變化導(dǎo)致的。
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關(guān)于鼎陽
鼎陽科技（SIGLENT）是通用電子測試測量儀器領(lǐng)域的行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)。
2002年，鼎陽科技創(chuàng)始人開始專注于示波器研發(fā)，2005年成功研制出第一款數(shù)字示波器。歷經(jīng)多年發(fā)展，鼎陽產(chǎn)品已擴(kuò)展到數(shù)字示波器、手持示波表、函數(shù)/任意波形發(fā)生器、頻譜分析儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、臺(tái)式萬用表、射頻信號(hào)源、直流電源、電子負(fù)載等基礎(chǔ)測試測量儀器產(chǎn)品。2007年，鼎陽與高端示波器領(lǐng)導(dǎo)者美國力科建立了全球戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系。2011年，鼎陽發(fā)展成為中國銷量領(lǐng)先的數(shù)字示波器制造商。2014年，鼎陽發(fā)布了帶寬高達(dá)1GHz的中國首款智能示波器SDS3000系列，引領(lǐng)實(shí)驗(yàn)室功能示波器向智能示波器過渡的趨勢。2017年，鼎陽發(fā)布了多項(xiàng)參數(shù)突破國內(nèi)技術(shù)瓶頸的SDG6000X系列脈沖/任意波形發(fā)生器。2018年，鼎陽推出了旗艦版高端示波器SDS5000X系列；同年發(fā)布國內(nèi)第一款集頻譜分析儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀于一體的產(chǎn)品SVA1000X。目前，鼎陽已經(jīng)在美國克利夫蘭和德國漢堡成立子公司，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷全球80多個(gè)國家，SIGLENT已經(jīng)成為全球知名的測試測量儀器品牌。
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