在無線世界中，射頻組件測試的需求是將產(chǎn)品推向市場的關(guān)鍵因素之一。設(shè)備越來越小，包含的組件越來越復(fù)雜。運(yùn)用阻抗(或?qū)Ъ{)和反射/傳輸參數(shù)的理論知識，可以使射頻設(shè)備的性能達(dá)到最佳。濾波器、諧振器等射頻元件所用到的電容和電感值可以通過理論計(jì)算來獲得，借助仿真軟件微調(diào)元件的屬性值來優(yōu)化整體設(shè)計(jì)，但是最終射頻元件的性能還需要通過實(shí)際測量來評估。
相比于標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀來說，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）不僅可以測量幅度和頻率等標(biāo)量信息，還可以測試相位等更加全面的系統(tǒng)特征值。
矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）是用來評估及測試射頻元件性能的重要設(shè)備，其測試結(jié)果以矢量（復(fù)數(shù)）形式表征。矢量網(wǎng)絡(luò)分析以反射[S11]和傳輸[S21]因子組成散射矩陣，并可以通過相位信息對線纜故障位置進(jìn)行精確計(jì)算。
RIGOL的RSA5000N和RSA3000N（以下稱RSAxN）系列VNA解決方案可以執(zhí)行三種不同的測量：反射[S11]、傳輸[S21]和故障點(diǎn)距離[DTF]測量。通過切換測試模式，工程師可以輕松地獲取被測物（DUT）的頻率響應(yīng)、相位、SWR（駐波比）等信息，并且可以得到依據(jù)DUT特性繪制的Smith圓圖和極坐標(biāo)圓圖。
一、S11測量
反射測量是確定復(fù)雜系統(tǒng)(如無線通信系統(tǒng))性能的關(guān)鍵，反射系數(shù)指反射波電壓與入射波電壓的比值。進(jìn)行反射測量最優(yōu)的方式之一是Smith圓圖，因?yàn)樗畔⒆疃?，比?
? 復(fù)阻抗信息、電感/容抗匹配情況以及補(bǔ)償方式
? 復(fù)反射系數(shù)
? 電容或電感的實(shí)際影響
? 頻率范圍的影響及頻率響應(yīng)
? 射頻組件的Q因子
在RSAxN中，史密斯圓圖可以顯示阻抗或?qū)Ъ{圓圖。圖1是一個(gè)通用的Smith圓圖。“通用”是指它可以用于每個(gè)系統(tǒng)阻抗。但最終實(shí)際復(fù)阻抗的計(jì)算須在測量完成后進(jìn)行。在RSAxN中，可以通過標(biāo)記和測量阻抗值來表征轉(zhuǎn)換后的值。
Smith圓圖和極坐標(biāo)圖是分析特定頻段上復(fù)阻抗和反射系數(shù)的有效工具，其主要目的是做高頻電路的阻抗匹配。阻抗表示電路對電信號的阻礙能力，由矢量（復(fù)數(shù)）表征：實(shí)部表示電阻值，虛部表示電抗值（包括容抗和感抗）。在Smith圓圖中，上半部分表示電路偏感性，即虛部是正值；下半部分表示電路偏容性，即虛部是負(fù)值；中間的水平分界線表示電路為純阻性，即阻抗的虛部為0，最左側(cè)為短路點(diǎn)（阻抗為0），最右側(cè)為開路點(diǎn)（阻抗為無窮大），正中心是阻抗匹配點(diǎn)，此時(shí)電路處于最佳狀態(tài)。
圖1: 阻抗區(qū)域的Smith圓圖概述，以50 Ω為例
如下，以對50歐網(wǎng)絡(luò)的輸入端口測試為例，Smith圓圖可以顯示復(fù)數(shù)網(wǎng)絡(luò)中不同的可能性。
圖2：DUT中心頻率測量及阻抗匹配
如圖2，我們的實(shí)測結(jié)果對應(yīng)Smith圓圖的A點(diǎn)（First measurement）。對該端口先串聯(lián)30歐的電阻我們可以讓測試結(jié)果到達(dá)B點(diǎn)然后再串聯(lián)27歐的感抗，即可實(shí)現(xiàn)在指定頻點(diǎn)的50歐匹配C點(diǎn)。但現(xiàn)實(shí)問題是，27歐感抗對應(yīng)的67pH電感值非常小，很難實(shí)現(xiàn)，且獨(dú)立的電感元件適應(yīng)頻率范圍也不夠高，所以對于更高的頻率，需要使用其他方法，如微帶傳輸線，用短截線來補(bǔ)償-j27歐（短路短截線的長度: I = 0.078λ，開路短截線的長度: I = 0.328 λ）。對于短截線，需要介電常數(shù)來評估正確的波長。
除了通過Smith圓圖來直觀進(jìn)行阻抗匹配計(jì)算，VNA還可以在頻率范圍內(nèi)換算成回波損耗和電壓駐波比VSWR
圖3：S11參數(shù)測量的四種顯示方式：Smith圓圖、極坐標(biāo)圖、對數(shù)幅度-頻率、SWR
信號通過濾波器、放大器等組件傳輸時(shí)，都會有延時(shí)現(xiàn)象。如果寬帶信號經(jīng)過組件，不同頻率信號的群時(shí)延不同，會引起信號的非線性變化，即導(dǎo)致信號失真，這不是我們所希望的結(jié)果。如果群時(shí)延在頻率范圍內(nèi)是恒定的，那么所有頻率分量將有相同的相位偏差，在這種情況下，理想系統(tǒng)將沒有失真，群時(shí)延將是一個(gè)恒定值。
群時(shí)延計(jì)算如下：
圖4：對數(shù)幅度-頻率、SWR、相位-頻率、群時(shí)延
二、S21參數(shù)測量
S21參數(shù)可以表征在指定頻率范圍內(nèi)的插入損耗，在經(jīng)過一個(gè)完整的校準(zhǔn)后可以進(jìn)行高精度的測量。頻率響應(yīng)的測量功能可以用于測量濾波器（見圖5）或放大器的帶寬。
圖5：S11 SWR測量（左）、S21插入損耗（對數(shù)刻度）測量（右）
類似于S11測量，也可以用RSAxN測量S21的相位、插入損耗和群延遲（見圖6）。
圖6：插入損耗(綠色)、相位(藍(lán)色)和群延遲 (粉色)的S21測量
三、故障點(diǎn)距離測量DTF
DTF是S11測量的擴(kuò)展應(yīng)用，是為了定位線纜故障的距離，在頻域中測量被測電纜的反射。DTF首先通過比較反射信號和跟蹤源創(chuàng)建的參考信號來確定頻段范圍內(nèi)的反射向量，然后執(zhí)行快速傅里葉逆變換（IFFT）。結(jié)合線纜模型的特征，就能夠快速確定反射傳播的距離，準(zhǔn)確定位線纜中的故障點(diǎn)。為了進(jìn)一步提高準(zhǔn)確性，DTF的算法中還考慮補(bǔ)償了傳輸過程中發(fā)生的衰減損耗。
圖7顯示了DUT的頻率范圍(S11)和DTF測量結(jié)果(兩根線纜之間有連接器，末端匹配50 Ω)。在S11的一定頻率范圍內(nèi)測量顯示時(shí)，故障點(diǎn)只能被粗略地捕捉。但在DTF中，很容易得到故障點(diǎn)的精確距離。
圖7：S11對數(shù)數(shù)量級（左）、相同組件的DTF時(shí)間視圖（右）
四、校準(zhǔn)
精確測量的前提是校準(zhǔn)。校準(zhǔn)可以將系統(tǒng)誤差最小化，從而得到更準(zhǔn)確的測量結(jié)果。
S11/DTF校準(zhǔn)
D =方向性誤差：來自定向耦合器的非理性特性
Ms=源匹配誤差:來自VNA信號源的阻抗失配
TR= 跟蹤誤差:來自于用于信號分離器件(如定向耦合器)、混頻器和內(nèi)部檢測器的元器件的頻率響應(yīng)。
以下是一個(gè)單端口測量的誤差模型極其公式:
圖8：單端口測量的誤差模型
負(fù)載校準(zhǔn)：使用50Ω阻抗[負(fù)載]時(shí)，S11A為0，S11M = D（測量定向耦合器的方向性誤差）。VNA可將校準(zhǔn)后的頻率范圍內(nèi)的方向性誤差[D]降至最低。校準(zhǔn)后，RSA5000N的方向性誤差約為-40dB。
短路/開路校準(zhǔn)：從DUT的角度看，源[Ms]不匹配，這會在DUT與系統(tǒng)之間形成反射環(huán)路。當(dāng)DUT顯示不匹配時(shí)，可以看到此誤差。此外，連接器、電纜、內(nèi)部耦合器、檢測器導(dǎo)致頻率響應(yīng)誤差[TR]。在開路（ S11A= 1）和短路（ S11A= 1）校準(zhǔn)下，將產(chǎn)生兩個(gè)含有因子 Ms和 TR的方程式。
開路/負(fù)載/短路和直通校準(zhǔn)件應(yīng)該是理想的，例如短路反射系數(shù) = 1，但實(shí)際不是。例如，開路包含雜散電容，短路則包含電感。RIGOL的校準(zhǔn)套件CK106A（DC – 6.5 GHz）和CK106E（DC – 1.5 GHz）補(bǔ)償參數(shù)已經(jīng)集成到RSAxN版本中，可以進(jìn)行精確的校準(zhǔn)。如果使用其它校準(zhǔn)套件，則需要根據(jù)所使用的校準(zhǔn)套件參數(shù)自定義。
圖9：帶通濾波器的測量：端口末校準(zhǔn)測量（細(xì)線）和直通校準(zhǔn)后測量（粗線）
對于DTF測量，需要綜合電纜的速度因數(shù)（例如70％→0.7）和電纜損耗，以提高測量的準(zhǔn)確性。
S21校準(zhǔn)
對于S21(傳輸系數(shù))測量，需要進(jìn)行直通校準(zhǔn)以獲得平坦的幅頻響應(yīng)曲線。圖10顯示了校準(zhǔn)前后的曲線。
圖10：帶通濾波器的S21測量：未直通準(zhǔn)測量（細(xì)線）和直通校準(zhǔn)后測量（粗線）
五、總結(jié)
常規(guī)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀價(jià)格非常昂貴，而且體積一般較大，不便于系統(tǒng)搭建和操作。由RIGOL研發(fā)的RSA5000N/3000N系列頻譜分析儀，搭配VNA功能模式，可以提供給您最具性價(jià)比的矢量網(wǎng)絡(luò)分析解決方案。我們根據(jù)您的需要，配備了高性能和經(jīng)濟(jì)性兩款設(shè)備，為您最大可能的優(yōu)化成本配置，供您在技術(shù)研究、生產(chǎn)制造、教育教學(xué)等多種途徑中靈活選擇。
RSA5032N頻譜分析儀
