浅析向量网路分析仪工作原理.docVIP

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） 反射係數距離/時間Reflection Coefficients vs Distance Fourier Transform） 阻抗Impedance （RjX） 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