【導(dǎo)讀】隨著無線電技術(shù)的發(fā)展，遇到射頻儀器的機(jī)會也多了起來，其中有一些看起來具有相似的用途。正確認(rèn)識這些儀器有各什么特點，適合用在哪些地方，有助于合理的配置儀器，提高DIY效率，同時也能節(jié)約預(yù)算。這里就網(wǎng)絡(luò)分析儀器的基本概念做一個簡單介紹，希望對大家有幫助。
定向電橋是一種射頻網(wǎng)絡(luò)，通俗而言，是一種能夠區(qū)分射頻信號流動方向的裝置。一般情況下，射頻信號從信號源（比如發(fā)射機(jī)）傳輸?shù)截?fù)載（比如天線），叫做入射。如果負(fù)載不匹配，就會反射一部分信號，使它送回到信號源，簡稱為反射。定向電橋能夠把這兩種不同方向的射頻信號分別提取出一部分來。理論上，正向電橋提取正向傳輸?shù)男盘枺粫崛》聪虻男盘枴７粗聪螂姌蛑惶崛》聪騻鬏數(shù)男盘枺粫崛≌蛐盘枴Ｔ谔崛〉倪^程中，不會丟失信號的相位信息，也能夠以確切的數(shù)學(xué)關(guān)系忠實的反映信號的幅度。對于阻抗確定的傳輸系統(tǒng)，知道了幅度也就知道了功率。
電橋是非常有用的裝置，有了只提取一個方向信號的能力，只要對提取出來的信號的功率（幅度）和相位進(jìn)行檢測，就能測試傳輸?shù)墓β蚀笮 ⒎瓷涞墓β蚀笮。瑐鬏敽头瓷渲g的相位差別。有了這些信息，就能描述負(fù)載的特征。由于定向電橋只能提取一個方向的信號，所以要同時測得上述參數(shù)，應(yīng)該使用兩個不同方向安裝的電橋串聯(lián)起來，對它們提取到的信號進(jìn)行比較。使用兩個電橋比較麻煩，在要求不高的情況下，對于正向信號的提取，可以使用更為簡單的定向性網(wǎng)絡(luò)——例如分路器。這種分路器正反特性也是不同的，不過單向性沒有定向電橋好。
通常的天線分析儀具有一個端口。這個儀器內(nèi)部有一個或者兩個定向電橋，另外還有一個頻率可變的信號發(fā)生器，以及用來檢測定向電橋提取到的信號的檢波器。當(dāng)把天線分析儀的端口連接到待測的天線上時，分析儀可以對正向信號和反向信號進(jìn)行比較。如果只進(jìn)行幅度的比較，可以求得駐波系數(shù)、反射系數(shù)或回波損耗。如果同時還進(jìn)行相位的比較，則可以求得天線的阻抗。
萬能框圖，天分、標(biāo)網(wǎng)、矢網(wǎng)都可以從中變化得來
能夠同時比較相位和幅度的儀器叫做矢量儀器，只能比較幅度參數(shù)的，叫標(biāo)量儀器。幅度的比較有廉價的方法，相位的比較卻比較復(fù)雜。對于要求不太高的場合，可以使用商品的相位檢波器（如AD8302），但是這種檢波器的相位測試范圍只有半個周期，換句話說，不能直接得到相位變化的符號，如果希望得到符號，一般需要把參與比較的一路信號（提取出來的正向或反向信號）移相90度再比較一次。這個過程仍然相當(dāng)麻煩，而且像AD8302這樣的器件，測試準(zhǔn)確度往往達(dá)不到儀器級別的要求。也可以采用二極管方式的鑒相器，這種鑒相器雖然可以涵蓋整個周期，但是它的比相輸出與輸入的幅度有直接關(guān)系，必須事先對信號進(jìn)行穩(wěn)幅。這也是一個令人頭痛的工作。另一種做法，是使用示波器中常見的邊沿觸發(fā)技術(shù)，例如上升沿觸發(fā)技術(shù)。當(dāng)被比較的一個信號以上升沿過零點的時候，計時器被觸發(fā)，開始計時。當(dāng)另一個信號的上升沿來到的時候，果斷的停止計時。如果已知兩個信號的頻率，就可以根據(jù)時間差準(zhǔn)確的計算出相位差。無疑，這個過程在頻率很高的時候也是相當(dāng)困難的。正是這些原因，加上大量減少相位誤差的措施和校準(zhǔn)軟件方面的投入，模擬矢量儀器的價格和只比較幅度的標(biāo)量儀器相比要高得多。目前矢量儀器已經(jīng)逐步采用數(shù)字處理技術(shù)，隨著數(shù)字芯片價格的降低和算法的改進(jìn)，矢量儀器最終會普及到普通愛好者手中，這是值得我們期待的。
許多業(yè)余愛好者的天線分析儀能夠測試阻抗，具備一般需要矢量儀器才能具備的功能。但是他們并沒有直接測試信號的相位。這些儀器采用的辦法是同時測試正向信號、反向信號、正反向信號的混合信號的幅度，然后建立一個方程組，求解出待測負(fù)載的阻抗——因為混合信號的幅度與兩個信號的相位差具有關(guān)系。其它類似的方法也是可行的，只要能建立有意義的方程組即可。求解方程組，可以得到兩個虛部相互對稱的根，還需要通過變動頻率或者接入電抗元件來判斷到底哪一個根是有效的。現(xiàn)在，已經(jīng)可以用單片機(jī)自動的完成這個過程，求得虛部帶符號的阻抗了。另一個重要區(qū)別是，目前業(yè)余愛好者的天線分析儀沒有辦法修正掉電纜等帶來的相位移動，除非頻率很低，否則無法得出可信的結(jié)論。通過以上分析我們知道，通常見到的業(yè)余無線電天線分析儀和專業(yè)的矢量天線分析儀具有原理上的區(qū)別。
用只有幅度（駐波）測試功能的天線分析儀，可以得到天線的駐波系數(shù)。駐波系數(shù)對于判斷天線的好壞和用修剪、湊試的方法調(diào)試天線都具有重要價值。所以，只具有駐波測試功能的天線分析儀（簡稱駐波表）常用于天線工程施工、天線修剪、天線質(zhì)量檢查等方面，對于絕大多數(shù)用途已經(jīng)足夠了。
同時需要注意，僅僅了解天線的駐波，某些情況下會得出錯誤的結(jié)論。比如A天線在100~200MHz的駐波系數(shù)為1.5，B天線在相同頻段的駐波系數(shù)都為2.0。能不能說A天線比B天線好呢？對于工程架設(shè)——或者說天線應(yīng)用來說，當(dāng)然可以得出這個結(jié)論。但是對于天線研發(fā)來說，就未必。如果A天線在100~200MHz頻帶內(nèi)，阻抗變化很大，其阻抗的矢量繞著50歐轉(zhuǎn)了一個大圈。而B天線的阻抗卻幾乎不變，那么，對于B天線，只需要稍微進(jìn)行一點匹配，就能把駐波調(diào)整到1.5甚至1.2以下。而對于A天線，無論怎么匹配，都只能把其中某個很窄的頻率（例如150~160MHz）的駐波系數(shù)調(diào)整到1.2以下，而與之背離的某個地方，就會冒到2.0以上…… 顯然，B天線更受歡迎。這個例子說明，具備阻抗測試功能的天線分析儀更適合于天線的研發(fā)，尤其是寬帶天線的研發(fā)。業(yè)余無線電天線一般都是窄帶工作的，阻抗分析優(yōu)勢不一定明顯，但是它可以提供有關(guān)調(diào)試方向的重要參考，通過一些手段，還能測試電感、電容等元件，所以對于愛好者中的骨灰級DIY派來說，具備阻抗顯示功能的天線分析儀有重要意義。
在專業(yè)領(lǐng)域，還需要測試天線的方向圖、極化特性等指標(biāo)。測試這些指標(biāo)需要用標(biāo)準(zhǔn)天線和測試接收機(jī)在不同的方位接收待測天線發(fā)射的信號（或者待測天線在轉(zhuǎn)臺上轉(zhuǎn)動）。具備這種功能的儀器當(dāng)之無愧的叫天線分析儀。當(dāng)然，網(wǎng)絡(luò)分析儀經(jīng)過適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展也可以勝任這項工作。
天線分析儀就是一種網(wǎng)絡(luò)分析儀。只不過它只適合測試單端口網(wǎng)絡(luò)（比如一個負(fù)載、天線），在測試雙端口網(wǎng)絡(luò)（例如：一個濾波器）或多端口網(wǎng)絡(luò)時，其它的端口要接上匹配負(fù)載，這時它測到的是網(wǎng)絡(luò)的反射特性。通常說的網(wǎng)絡(luò)分析儀具備雙端口測試能力，可以測試信號通過待測器件（比如濾波器）以后產(chǎn)生的變化。這里同樣包括幅度的變化和相位的變化，進(jìn)一步還有時間的延遲。而幅度、相位、時間延遲與頻率都是有關(guān)系的。現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠把它們隨頻率的變化關(guān)系，以幅頻特性圖、相頻特性圖等形式展示出來。一些高檔網(wǎng)絡(luò)分析儀還能將它們與待測器件的輸入功率之間的關(guān)系展現(xiàn)出來，并能顯示延遲特性圖。
與天線分析儀類似，雙端口測試時，幅度的變化、相位的變化可以用幅度檢波器、鑒相器等裝置加以比較得到。只不過參與比較的不再是正反向信號，而是輸入信號和輸出信號。
標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以展現(xiàn)幅頻特性。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀除了展示幅頻特性外，還可以展示相頻特性。兩種網(wǎng)絡(luò)分析儀要展示延遲特性，從原理而言都需要采取一些措施。不過，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀只需要對相頻特性進(jìn)行一次微分，并不需要增加硬件，因此高檔矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀一般標(biāo)配了這樣的功能，而標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀卻需要增加產(chǎn)生脈沖或調(diào)制信號的硬件，因此很少配有這種功能。
對于一個雙端口的待測器件，很多時候我們希望了解兩個端口的反射特性，以及該器件正反兩個方向的傳輸特性。用天線分析儀測試反射特性，需要對兩個端口各測一次。用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分析儀測試傳輸特性時，需要把待測器件顛倒過來再測一次，否則不但測不出兩個特性，甚至無法構(gòu)建校準(zhǔn)模型，一個特性也測不出來，而且顛倒端口可能還會帶來新的誤差。有沒有網(wǎng)絡(luò)分析儀可以一次性把兩個端口的反射、傳輸特性，共四個特性測出來呢？當(dāng)然有，而且現(xiàn)在已經(jīng)成為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的主流。目前商品的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，兩個端口內(nèi)部各配置有兩個定向耦合器，只需切換一下信號源連接的端口即可調(diào)換方向，兩步測出四個特性。大體上只有一些手持式的矢網(wǎng)需要人工調(diào)換器件方向了。而標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀卻幾乎沒有能夠自動調(diào)換的。除了上面說到的兩端口網(wǎng)絡(luò)分析儀，隨著射頻技術(shù)的進(jìn)步，端口數(shù)更多的網(wǎng)絡(luò)分析儀也變得常用起來。
前面說到天線分析儀就是一種網(wǎng)絡(luò)分析儀。如果我們把具備測試反射和傳輸兩種信號流程特性的網(wǎng)絡(luò)分析儀稱作“標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)分析儀”的話，天線分析儀相當(dāng)于半臺標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)分析儀；相對于能自動調(diào)換方向的網(wǎng)絡(luò)分析儀而言，天線分析儀就相當(dāng)于四分之一臺了。有些網(wǎng)絡(luò)分析儀不具備定向電橋，只能測試器件的傳輸特性。如果要測試反射特性，就需要外置定向電橋。這種網(wǎng)絡(luò)分析儀，也可以算半臺標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)分析儀。帶跟蹤源的頻譜儀就是這種情況，并且多數(shù)只具備標(biāo)量測試功能。
圖：用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測一臺信號源的輸出阻抗，此時信號源正在進(jìn)行掃頻工作，可以明顯的看到信號源的輸出對矢網(wǎng)的干擾（尖峰），事實上阻抗也不正確（圓環(huán)狀曲線半徑變大了）–科創(chuàng)儀表局供圖
不論是標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀還是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，都有兩種不同的類型：直接檢波和基于跟蹤接收機(jī)的中頻檢波。直接檢波方式結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，目前的標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀還在大量使用，只有高檔的標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀才采用中頻檢波。習(xí)慣上，采用直接檢波的標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀又被稱作掃頻儀。在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中，中頻檢波已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)方式。混頻并不會丟失相位信息，同時能夠用中頻濾波器濾掉信號源的諧波帶來的變頻產(chǎn)物，僅僅把有用信號提取出來。因此使用中頻檢波能夠大幅度提高網(wǎng)絡(luò)分析儀的動態(tài)范圍，降低對信號源純凈度的要求。
再回來看看天線分析儀。采用直接檢波的天分有一個嚴(yán)重的弊端：如果待測天線已經(jīng)架設(shè)到開闊的地方，來自空中的電波信號會和反射波一起進(jìn)入儀器的檢波器。如果空中的信號很強(qiáng)，就可能掩蓋掉天線本身的反射波。在測試短波天線、寬帶天線時，這種現(xiàn)象非常明顯，甚至在大多數(shù)情況下無法測試。解決該問題的常用辦法是提高儀器的輸出強(qiáng)度，使反射波的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于天線接收到的信號。一般儀器能達(dá)到的輸出強(qiáng)度頂多20dBm，實踐證明對于架在城市樓頂?shù)膶拵Ф滩ㄌ炀€而言，仍然顯得太小。這一問題的最終解決，還是得采用中頻檢波。
帶跟蹤源的頻譜儀是一種典型的采用窄帶中頻檢波的兩端口網(wǎng)絡(luò)分析儀。它的測試原理和采用中頻檢波的高檔標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀相比沒有特別的不同，如果一定要找出區(qū)別，通常體現(xiàn)在這幾方面：頻譜儀具有性能更好的接收裝置，一般來說具有良好的干擾抑制能力和更高的靈敏度；頻譜儀的中頻濾波器形式與某些標(biāo)網(wǎng)可能不同，標(biāo)網(wǎng)可以使用矩形濾波器；頻譜儀的跟蹤源輸出幅度一般來說都很低，而高檔標(biāo)網(wǎng)常常做到10dBm，與接收機(jī)增加的動態(tài)范圍相比，因為跟蹤源幅度較小而損失的動態(tài)范圍往往更多。頻譜儀一般不具備混頻器測試功能，在曲線的歸一校準(zhǔn)等方面，功能也沒有網(wǎng)絡(luò)分析儀強(qiáng)大。當(dāng)然事無絕對，現(xiàn)代儀器的發(fā)展方向是面向用戶需求提高綜合解決手段，具備完善標(biāo)網(wǎng)功能的頻譜儀早已面世；在手持式頻譜儀中，可以選配雙端口矢網(wǎng)功能的儀器也能買到了。
標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠滿足無線電愛好者的一般需求，例如調(diào)試天線、濾波器、雙工器、放大器、分路器和檢查饋線的損耗等，靈活應(yīng)用，還能擴(kuò)展一些用途。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠從相位信息中提取出有用的復(fù)阻抗參數(shù)，對于匹配放大器的輸入輸出級、DIY新型天線等多種工作具有更大的指導(dǎo)意義，因此更適合于各種研究開發(fā)目的。選擇什么樣的儀器主要依據(jù)測試目的而定，當(dāng)然與預(yù)算也有很大關(guān)系。如果您的測試必須了解準(zhǔn)確的相位及其衍生數(shù)據(jù)，就必須選用矢量儀器，同時也就意味著需要增加預(yù)算。
推薦閱讀：
