矢量网络分析仪原理和传输线理论

设计师和制造商通过网络分析过程，对复杂系统内部的元器件和电路进行电气性能测量。当这些系统传送含有信息内容的信号时，我们最关心的是如何最高效地将信号从一个点传送到另一个点， 并且确保失真最小？矢量网络分析仪通过测量元器件对扫频和扫功率测试信号的幅度和相位的影响，精确表征这些元器件的特性。在本应用指南中，我们将回顾矢量网络分析仪的原理和传输线理论。讨论的内容包括可以测量的常用参数， 例如散射参数（S参数）的概念。另外还回顾了传输线和史密斯圆图等射频基础知识。

通信系统中的测量

任何通信系统都必须考虑到信号失真的影响。虽然我们通常认为失真是由非线性效应 引起的（例如从有用的载波信号产生的互调产物），不过纯线性系统也会引入信号失真。信号在经过线性系统时，线性系统可能会改变信号频谱分量的幅度或相位关系，从而改变信号的时间波形。

线性和非线性的区别

1.线性linear，指量与量之间按比例、 成直线的关系，在数学上可以理解为一阶导数为常数的函数；非线性non-linear则指不按比例、 不成直线的关系，一阶导数不为常数。
2.线性的可以认为是1次曲线，比如y=ax+b，即成一条直线。非线性的可以认为是2次以上的曲线，比如y=ax^2+bx+C，（X^2是x的2次方)，即不为直线的即可。
3. 两个变量之间的关系是一次函数关系的 ---图象是直线，这样的两个变量之间的关系就是“线性关系”；如果不是一次函数关系的--图象不是直线，就是非线性关系。
4.“线性”与“非线性”，常用于区别函数y=f(x)对自变量x的依赖关系。线性函数即一次函数，其图像为一条直线。其它函数则为非线性函数，其图像不是直线。
线性，指量与量之间按比例、成直线的关系，在空间和时间上代表规则和光滑的运动；而非线性则指不按比例、不成直线的关系，代表不规则的运动和突变。

线性器件会改变输入信号的幅度和相位

图 1. 线性和非线性的区别和对比

进入输入端的正弦波会再次出现在输出端， 频率保持不变。在这个过程中不会产生新的信号。有源和无源非线性器件都可能使输入信号发生频移，或增添其他频率分量，例如谐波和杂散信号。大输入信号会驱动正常情况下呈线性工作的器件进入压缩或饱和区域，表现出非线性特性。

为了实现无失真的线性传输，被测器件 (DUT) 的幅度响应必须平坦，而相位响应在所需带宽上必须呈线性。例如，假设一个包含很大高频分量的方波信号通过一个带通滤波器， 该滤波器会让选定频率通过且衰减极小，而对通带之外的频率施加不同程度的衰减。即使滤波器拥有线性相位性能，但方波的带外分量还是会发生衰减，从而使本例中的输出信号在本质上更接近正弦曲线（图 2）。

如果同一个方波输入信号通过另一个滤波器，且该滤波器仅反转三次谐波的相位，而不改变谐波幅度，那么输出信号在本质上将更像是脉冲波形（图 3）。尽管本例中的滤波器就是这种情况，不过取决于幅度和相位的非线性特性，输出波形通常总会出现一定的失真。

不同频率下的幅度变化 vs 不同频率下的相位变化

图 2. 不同频率下的幅度变化

图 3. 不同频率下的相位变化

非线性网络

饱和、交叉、互调和其他非线性效应可能会造成信号失真。

图 4. 非线性引起的失真

非线性引起的失真

非线性器件也会带来失真（图 4）。例如，如果对放大器施加的激励过大，那么放大器会达到饱和状态，使输出信号发生削波。输出信号不再是单纯的正弦波，在输入频率的倍频处会出现谐波。无源器件也可能在大功率电平下表现出非线性特性，使用磁芯电感器的 L-C 滤波器就是一个典型的例子。磁性材料通常呈现高度非线性的滞后效应。
功率的有效传输是通信系统中的另一个基本问题。为了有效地传输、发射或接收射频功率， 传输线、天线和放大器等器件的阻抗必须与信号源匹配。当两个相连器件之间的输入和输出阻抗的实部和虚部不理想时，就会发生阻抗失配。

为什么要矢量测量？矢量测量的重要性

测量信号分量的幅度和相位非常重要，原因有几个。

首先，要想全面表征线性网络并确保无失真的传输，必须要进行这两项测量。为了设计有效的匹配网络，必须测量复阻抗。工程师在为计算机辅助工程 (CAE) 电路仿真程序开发模型时，需要幅度和相位数据才能 建立精确的模型。

此外，时域表征需要幅度和相位信息，以便执行傅立叶逆变换。矢量误差校正通过消除测量 系统固有误差的影响，可以提高测量精度，但它也需要幅度和相位数据来建立有效的误差 模型。为了达到高精度，甚至是在标量测量（例如回波损耗）中，相位测量功能也非常重要。