矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀時域功能及應(yīng)用

劉 麗，張曉輝

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009）

0 引 言

通常使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行頻域分析，從而實現(xiàn)被測件S參數(shù)：電壓駐波比、插入損耗、相位以及延時等的測試。拿反射系數(shù)測試來說，測試結(jié)果是被測件上多種反射因素在被測端口參考端面的迭加，要想分析出這些因素產(chǎn)生的位置、造成的影響，就要在時域中觀察測試結(jié)果。時域分析最直接的方法是時域反射計，也可利用矢網(wǎng)時域功能選件完成對被測件的時域分析，而后者相比前者有更大的優(yōu)勢。

1 矢網(wǎng)時域功能介紹

網(wǎng)絡(luò)特性可以通過時域反射計（TDR）的方法在時域中進行描述和分析。該方法通過一個高速階躍脈沖發(fā)生器和一臺取樣示波器來實現(xiàn)，脈沖發(fā)生器產(chǎn)生射頻脈沖作為激勵信號，該信號入射至被測端面稱為入射波，并被示波器采樣，入射波在測件上傳輸，同時有反射波反射回來，再經(jīng)示波器采樣。這樣，從示波器上分別測量入射波和反射波的電壓值就能得出入射波與反射波的關(guān)系，即激勵與響應(yīng)相對于時間的變化，并可將反射波電壓幅度與入射波電壓幅度之比定義為電壓反射系數(shù)，它描述了被測件時域脈沖響應(yīng)相對于時間的變化。在時域分析中，被測量是時間的函數(shù)。對于均勻介質(zhì)，時間軸等效于距離軸，這就使電長度測試和電纜故障定位成為可能。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀也具備時域分析功能，不過與TDR不同的是：矢網(wǎng)的時域功能并不是采用直接測試，而是先測試得到器件的頻域響應(yīng)，即S參數(shù)的幅度和相位，然后運用傅里葉逆變換這一數(shù)學(xué)運算將頻域信息轉(zhuǎn)化到時域。眾所周知，時域和頻域的變換通過傅里葉變換和反傅里葉變化實現(xiàn)[1]，圖1總結(jié)了二者之間的關(guān)系，這是構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)分析儀時域測量的理論基礎(chǔ)。矢網(wǎng)時域分析的實現(xiàn)是從頻域到時域的反傅里葉變換，是靠網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部的計算機通過傅里葉變換技術(shù)來實現(xiàn)的，具體是采用一種稱為Chirp-z反變換的算法，它包括2次快速反傅里葉運算和1次卷積。經(jīng)變換后最終得到的結(jié)果是器件的時域響應(yīng)，它顯示了測得參數(shù)值隨時間的變化，這些參數(shù)對應(yīng)頻域中的傳輸測量或反射測量。相比較而言，矢網(wǎng)時域功能較之TDR有巨大的優(yōu)勢。首先，時域測量需要在整個頻帶內(nèi)進行，而頻域的測量可以通過窄帶方式實現(xiàn)，相比時域內(nèi)的直接測量，頻域測量改善了測量值的信噪比，測試儀器能提供更大的動態(tài)范圍；其次，由于技術(shù)原因，數(shù)模轉(zhuǎn)換僅能工作在幾個GHz頻率以下，而基于外差原理的測試儀器中，A/D轉(zhuǎn)換器只需工作在中頻，這樣數(shù)模轉(zhuǎn)換不再受頻率限制，測試也能覆蓋更高的頻率范圍。鑒于以上原因網(wǎng)絡(luò)分析的測量主要集中于頻域測量，而不直接進行時域測量。

圖1 時域和頻域的對應(yīng)關(guān)系圖

2 矢網(wǎng)時域功能應(yīng)用

2.1 矢網(wǎng)時域功能應(yīng)用舉例

矢網(wǎng)的時域功能通過儀器配置選件來保證，如Agilent的矢網(wǎng)在有選件010的情況下便具備了時域分析功能。在頻域選擇傳輸或反射參數(shù)測量，選擇功能鍵打開時域功能，就實現(xiàn)了傳輸或反射參量在時域的表達。下面以同軸傳輸線反射參量測試為例，介紹其在電長度測試、電纜性能判定[2]、電纜故障定位上的應(yīng)用。

電磁波在傳輸線上傳輸，對于真空介質(zhì)來說，電磁波傳播速度等于光速，對于空氣介質(zhì)傳播速度也可近似為光速[3]，而對于其他填充介質(zhì)根據(jù)介質(zhì)材料不同，都會對電磁波傳輸形成不同程度的阻礙作用，相應(yīng)的傳輸速度會慢于光速，因此電磁波實際的傳輸距離就不再是傳輸線的機械程度，而要用電長度來表征。不同介質(zhì)其固有的有效介電常數(shù)不同，有效介電常數(shù)用εeff表示，則電長度與物理長度、有效介電常數(shù)的關(guān)系可表示為

假設(shè)被測傳輸線是均勻介質(zhì)，那么時間量可相應(yīng)的變換為距離量。時間t到距離s的變化關(guān)系是：s=t·νp，其中 νp稱為相速度，它與光速 c 的關(guān)系是矢網(wǎng)時域功能打開時，橫坐標(biāo)可直接選擇時間或距離為單位，這時測得的距離是傳輸線的電長度；如果再在矢網(wǎng)中輸入傳輸線的有效介電常數(shù)，橫坐標(biāo)即可表示傳輸線的機械長度，這樣就可以通過判斷傳輸線上反射值情況來確定故障點在傳輸線上的位置，從而實現(xiàn)電纜故障定位。

具體測試方法是：在矢網(wǎng)中設(shè)置測試頻率，選擇反射測量參數(shù)S11，進行單端口校準(zhǔn)，然后打開時域功能完成頻域到時域的轉(zhuǎn)換，矢網(wǎng)Port1測試端接上被測傳輸線，并開放被測電纜另一端，此時顯示的結(jié)果就是被測件時域分析的結(jié)果。

圖2是矢網(wǎng)配置的同相穩(wěn)幅電纜的時域測試結(jié)果，圖中橫軸表示傳輸時間，縱軸顯示矢網(wǎng)測試端面1端口的反射參量并以回波損耗形式表示。測試曲線上從左至右第1個峰值處所指示位置是輸入連接器（包括轉(zhuǎn)接器）處的反射即近端反射，第2個峰值光標(biāo)Marker1所指示位置是遠端反射即電纜輸出連接器的反射，兩峰值之間的一段是由電纜本身制造公差引起的分布反射[4]。第1個峰值處t=0s，第2個峰值（Marker1）處 t=5.435 ns，換算到距離為c·t=1.63 m，則該被測電纜電長度為c·t/2=0.815 m。

圖2 同相穩(wěn)幅電纜的測試結(jié)果

圖3 是某普通故障電纜時域測試結(jié)果，Marker2指示電纜被測端面，Marker1指示電纜開放端，中間分布反射段出現(xiàn)一個較大峰值Marker4，該位置處回波損耗較大，表明電纜在此處存在故障點。該電纜有效介電常數(shù)取1.52，經(jīng)計算，故障點位置在距離測試端面的機械距離

圖3 故障電纜的測試結(jié)果

再對圖2和圖3中分布反射的大小進行對比，圖2中大部分分布反射值位于-60 dB以下，換算至反射系數(shù)，Γh（t）≤0.001；而圖3中除故障點之外，大部分分布反射位于-40 dB以下，則Γh（t）≤0.01。再者，圖2測試端面處回波損耗大約-34 dB，圖3測試端面處回波損耗-24 dB，說明同向穩(wěn)幅電纜接頭處匹配情況好于普通電纜。通過上述比較，可得圖2電纜性能要明顯優(yōu)于圖3電纜。

2.2 矢網(wǎng)時域功能測試注意事項

矢網(wǎng)的時域功能有兩種測量模式，一種是低通模式，另一種是帶通模式，兩種模式的主要區(qū)別源于頻域采樣及變換參數(shù)的不同。所以矢網(wǎng)頻域測量參數(shù)如起始終止頻率、測量點數(shù)的選擇與時域變換模式及時域測試范圍等有直接的關(guān)系。

矢網(wǎng)根據(jù)型號不同測量范圍也不同，每臺設(shè)備都具有最小頻率fmin和最大頻率fmax。進行頻域測試前需要對掃頻范圍和測試點數(shù)進行設(shè)置，掃頻范圍是從起始頻率fstart至終止頻率fstop，測量點數(shù)為M，設(shè)置這3個參數(shù)后就決定了矢網(wǎng)是以fstep為步長進行頻率掃描，且滿足：。對低通模式，第1個頻率采樣位于 f0=0，第 2 個位于，如果 f1＜fmin，則將在0～fmin之間通過插值法增補K個頻率采樣，然后再向頻率軸負向進行鏡像擴展，時域變換的分辨率由頻譜周期決定時域周期由頻域采樣步長決定對于帶通模式，只需要有恒定步長的頻率網(wǎng)格，第1個頻率采樣位于最后一個頻率采樣位于fstop，帶通模式的時域周期與低通模式一致，而時間分辨率為：對比二者可見，相同條件下帶通模式的時間分辨率比低通模式降低一倍。為了提高時間分辨率，通常使用低通模式，并且選擇盡可能高的終止頻率。帶通模式主要針對窄帶被測件，窄帶器件在其中心頻率周圍有限范圍內(nèi)有響應(yīng)，要想得到有用的時域結(jié)果必須將頻率采樣置于被測件的通帶。

3 矢網(wǎng)時域測試誤差來源分析

從矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀時域測試實現(xiàn)過程可以大致分析傳輸線距離測試中的誤差來源。第1是網(wǎng)絡(luò)分析儀端口與被測件端口s失配引入的誤差；第2是接頭連接重復(fù)性引入的誤差；第3是電纜的材料決定了其有效介電常數(shù)，材料的一致性導(dǎo)致了介電常數(shù)的差異，所以有效介電常數(shù)的選取也會引入誤差；第4是光標(biāo)讀數(shù)引入的誤差[6-7]。

4 結(jié)束語

本文從矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀時域功能工作原理展開，闡述了矢網(wǎng)時域分析的實現(xiàn)過程，對同軸電纜進行時域分析，直觀地呈現(xiàn)了它在電長度測試、電纜性能判定、電纜故障定位等方面的應(yīng)用，并就時域分析中距離測試的誤差來源進行了大致分析。

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