網(wǎng)絡(luò)分析儀在無線電通信導(dǎo)航設(shè)備維護(hù)測試中的應(yīng)用分析

趙志軍

摘 要：通信、導(dǎo)航、雷達(dá)設(shè)備的各部分電路器件頻率特性不同，所以，對相應(yīng)電路參數(shù)指標(biāo)的分析方法也不一樣。總體而言，低頻部分可以按照集總電路的特性來測試和分析其電壓、電流、電阻、電抗等指標(biāo)；而射頻電路具有分布參數(shù)特性，對其的測試和分析可以使用網(wǎng)絡(luò)分析儀。簡要分析了使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量、分析S參數(shù)和射頻電路網(wǎng)絡(luò)的原因，以期為日后的相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)分析儀；分布參數(shù)；射頻網(wǎng)絡(luò)；S參數(shù)

中圖分類號：TM935 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.18.088

無線電通信、導(dǎo)航、雷達(dá)設(shè)備是以不同的工作方式實(shí)現(xiàn)無線電的發(fā)射、接收，信息加載和提取的射頻電路系統(tǒng)。現(xiàn)階段，網(wǎng)絡(luò)分析儀（以下簡稱“網(wǎng)分”）作為一種功能強(qiáng)大、精度絕佳的儀器，在這些設(shè)備安裝、調(diào)試和維護(hù)檢查工作中被普遍使用。

為什么使用網(wǎng)分能方便地完成測試工作？怎樣才能用好它呢？回答類似問題需要充分理解射頻電路的特性和S參數(shù)的概念，并在此基礎(chǔ)上充分利用網(wǎng)絡(luò)分析儀，以便更好地完成工作。

1 電路測量分析方法

VHF、導(dǎo)航、雷達(dá)設(shè)備的原理與電路組織方式不同，但其作為無線電設(shè)備，本質(zhì)都是接收或發(fā)射射頻電波。VHF設(shè)的備頻段在118～136 MHz，類似ILS的主要導(dǎo)航設(shè)備航向信標(biāo)頻段在108～112 MHz，下滑信標(biāo)頻段在328～332 MHz，DVOR頻段在112～118 MHz，DME工作頻段在962～1 215 MHz，雷達(dá)設(shè)備工作在特高頻和超高頻段。無論哪一種頻段的無線電設(shè)備，都是由不同的電路單元或板件組成的。例如，設(shè)備中的電源模塊、功放模塊或者是天線、饋線、射頻收發(fā)單元都是設(shè)備中功能和特性不同的電路單元。

1.1 低頻電路器件的分析方法

對于設(shè)備中的某些電路（例如電源單元、低頻組件等）或器件，可以通過測量電壓、電流、電阻或者電容、電感來分析。這些電路中通過的信號通常為低頻信號，例如電源中為50 Hz或直流，即便是千赫茲的信號，一個(gè)波長也在幾十千米以上。相對而言，以厘米計(jì)的單個(gè)元器件甚至是十幾厘米的電路板件與元件間導(dǎo)線的尺寸相比，信號波長可以忽略不計(jì)，可以認(rèn)為電路參數(shù)，比如阻抗、感抗、容抗都集中在元件內(nèi)部的各點(diǎn)上，并且每點(diǎn)元件上的信號傳遞是瞬時(shí)完成的，與空間尺寸無關(guān)。

當(dāng)電路的實(shí)際尺寸遠(yuǎn)小于電路工作的波長時(shí)，電路上所有的電磁過程都集中在元件內(nèi)部進(jìn)行，而元件外部不存在任何電磁場。這時(shí)，進(jìn)入兩端元件的電流和流出的電流相等，且兩端之間的電壓值為單值。因此，元件端電壓和流過的電流可以明確定義，而且整個(gè)電路由常規(guī)的電壓、電流定律（基爾霍夫定律）確定電壓、電流關(guān)系。這類電路稱為集總電路，回路上器件的基本特征為消耗能量的電阻、形成靜態(tài)電場電容和產(chǎn)生電磁能量的電感。顯然上述的電路參數(shù)可以根據(jù)需要方便地測量出。

1.2 射頻電路器件的分析方法

VHF、導(dǎo)航、雷達(dá)設(shè)備的射頻電路和射頻器件、射頻饋線是另外一種完全不同的情況，元器件或電纜的電尺寸相對于信號波長而言是不能忽略的。這是因?yàn)楫?dāng)電尺寸大到一定時(shí)，同一時(shí)刻器件上相鄰兩點(diǎn)通過的射頻信號的電流和電位會(huì)有差別。

設(shè)V為無線電波的傳播速度，它接近于300 000 km/s，f為頻率，那么，一個(gè)波長為：

λ=V/f. （1）

如果設(shè)備某射頻器件的物理尺寸為L，則 L和λ的相對關(guān)系為：

k=L/λ=LV/f. （2）

當(dāng)物理尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一個(gè)波長時(shí)，即k<1，該結(jié)構(gòu)是電小尺寸；反之，則是電大尺寸。在實(shí)際工作中，必須考慮這一指標(biāo)，它決定了電路和器件是否具有分布參數(shù)特性。

例如VHF通信設(shè)備、全向信標(biāo)設(shè)備和ILS設(shè)備，它們的射頻信號波長為1～3 m，設(shè)備系統(tǒng)中饋線的尺寸通常是接近或大于這個(gè)長度的，而類似甚高頻中的腔體濾波器、DVOR的邊帶分配組件和ILS的天線信號分配網(wǎng)絡(luò)等部件的尺寸也是可以與波長相比擬的。以常見的同軸電纜為例，如果能夠測量其流過的電壓和電流，則可以設(shè)想設(shè)備工作時(shí)，射頻以波的形式傳遞，在同一時(shí)刻電纜上一個(gè)波長尺寸內(nèi)不同位置，波幅顯然是不同的；在不同時(shí)刻，同一位置的波幅也是變化的。由此可見，在射頻電路和器件上，信號既是時(shí)間的函數(shù)，又是空間的函數(shù)。設(shè)備中多數(shù)射頻器件和電纜都用作射頻能量的傳輸，可以將其看作是均勻傳輸線，需要以分布參數(shù)電路來分析。

對于傳輸能量的分布電路，可以采用電磁場理論嚴(yán)格、精準(zhǔn)分析，但是，由于求解電磁場方程很困難，所以，可以建立等效電路將均勻傳輸線看作無窮多的小長度元的級聯(lián)，將單個(gè)足夠小的長度元看作集總參數(shù)電路，并用基爾霍夫定律分析，采用無窮多的無窮小單元長度的概念在數(shù)學(xué)上列出偏微分方程組求解。這樣，就將電磁場的分析轉(zhuǎn)變?yōu)槁返姆治觥?/p>

2 端口網(wǎng)絡(luò)和S參數(shù)

設(shè)備中的電路可以用網(wǎng)絡(luò)概念來考察，這時(shí)無需知道網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，而只要知道網(wǎng)絡(luò)端口的電壓、電流和阻抗等參數(shù)。比如前面的設(shè)備低頻電路器件可以看作二端口網(wǎng)絡(luò)用y，z參數(shù)考察。在高頻的網(wǎng)絡(luò)中測量等效電壓、電等效流和相關(guān)的導(dǎo)納y參數(shù)、阻抗參數(shù)是很困難的，而S參數(shù)作為與功率相關(guān)的參數(shù)，可以方便地在射頻網(wǎng)絡(luò)中測量，并完整地反映入射波與反射波之間的關(guān)系。

S參數(shù)又叫散射參數(shù)，在電子系統(tǒng)中，有2個(gè)分量——入射和反射波。通信導(dǎo)航設(shè)備中的射頻電纜、濾波器可以看作是二端口網(wǎng)絡(luò)，天線可以看作是單端口網(wǎng)絡(luò)，其他的器件，比如環(huán)流器、功率分配器，也可以看作不同端口的網(wǎng)絡(luò)。S參數(shù)是一組各端口在不同匹配情況下反映入射與反射之間關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。S參數(shù)可以使用網(wǎng)絡(luò)分析儀直接測量得到，用來分析射頻網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)指標(biāo)，比如阻抗、駐波比等。這也是將網(wǎng)分應(yīng)用于射頻電路和器件中的主要原因之一。

〔編輯：白潔〕