設計師和制造商通過網(wǎng)絡分析過程，對復雜系統(tǒng)內部的元器件和電路進行電氣性能測量。當這些系統(tǒng)傳送含有信息內容的信號時，我們最關心的是如何最高效地將信號從一個點傳送到另一個點， 并且確保失真最小?矢量網(wǎng)絡分析儀通過測量元器件對掃頻和掃功率測試信號的幅度和相位的影響，精確表征這些元器件的特性。在本應用指南中，我們將回顧矢量網(wǎng)絡分析儀的原理和傳輸線理論。討論的內容包括可以測量的常用參數(shù)， 例如散射參數(shù)(S參數(shù))的概念。另外還回顧了傳輸線和史密斯圓圖等射頻基礎知識。

通信系統(tǒng)中的測量

任何通信系統(tǒng)都必須考慮到信號失真的影響。雖然我們通常認為失真是由非線性效應 引起的(例如從有用的載波信號產(chǎn)生的互調產(chǎn)物)，不過純線性系統(tǒng)也會引入信號失真。信號在經(jīng)過線性系統(tǒng)時，線性系統(tǒng)可能會改變信號頻譜分量的幅度或相位關系，從而改變信號的時間波形。

線性和非線性的區(qū)別

1.線性linear，指量與量之間按比例、 成直線的關系，在數(shù)學上可以理解為一階導數(shù)為常數(shù)的函數(shù);非線性non-linear則指不按比例、 不成直線的關系，一階導數(shù)不為常數(shù)。

2.線性的可以認為是1次曲線，比如y=ax+b，即成一條直線。非線性的可以認為是2次以上的曲線，比如y=ax^2+bx+C，(X^2是x的2次方)，即不為直線的即可。

3. 兩個變量之間的關系是一次函數(shù)關系的 ---圖象是直線，這樣的兩個變量之間的關系就是“線性關系”;如果不是一次函數(shù)關系的--圖象不是直線，就是非線性關系。

4.“線性”與“非線性”，常用于區(qū)別函數(shù)y=f(x)對自變量x的依賴關系。線性函數(shù)即一次函數(shù)，其圖像為一條直線。其它函數(shù)則為非線性函數(shù)，其圖像不是直線。

線性，指量與量之間按比例、成直線的關系，在空間和時間上代表規(guī)則和光滑的運動;而非線性則指不按比例、不成直線的關系，代表不規(guī)則的運動和突變。

線性器件會改變輸入信號的幅度和相位

圖 1. 線性和非線性的區(qū)別和對比

進入輸入端的正弦波會再次出現(xiàn)在輸出端， 頻率保持不變。在這個過程中不會產(chǎn)生新的信號。有源和無源非線性器件都可能使輸入信號發(fā)生頻移，或增添其他頻率分量，例如諧波和雜散信號。大輸入信號會驅動正常情況下呈線性工作的器件進入壓縮或飽和區(qū)域，表現(xiàn)出非線性特性。

為了實現(xiàn)無失真的線性傳輸，被測器件 (DUT) 的幅度響應必須平坦，而相位響應在所需帶寬上必須呈線性。例如，假設一個包含很大高頻分量的方波信號通過一個帶通濾波器， 該濾波器會讓選定頻率通過且衰減極小，而對通帶之外的頻率施加不同程度的衰減。即使濾波器擁有線性相位性能，但方波的帶外分量還是會發(fā)生衰減，從而使本例中的輸出信號在本質上更接近正弦曲線(圖 2)。

如果同一個方波輸入信號通過另一個濾波器，且該濾波器僅反轉三次諧波的相位，而不改變諧波幅度，那么輸出信號在本質上將更像是脈沖波形(圖 3)。盡管本例中的濾波器就是這種情況，不過取決于幅度和相位的非線性特性，輸出波形通常總會出現(xiàn)一定的失真。

不同頻率下的幅度變化 vs 不同頻率下的相位變化

圖 2. 不同頻率下的幅度變化

圖 3. 不同頻率下的相位變化

非線性網(wǎng)絡

飽和、交叉、互調和其他非線性效應可能會造成信號失真。

圖 4. 非線性引起的失真

非線性引起的失真

非線性器件也會帶來失真(圖 4)。例如，如果對放大器施加的激勵過大，那么放大器會達到飽和狀態(tài)，使輸出信號發(fā)生削波。輸出信號不再是單純的正弦波，在輸入頻率的倍頻處會出現(xiàn)諧波。無源器件也可能在大功率電平下表現(xiàn)出非線性特性，使用磁芯電感器的 L-C 濾波器就是一個典型的例子。磁性材料通常呈現(xiàn)高度非線性的滯后效應。

功率的有效傳輸是通信系統(tǒng)中的另一個基本問題。為了有效地傳輸、發(fā)射或接收射頻功率， 傳輸線、天線和放大器等器件的阻抗必須與信號源匹配。當兩個相連器件之間的輸入和輸出阻抗的實部和虛部不理想時，就會發(fā)生阻抗失配。

為什么要矢量測量?矢量測量的重要性

測量信號分量的幅度和相位非常重要，原因有幾個。

首先，要想全面表征線性網(wǎng)絡并確保無失真的傳輸，必須要進行這兩項測量。為了設計有效的匹配網(wǎng)絡，必須測量復阻抗。工程師在為計算機輔助工程 (CAE) 電路仿真程序開發(fā)模型時，需要幅度和相位數(shù)據(jù)才能 建立精確的模型。

此外，時域表征需要幅度和相位信息，以便執(zhí)行傅立葉逆變換。矢量誤差校正通過消除測量 系統(tǒng)固有誤差的影響，可以提高測量精度，但它也需要幅度和相位數(shù)據(jù)來建立有效的誤差 模型。為了達到高精度，甚至是在標量測量(例如回波損耗)中，相位測量功能也非常重要。