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KC901H射频万用表开发回顾

KC901是科创仪表局作品。在2012年3月~4月进行了试用版的制造,在2012年6月~7月进行了第一次放量生产。

2010年暑期举行的第2届科创年会拍板要为爱好者和创业者研制仪器,组建科创仪表局。随后开展电子仪器的预研工作,主要着眼于射频仪器。KC901于2011年5月正式立项,2012年8月10日中试完成。

最初计划2011年8月定型,结果先推到10月,又推12月,最后因为主要开发人员撂下摊子自立门户而彻底流产,方案随后就被完全否定。科创仪表局并未因为个别参与者的背信弃义而放弃研发,决定完全重新开始。伴随着新的开始的,是根本改进爱好者的研发组织模式,采用更合理的研发流程和人事制度。由成都局拨款28万元,抽调有经验的射频工程师、硬件工程师和软件工程师,于2012年1月成立攻关小组,全封闭开发,在2012年4月推出试用版(KC901AT)并投放市场。

资料图:2012年3月14日凌晨2点,科创第三实验室,彭平正在调试KC901AT的程序

2012-03-14

试用版推出以后,攻关小组留下部分人员组成改进定型团队。最初希望推出一个复杂得多的型号KC901A,在研制1个月以后认为任务难度过大,在适当降低难度以后,用4个月时间改进推出了KC901H(203版本)。随后的半年时间里,研发团队又进行了多次改进,得到了定型版本(223版本)。定型版本的硬件是在2012年12月21日通过评审的,2013年初即投放市场,而软件则在2013年4月30才通过评审,这就是现在我们见到的KC901H。对于在软件定型之前购买的创客,提供了免费的升级服务。

KC901H设计定型过程中有许多体会,在这里分享出来,想必对于有开发产品想法的朋友具有借鉴价值。

一、谋定而后动

修一幢大楼,区别专业和业余工程师的方法:专业工程师是从建筑图开始,到整栋楼的结构图,到每层楼的图纸,然后开始施工。业余工程师是:先打地基,然后修一楼,然后修二楼……想修到15楼,但是发现地基只能承受6楼,而这时都还不知道整栋楼修好以后是什么样子。被放弃的901A的开发,犯过这个错误。

资料图:2012年3月21日,第三实验室,马琳正在试制驻波电桥(视频截图)

2012-03-21

很多朋友喜欢从一个小的部分开始,慢慢堆积成一个作品,这也许正是爱好的乐趣所在。2011年成都局也用这个方法,抽调了爱好者来担任开发主力,靠开发者的兴趣堆积成产品——但是坚持了原则:产品能否推出,必须用专业的标准来评价。结果可想而知,不但通不过评价,还每每因为“高要求”和个别爱好者的不良开发习气之间的矛盾而导致争执、忌恨,最终不欢而散。

对于901H的后续产品,现在仪表局要求用超过一半的时间来做方案研究,详细到每一个工作步骤,每一个需要用到的公式。确定指标和预研的时间要占三分之一以上,推敲硬件框图的时间一定比画电路图的时间长,程序的流程图一定比程序本身更壮观。画电路图、编程序,只是在整个方案完成以后的具体实施工作。一个好方案的标准:找一帮专科生来实施,与找一帮博士来实施,效果应该区别不大。

上面只是讲到了技术方面的谋定。在商业方面,爱好者习惯于从小到大慢慢堆积。而商业方法通常是调研市场,做出概念设计,预估总的项目规模,一次性足量投资,迅速做出期望水平的产品,随后多年回本得利。这种区别也是值得思考的。

二、理论没有问题,实践才可能不出问题

许多时候,我们习惯把实践经验放到最重要的位置上。如果没有经验,就要赶紧去实践。这种方法是艺术创作(或创意)的方法,而不是设计一个产品的方法。就是艺术创作,如果没有理论指导,那么除了少数天才,多数也难有建树。

资料图:2012年3月29日,第三实验室,马琳、高扬正在进行装配(视频截图)。经过两个月奋战,实验室已经乱得不成样子了。

2012-03-29

科技作品更是这样,我没有更多的生动例子来解释,只能简单归纳如下:一个作品上的绝大多数东西,一定是算出来的,而不是想象出来的——甚至包括外观。

对于仪器作品,他的误差是如何传递的,各占多少权重,总的不确定度表达式如何构建,哪里是控制误差的关键,这些也需要依据相关理论严格计算。对于矢量仪器,一套校准方法就可以写一篇博士论文,研究到最后就是做理论,这些工作没有问题了,才能付诸实践。

缺乏理论的实践,就会出现“高烧”症状:用了发烧级的材料,却创造出了山寨级的效果。

三、重视工艺设计,严格选择供应商

一个作品如果要批量制造,不可能永远靠爱好者自己动手做。在目前国内工艺配套很落后的情况下,工艺设计就是保证成品率和质量的关键。由于爱好者的作品产量往往不大,与供应商谈判比较困难,这就更需要花大力气加以选择,否则就会出现这第一批901H所遇到的问题。

原来901AT是在航天部某厂手工焊接的,因为焊点金脆,调试的时候又重焊了一部分元件,按照工艺标准这已经算次品了。但是901AT的返修率仍然低于第一批901H。第一批901H相信了熟人,由一个从厂长到小工都是爱好者的装联厂做机器帖片,无引脚封装芯片次品率100%,阻容元件大约1%。901H有4千多个焊点,从中找出不良无异于 大 海捞针。为了节约时间,只有不论好坏首先吹下所有芯片手工重焊。因为工艺问题导致的报废和人力投入,使第一批901H生产增加投入4万余元。

采购器件一定要找授权代理商,除非是自己DIY很少数量,一般不要随便在网上买,尤其不能图便宜。网上有便宜的店,买到的东西就我看来假货、次品是很多的,有些东西甚至没有真货。在试产的时候,有一盘“韩国三星”的帖片电容是淘宝上订的,拜这盘电容所赐,烧掉了两块单片机,几个射频芯片。电源做高压测试,在加压到40V的时候(901H设计最高电压32V),爆过耐压50V的电容。标X7R的电容,让高低温测试无法通过。买到的“全新”光耦,引脚没有活性。而在本地正规代理商处拿到的器件,则暂未出过问题。需要说明,本地电子市场摊位订的器件,质量连淘宝都不如。现在,许多有实力的供应商也开设了网店,的确便捷了许多,但仍要注意鉴别。

四、抓住核心,别东张西望

美国人做东西有个特点:花哨功能不要,稳定可靠的功能才推出,凡是有的功能就一定很扎实。

偶认为这是一个好习惯。最早901是做加法,想到什么好玩的功能就琢磨怎么加上,结果影响了效率,还不稳定。有些功能虽然稳定,但是会增加使用中出错的可能,让人觉得很晕。后来开始做减法,实用性不好的,不那么关键的,还没有搞成熟的,就逐步减去。再后来,由于爱好者对功能的诉求很多,而专业用户要求越简单越好,在程序上就产生了区别。当然,现在我们定位于射频万用表,对于经过试验有实用性的功能已经逐步增加,专业版和爱好者版本已经基本统一。

KC901H是迄今为止最牛的爱好者仪器,同时也是深受专业用户欢迎的普及型仪器。在科创的仪器事业刚刚起步、风雨飘摇的时候,它在无线电和电子爱好者疑惑但充满期待的目光中诞生,在没有进行任何商业宣传的情况下,奇迹般的获得了成功。

感谢这些为KC901H奋斗过的开发者:
项目主任:刘虎
射频工程师:潘世军
硬件工程师:马琳
软件工程师:彭平、李刚、吴涛
工艺工程师:袁心治
结构工程师:刘文凯

KC901H也是国内第一个采用了众筹方式的仪器项目。当时,众筹概念刚刚引入,还没有专业的平台,刘虎在科创论坛、哈罗CQ社区采用论坛人工操作,筹资5万余元,有力的补充了研发资金。两大社区的网友进行了大量讨论,提供了优秀的建议,使得KC901H能够精准满足实际需求。

软硬件定型以后,用户和广大爱好者提出了百余条改进意见,发现了少量不影响使用的软件BUG。居住在广州的吴国光(BA7IA)老师、居住在北京的周爱民(BD1RZ)、台北的萧律谦(BX2ADJ)老师等还专门撰文详细分析了改进要点。根据改进计划,在2013年下半年以少量人力进行了完善,主要集中在内部增益配置(软件)和增强电路稳定性(硬件)方面,使用者主观感觉变化不大。2014年下半年将进行重大改进,并对一年以来单独试验可行的硬件改进建议进行整理实施。

KC901H射频万用表订购办法(已停产)

试用,退换服务政策

KC901H支持7天试用,运输费用由顾客承担。
因产品瑕疵等问题,一个月内免费更换,运输费用由供应商承担。

图:一个标准包装

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保修服务

保修期从客户签收之日或发货后第7天起计算。
主机保修期限:1年,可以购买2年的延保。
以下不属于免费保修范围:肩带;旋钮;外壳(含显示屏)划伤等损坏;包装;用户手册。
以下保修期限为6个月:拨轮的编码器;主机上的射频接插件;充电器;主机上的电源插座。
人为损坏(含坠落、强信号冲击等)不属于免费保修范围。拆卸机壳将失去控制组件的免费保修权利;拆卸射频屏蔽将失去全部免费保修权利。
选配附件的保修期限以公布为准;接插件、负载、衰减器等易耗品不属于保修范围。
保修的运输费用,客户和本社各自担负发货的运费;中国(含港澳台)以外地区,本社只承担国内部分的运费。特殊情况、EMS无法寄递的偏远地方另议。保修的时间因情况不同而异,一般在签收设备后十个工作日发出。

有偿维修服务

保修期截止之后本社继续提供维修服务。
维修流程如下:
1、联系本社,然后将设备发货。
2、本社对设备进行检测,出具维修方案和维修报价。
3、客户确认是否进行维修,如果进行修理,需在发货前支付费用。如果不修理,将设备退还客户。
维修的来回运费由客户承担。

订购方法

已停产。(2015年4月30日)
部分停止支持。(序列号203,213字头的设备已于2017年12月31日终止支持,223字头的设备服务至2018年6月30日)
替代产品:KC901S+ 射频万用表

服务终结以后,维修服务的可能性将受限于备件的储备和熟悉该设备的维修人员的工作状态,技术咨询类服务将不再受理。

KC901H射频万用表技术规范书

本技术规格对应2013年定型的V2.5.1版本硬件和V2.8.3版本软件,更新于2014年3月5日。未注明的项目为保证值(99%),注明典型值的项目,是指在多数情况下非常接近于该值(70%),另有说明的除外。

图:标准包装内包含的物品(界面为英文,用户手册英文、中文可选)

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频率范围:

传输测试 100KHz……3GHz(允许使用0…100kHz)
反射测试 1.5MHz……3GHz(允许使用0…1.5MHz)

最大输出电平:
+10dBm(1MHz——1GHz,有稳幅措施,+7dBm典型值)
+ 0dBm(1——3GHz)

输入灵敏度:
优于-107dBm或1μV(50KHz——1GHz,144/435MHz典型值-115dBm或0.3μV)
优于-87dBm或10μV(1——2.2GHz)

损坏电平:
所有射频端口DC25V,+20dBm

S21测试范围(典型值):
110dB(1MHz——1GHz,在100KHz处约60dB,在435MHz处约120dB)
100dB(1——2GHz),80dB(2——2.5GHz)

分辨力:
全锁相环频率合成
最小频率步距:1Hz
电平分辨率:0.1dB
中频分析带宽:7.5KHz
扫描速度约1秒(440点)

不确定度(典型值,@25℃,电池电压≥7.5V):
±1.5dB(频谱测试,REF=20dBm时),±3dB(频谱,场强模式电平测试)
±(1+0.05L)dB(S21测试,直通校准后,插损L≤60dB时)
+2dB,-3dB*(loss,简易校准,25MHz≤f≤1GHz,6dB≤RL≤18dB时)
*不予保证。

内置电桥定向性(典型值,约80%区间优于该值):
18dB(3MHz——10MHz,1.2GHz——2.2GHz)
25dB(10MHz——1.2GHz),16dB(2.2GHz——3GHz)

频率稳定度:
采用温度补偿晶体振荡器,出厂时已进行硬件校准。
±1ppm/year@25℃
±0.5ppm(典型值)

电源电压:
宽电压范围11.5V……32V(充电);7.2……8.4V(电池)
宽电压范围110V……230V,50/60Hz(充电器输入)

电池续航时间(典型值,@25℃):
3小时(频谱、场强测试);1小时(S21或S11测试)
20小时(STOP状态,显示屏亮度BL=1)

温湿度范围:
0……45℃(正常温度范围)
10%……90%R.H.,无凝结

外形尺寸:
230×113×46mm(长×宽×厚)

质量(包括电池):
主机净质量:小于1.5kg
包装总质量:约2.0kg

KC901H网络分析型射频万用表概况

正如“万用表”这个称号,KC901H是一款在多种射频测试场合都能派上用场的全能型仪器,也是世界上第一款“射频万用表”。KC901H的主体功能是标量网络分析,在此基础上扩展出频谱和场强功能,同时还可以输出CW信号。万用表人人可用,同样,KC901H也是一款亲民的仪器。设计中缩减了外观等部分的投入,在电路部分却不惜成本,不但增加了仪器的实用性,还让人人可以承受的价格成为可能。在同类仪器中,KC901H是首款,也是目前唯一一款售价低于万元的产品,但是它的性能和质量丝毫不亚于国内外同类产品。

图:KC901H的外观

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◆主要特点*
高达3GHz的频率范围
全频域1Hz的频率步进
110dB超大动态范围
内置高性能驻波电桥

◆主要功能
传输测试(幅频特性,调试双工器、滤波器,测试放大器,检验天线方向性)
反射测试(驻波比,用于检查天馈系统质量。采用跟踪接收机,非常强的抗干扰能力)
频谱显示、场强观测、点频输出**(用于判断电台性能,调试射频电路,查找干扰源)

◆推荐应用
KC901H几乎囊括了所有现场射频测试项目。主要用于调试各种射频器件,例如滤波器、放大器、分路器、合路器,测试天线的驻波和馈线的插损。增加适当的外置衰减器,可调试发射机、接收机的射频回路。在大多数频段,还可进行场强测量、干扰查找***、电缆故障查找和速度因子测量。

图:火箭爱好者通过定向天线查找信标(内蒙古通辽,YT-4火箭发射试验,本照片实际是在定位迷路但携带有对讲机的人员)

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在专业通信工程、广播电视发射台维护等方面,KC901H常被用来测量天线驻波,检查馈线和调试滤波器,当然也用来探测场强,评估覆盖范围。对于无线电爱好者来说应用场景更是一言难尽,爱好者们依靠KC901H的基本功能,巧妙的发挥出许多实用的使用方法。例如,接上探针以后可以检测射频电路的各部分,接上定向天线可以查找骚扰信号的来源。随着KC901H在无线电爱好者中的普及,许多朋友第一次体验定量、客观的测试过程,真正感受到仪器分析对于提升DIY品质和效率的重要性。

*以技术规格书为准;**非正式功能;***不能直接用于900MHz移动通信干扰查找,类似用途需前置带通滤波器。

生产状态

已停产(2015年4月30日)
部分停止服务(序列号203,213字头的设备已于2017年12月31日停止服务,223字头的设备服务至2018年6月30日)
替代产品:KC901S+ 射频万用表

服务终结以后,维修服务的可能性将受限于备件的储备和熟悉该设备的维修人员的工作状态,技术咨询类服务将不再受理。

无线电爱好者常用天分、标网、矢网、扫频仪的异同

随着无线电爱好活动的发展,HAM(无线电爱好者)遇到射频仪器的机会也多了起来,其中有一些看起来具有相似的用途。正确认识这些仪器有各什么特点,适合用在哪些地方,有助于合理的配置仪器,提高DIY效率,同时也能节约预算。这里就网络分析仪器的基本概念做一个简单介绍,希望对大家有帮助。

定向电桥是一种射频网络,通俗而言,是一种能够区分射频信号流动方向的装置。一般情况下,射频信号从信号源(比如发射机)传输到负载(比如天线),叫做入射。如果负载不匹配,就会反射一部分信号,使它送回到信号源,简称为反射。定向电桥能够把这两种不同方向的射频信号分别提取出一部分来。理论上,正向电桥提取正向传输的信号,不会提取反向的信号。反之,反向电桥只提取反向传输的信号,不会提取正向信号。在提取的过程中,不会丢失信号的相位信息,也能够以确切的数学关系忠实的反映信号的幅度。对于阻抗确定的传输系统,知道了幅度也就知道了功率。

电桥是非常有用的装置,有了只提取一个方向信号的能力,只要对提取出来的信号的功率(幅度)和相位进行检测,就能测试传输的功率大小、反射的功率大小,传输和反射之间的相位差别。有了这些信息,就能描述负载的特征。由于定向电桥只能提取一个方向的信号,所以要同时测得上述参数,应该使用两个不同方向安装的电桥串联起来,对它们提取到的信号进行比较。使用两个电桥比较麻烦,在要求不高的情况下,对于正向信号的提取,可以使用更为简单的定向性网络——例如分路器。这种分路器正反特性也是不同的,不过单向性没有定向电桥好。

通常的天线分析仪具有一个端口。这个仪器内部有一个或者两个定向电桥,另外还有一个频率可变的信号发生器,以及用来检测定向电桥提取到的信号的检波器。当把天线分析仪的端口连接到待测的天线上时,分析仪可以对正向信号和反向信号进行比较。如果只进行幅度的比较,可以求得驻波系数、反射系数或回波损耗。如果同时还进行相位的比较,则可以求得天线的阻抗。

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万能框图,天分、标网、矢网都可以从中变化得来

能够同时比较相位和幅度的仪器叫做矢量仪器,只能比较幅度参数的,叫标量仪器。幅度的比较有廉价的方法,相位的比较却比较复杂。对于要求不太高的场合,可以使用商品的相位检波器(如AD8302),但是这种检波器的相位测试范围只有半个周期,换句话说,不能直接得到相位变化的符号,如果希望得到符号,一般需要把参与比较的一路信号(提取出来的正向或反向信号)移相90度再比较一次。这个过程仍然相当麻烦,而且像AD8302这样的器件,测试准确度往往达不到仪器级别的要求。也可以采用二极管方式的鉴相器,这种鉴相器虽然可以涵盖整个周期,但是它的比相输出与输入的幅度有直接关系,必须事先对信号进行稳幅。这也是一个令人头痛的工作。另一种做法,是使用示波器中常见的边沿触发技术,例如上升沿触发技术。当被比较的一个信号以上升沿过零点的时候,计时器被触发,开始计时。当另一个信号的上升沿来到的时候,果断的停止计时。如果已知两个信号的频率,就可以根据时间差准确的计算出相位差。无疑,这个过程在频率很高的时候也是相当困难的。正是这些原因,加上大量减少相位误差的措施和校准软件方面的投入,模拟矢量仪器的价格和只比较幅度的标量仪器相比要高得多。目前矢量仪器已经逐步采用数字处理技术,随着数字芯片价格的降低和算法的改进,矢量仪器最终会普及到普通爱好者手中,这是值得我们期待的。

许多业余爱好者的天线分析仪能够测试阻抗,具备一般需要矢量仪器才能具备的功能。但是他们并没有直接测试信号的相位。这些仪器采用的办法是同时测试正向信号、反向信号、正反向信号的混合信号的幅度,然后建立一个方程组,求解出待测负载的阻抗——因为混合信号的幅度与两个信号的相位差具有关系。其它类似的方法也是可行的,只要能建立有意义的方程组即可。求解方程组,可以得到两个虚部相互对称的根,还需要通过变动频率或者接入电抗元件来判断到底哪一个根是有效的。现在,已经可以用单片机自动的完成这个过程,求得虚部带符号的阻抗了。另一个重要区别是,目前业余爱好者的天线分析仪没有办法修正掉电缆等带来的相位移动,除非频率很低,否则无法得出可信的结论。通过以上分析我们知道,通常见到的业余无线电天线分析仪和专业的矢量天线分析仪具有原理上的区别。

用只有幅度(驻波)测试功能的天线分析仪,可以得到天线的驻波系数。驻波系数对于判断天线的好坏和用修剪、凑试的方法调试天线都具有重要价值。所以,只具有驻波测试功能的天线分析仪(简称驻波表)常用于天线工程施工、天线修剪、天线质量检查等方面,对于绝大多数用途已经足够了。

同时需要注意,仅仅了解天线的驻波,某些情况下会得出错误的结论。比如A天线在100~200MHz的驻波系数为1.5,B天线在相同频段的驻波系数都为2.0。能不能说A天线比B天线好呢?对于工程架设——或者说天线应用来说,当然可以得出这个结论。但是对于天线研发来说,就未必。如果A天线在100~200MHz频带内,阻抗变化很大,其阻抗的矢量绕着50欧转了一个大圈。而B天线的阻抗却几乎不变,那么,对于B天线,只需要稍微进行一点匹配,就能把驻波调整到1.5甚至1.2以下。而对于A天线,无论怎么匹配,都只能把其中某个很窄的频率(例如150~160MHz)的驻波系数调整到1.2以下,而与之背离的某个地方,就会冒到2.0以上…… 显然,B天线更受欢迎。这个例子说明,具备阻抗测试功能的天线分析仪更适合于天线的研发,尤其是宽带天线的研发。业余无线电天线一般都是窄带工作的,阻抗分析优势不一定明显,但是它可以提供有关调试方向的重要参考,通过一些手段,还能测试电感、电容等元件,所以对于爱好者中的骨灰级DIY派来说,具备阻抗显示功能的天线分析仪有重要意义。

在专业领域,还需要测试天线的方向图、极化特性等指标。测试这些指标需要用标准天线和测试接收机在不同的方位接收待测天线发射的信号(或者待测天线在转台上转动)。具备这种功能的仪器当之无愧的叫天线分析仪。当然,网络分析仪经过适当的扩展也可以胜任这项工作。

天线分析仪就是一种网络分析仪。只不过它只适合测试单端口网络(比如一个负载、天线),在测试双端口网络(例如:一个滤波器)或多端口网络时,其它的端口要接上匹配负载,这时它测到的是网络的反射特性。通常说的网络分析仪具备双端口测试能力,可以测试信号通过待测器件(比如滤波器)以后产生的变化。这里同样包括幅度的变化和相位的变化,进一步还有时间的延迟。而幅度、相位、时间延迟与频率都是有关系的。现代网络分析仪能够把它们随频率的变化关系,以幅频特性图、相频特性图等形式展示出来。一些高档网络分析仪还能将它们与待测器件的输入功率之间的关系展现出来,并能显示延迟特性图。

与天线分析仪类似,双端口测试时,幅度的变化、相位的变化可以用幅度检波器、鉴相器等装置加以比较得到。只不过参与比较的不再是正反向信号,而是输入信号和输出信号。

标量网络分析仪可以展现幅频特性。矢量网络分析仪除了展示幅频特性外,还可以展示相频特性。两种网络分析仪要展示延迟特性,从原理而言都需要采取一些措施。不过,矢量网络分析仪只需要对相频特性进行一次微分,并不需要增加硬件,因此高档矢量网络分析仪一般标配了这样的功能,而标量网络分析仪却需要增加产生脉冲或调制信号的硬件,因此很少配有这种功能。

对于一个双端口的待测器件,很多时候我们希望了解两个端口的反射特性,以及该器件正反两个方向的传输特性。用天线分析仪测试反射特性,需要对两个端口各测一次。用传统的网络分析仪测试传输特性时,需要把待测器件颠倒过来再测一次,否则不但测不出两个特性,甚至无法构建校准模型,一个特性也测不出来,而且颠倒端口可能还会带来新的误差。有没有网络分析仪可以一次性把两个端口的反射、传输特性,共四个特性测出来呢?当然有,而且现在已经成为矢量网络分析仪的主流。目前商品的矢量网络分析仪,两个端口内部各配置有两个定向耦合器,只需切换一下信号源连接的端口即可调换方向,两步测出四个特性。大体上只有一些手持式的矢网需要人工调换器件方向了。而标量网络分析仪却几乎没有能够自动调换的。除了上面说到的两端口网络分析仪,随着射频技术的进步,端口数更多的网络分析仪也变得常用起来。

前面说到天线分析仪就是一种网络分析仪。如果我们把具备测试反射和传输两种信号流程特性的网络分析仪称作“标准的网络分析仪”的话,天线分析仪相当于半台标准的网络分析仪;相对于能自动调换方向的网络分析仪而言,天线分析仪就相当于四分之一台了。有些网络分析仪不具备定向电桥,只能测试器件的传输特性。如果要测试反射特性,就需要外置定向电桥。这种网络分析仪,也可以算半台标准的网络分析仪。带跟踪源的频谱仪就是这种情况,并且多数只具备标量测试功能。

图:用矢量网络分析仪测一台信号源的输出阻抗,此时信号源正在进行扫频工作,可以明显的看到信号源的输出对矢网的干扰(尖峰),事实上阻抗也不正确(圆环状曲线半径变大了)–科创仪表局供图
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不论是标量网络分析仪还是矢量网络分析仪,都有两种不同的类型:直接检波和基于跟踪接收机的中频检波。直接检波方式结构简单,成本低廉,目前的标量网络分析仪还在大量使用,只有高档的标量网络分析仪才采用中频检波。习惯上,采用直接检波的标量网络分析仪又被称作扫频仪。在矢量网络分析仪中,中频检波已经成为标准方式。混频并不会丢失相位信息,同时能够用中频滤波器滤掉信号源的谐波带来的变频产物,仅仅把有用信号提取出来。因此使用中频检波能够大幅度提高网络分析仪的动态范围,降低对信号源纯净度的要求。

再回来看看天线分析仪。采用直接检波的天分有一个严重的弊端:如果待测天线已经架设到开阔的地方,来自空中的电波信号会和反射波一起进入仪器的检波器。如果空中的信号很强,就可能掩盖掉天线本身的反射波。在测试短波天线、宽带天线时,这种现象非常明显,甚至在大多数情况下无法测试。解决该问题的常用办法是提高仪器的输出强度,使反射波的强度远大于天线接收到的信号。一般仪器能达到的输出强度顶多20dBm,实践证明对于架在城市楼顶的宽带短波天线而言,仍然显得太小。这一问题的最终解决,还是得采用中频检波。

带跟踪源的频谱仪是一种典型的采用窄带中频检波的两端口网络分析仪。它的测试原理和采用中频检波的高档标量网络分析仪相比没有特别的不同,如果一定要找出区别,通常体现在这几方面:频谱仪具有性能更好的接收装置,一般来说具有良好的干扰抑制能力和更高的灵敏度;频谱仪的中频滤波器形式与某些标网可能不同,标网可以使用矩形滤波器;频谱仪的跟踪源输出幅度一般来说都很低,而高档标网常常做到10dBm,与接收机增加的动态范围相比,因为跟踪源幅度较小而损失的动态范围往往更多。频谱仪一般不具备混频器测试功能,在曲线的归一校准等方面,功能也没有网络分析仪强大。当然事无绝对,现代仪器的发展方向是面向用户需求提高综合解决手段,具备完善标网功能的频谱仪早已面世;在手持式频谱仪中,可以选配双端口矢网功能的仪器也能买到了。

标量网络分析仪能够满足无线电爱好者的一般需求,例如调试天线、滤波器、双工器、放大器、分路器和检查馈线的损耗等,灵活应用,还能扩展一些用途。矢量网络分析仪能够从相位信息中提取出有用的复阻抗参数,对于匹配放大器的输入输出级、DIY新型天线等多种工作具有更大的指导意义,因此更适合于各种研究开发目的。选择什么样的仪器主要依据测试目的而定,当然与预算也有很大关系。如果您的测试必须了解准确的相位及其衍生数据,就必须选用矢量仪器,同时也就意味着需要增加预算。

本文作者刘虎,发表于《专业无线电通信》杂志,略有编辑

锁相环频率合成器产生调频信号的几种方法

研制某无线电测试仪的信号产生部分时,遇到一个相当麻烦的问题:对于锁相环频率合成器,如何进行调频?

这个问题看起来很简单,因为传统的模拟对讲机都是在锁相环电路中实现了调频,但是仪器对调制指标的要求高得多,需要较宽的调制度调节范围,较好的调制频响以及较快的锁定速度,这三者就产生了矛盾。

另一种方法是对锁相环的输出进行IQ调制,用调相实现调频。这种方法目前条件下需要增加整套数字处理电路,并且调制器外围电路也比较复杂,占用面积太大。如果是设计一个单纯的信号源,这样做没有问题,而且个人觉得比搞模拟电路简单得多。但是对于一个体积和成本限制非常严格的应用,在数字芯片的成本降低之前,我们仍然只能采用传统的方法。

锁相环本身是一个相位反馈环,通俗一点讲,当输出频率偏离预期的时候,马上就会反映为瞬时相位的变化,这个变化被鉴相器发现,立即给VCO一个控制电压,让VCO恢复到正确的频率上去。

调频,是让射频信号的频率随调制信号变化。频率一变,马上打破环路稳定,鉴相器立即会让射频频率变回去。调制器要频率变,锁相环要让频率不变,两家开始打架,调制特性就会恶化。

很自然的会想到方法1:让锁相环对频率变化的响应速度,赶不上调制信号的速度。你控你的,我调我的,我调了你也没办法。

实现该方法,一般是让环路滤波器的带宽很窄,比调制信号的最低频率还低。

例如,调制信号的最低频率是67Hz(一般调频通信机的最低可能频率),把环路滤波器的截止频率设计为60Hz,就基本能够满足要求。

负面效果是锁相环的锁定时间会很长,很长,甚至在许多设计中不能锁定。另外VCO的杂波难以得到有效抑制。对于窄带通信机,这样做完全没有问题。

在上述方法上改进,可以提出方法2:在鉴相器和VCO上同时做文章,把锁相环的相位修正量通过调相的方法“提前抵消”。虽然你出手了,但我挡了。。

实现该方法,一般是在鉴相器注入调制的积分信号,在VCO注入调制信号,称为两点调制。经过数学推导,可以提出工程上的成立条件,严格按该条件设计计算电路参数,可保不死。

这个方法很麻烦,调制电路会引入若干相位噪声,而且调制失真也比较大,调制频率也不能无限低下去。经过改进,可以在鉴相器之前对经过N分频的信号进行调相(由于频率相对来说变动范围较小,所以比较容易实现),实现PLL输出调相。对调制信号进行积分,就能得到调频信号。

经过改进,可以在鉴相器之前对经过N分频的信号进行调相(由于频率变动小,所以比较容易实现),实现PLL输出调相。对调制信号进行积分,就能得到调频信号。

以前各种主流信号源均采用这种方法解决低频调制问题,采用方法一,解决高频调制。其中要求N分频器和鉴相器分立,这需要较大体积,并且现已采用高度集成的PLL芯片,难以做到这一点。

还有没有别的方法呢?锁相环之所以频率准确,完全依赖一个准确的参考时钟,如果在时钟上想办法,也能实现调频。这是方法三。

这个方法十分简单,而且能取得比较好的调制特性——在频偏不太大的时候。如果使用压控温补振荡器,可以把调制直接叠加在控制电压上。

但是仔细一想,这货的频偏,就是发射机的频率误差——它会随着输出频率的不同发生变化。100MHz的时候频偏如果是5K,1GHz的时候就是50K,这就要求调制信号的幅度必须跟随频率线性变化,显然非常麻烦,不过现在有很好的增益控制措施,用CPU加以控制,还是勉强能够把调制频率稳住。对于输出频率变化不大的应用,比如窄带通信机,可以直接采用这种方法。由于通信机频率通常较低,难以达到足够的频偏,所以常常与VCO注入调制相结合,VCO带外的部分依靠直接调制,带内的部分(通常是亚音)并不需要大的调制频偏,则用晶体调制来实现。

这些方法都各有缺陷,能不能在频合器动手脚——比如在分频器上想办法?

别说,上网搜了一下,还真有人这样干过。他们用FPGA来做小数分频器,把调制信号数字化,得到一个若干位二进制数表示的瞬时数字量,经过一些运算(使数字变化的范围与小数分频器匹配),与小数分频器的预置数相加,实现了从直流开始的频率调制。这简直是疯了,如果不是追求特别低频的调制,还不如回头去做数字调制。

最后,我们采用了晶体调制和VCO调制相结合的办法,兼顾了高低频调制,用简单的方法实现了仪器级调频。

下图是用10Hz调制信号调频产生的频谱图

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文/刘虎

浅议驻波测量中的经典误差

用驻波表和简易的天线分析仪测试驻波,到底准不准,这里简单来说一说。

不论是驻波表还是天线分析仪,都要通过适当的单向性器件提取正反向功率来进行比较,根据反向功率与正向功率的比例,用软件的或通过人工查表的方式计算出驻波系数。驻波表等大功率表计一般使用定向耦合器,而天分等小功率表计常用电桥,电桥虽然是用的阻抗平衡原理,但是大多数情况下可以等效为定向耦合器。

那么,误差是从哪里来的呢?

很容易想到,提取正向功率和反向功率必须足够准确,如果存在误差,必须往同一个方向,按照相同的比例偏,才能保证驻波计算结果准确。显然这是难以做到的,始终都会剩余一些无法抵消掉的误差。由于这个误差众所周知,不是我们要研究的重点。

如果用来测试天线,天线会接收空间的无线电信号,这个信号同反射信号一样,也能被反向耦合器提取,从而使测得的反向功率偏大。由于这个误差也是众所周知的,所以这里不做讨论。

一个定向耦合器(或电桥),当它提取正向信号的时候,并不能百分之百的排除掉反向信号。提取反向信号的时候,也不能百分之百的排除正向信号。这个排除不干净的信号,叫做泄漏,或者定向性误差。

通常正向信号比较大,如果被测器件的反射只有入射功率的百分之一,或者电压为十分之一,那么即使正向耦合器泄漏了它的一半到正向耦合信号中去,对于正向耦合信号的影响比例都很小。

对于反向耦合器,问题就比较严重了。本来通过耦合器的正向信号就很大,如果只泄漏百分之一,也会比反向信号的全部还大。

为了能够检测到很小的驻波,必须要求反向耦合器的泄漏足够小。这就要求耦合器或者电桥的单向性足够好。通常,为了测到1.1的驻波,要求单向性至少为30dB。对于直接检波的电桥,做到这个指标并不难。

是不是单向性达到了30dB就能够准确测试1.1的驻波呢?答案仍然十分抱歉。

当电桥的单向性与驻波(回波损耗)接近的时候,误差会急剧增大。

这是因为泄漏的信号与真正的反向信号,总是混合在一起进了检波器,在表头上显示出来。

而两个差距不是很大的信号(且都是一个发射机发出来的,所以频率完全相同)混合在一起,得到的信号大小,与两个信号的相位差有关。相位相同,则信号叠加变强,相位相反,则抵消(短路)掉了。

一个耦合器,泄漏出去的信号通常与正向信号相位相近(这个也不一定哈,不同的天分因为其结构不同,相移不一样,有的甚至相反)。而反射波的相位却是未知数,不同的待测件、不同的电缆长度,都会导致相位移动。

因此由于反射波相位不确定,最终测得反向信号会千差万别,其大小总是位于同相加强和反向抵消之间。

以2013年初生产的KVE60为例,在1.20△180°时,读数是1.20,在1.10△180°时,读数是1.05,在1.05△180°时,读数是1.01;当回波相位大约为0度时,读数反而偏小(多数天分是偏大),以至于给予1.10△0度,读数是1.02。而2013年年中生产的KC901H,在1.10△180°,读数偏小,为1.04;在1.10△0°,读数偏大至1.15。

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图:典型驻波曲线(仅做示意,天线靠近任何物体都会增加测量误差)

因为这些原因,用常规的驻波表和天分测量小驻波,往往是不太靠谱的。为了使误差不至于太大,一般要求电桥的定向性比待测的最大回波损耗至少大6dB,最好是大20dB——如果要相对准确的测量1.05的驻波,就要求电桥达到50dB的定向性,对于直接检波的电桥还有点可能性,对于同轴输出的电桥,这几乎是没有希望的。驻波表和天分经常会采用一些方法,让0反射,也就是只有泄漏时的读数为零。当有反射的时候,某些相位条件下就会读出小于1的驻波——当然,所有仪表都会把小于1的情况敏感词掉。

如果希望准确测量微小驻波,最好使用正规的矢量天线分析仪,它的校准模型,,额,通俗的说,这种仪器可以记录下泄漏的幅度和相位,直接把它减去,剩下的就是纯粹的反射波。没有矢量天分也可以求取,那就是准备损耗已知、移相角度已知的馈线来搬移相位,在不同的相位多测几次,然后进行计算求取。

本文作者:刘虎

网络分析与网络分析仪概论

若干电气元件相互连接形成的系统叫做网络。“网络”可以作为电路的代名词,“网络分析”就是电路分析,只是平常很少这样说,由此增添了几分神秘色彩。到了射频通信领域,可以把任何具有一个以上端口的电路单元称为网络,并且常常把这种网络视为“黑箱”,并不去关心电路单元内部是怎么回事,而是给端口加上适当的激励信号,测试电路的反应,从而表征这个网络的特点。射频通信领域常说的“网络分析”,就是这种以端口为界,描绘射频电路性能的工作。

散射参数

为了进一步了解网络分析给我们带来的便利,有必要先了解网络分析的语言——散射参数。图(1)是一个Π型衰减器,图(2)是它的电路图,如何最简单明确的描述它的性能呢?熟悉传统电路分析的人不难想到,可以先把右边的端口开路,然后用万用表测试左边的电阻;再把左边开路,测试右边的电阻。给左边通上适当的电流,然后用电压表测试右边的电压,然后反过来再测试一次。根据这些数据依次得到四个参数:开路输入电阻、开路输出电阻,开路正向传输电阻、开路反向传输电阻。当看到这一堆似曾相识参数之后,您一定会问:这东西与衰减器有啥关系,大家喜闻乐见的衰减量是多少?

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图1

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图2

这个例子说明,在低频电路上常用的Z参数(开路阻抗参数),用在射频通信领域既不符合习惯,也难以测量。归纳起来,有三个重要原因促使我们选择一种新的参数来描述电路:(1)大多数射频电路不允许端口开路或短路,因为这样做会让电路偏离预定的工作状态;(2)波长很短的时候,即使信号只传播很短距离,也会发生不可忽视的相位移动,使测试计算变得非常困难;(3)需要有一整套方法,能够根据所得到的参数迅速简便的设计电路。基于上述原因,散射参数应运而生。

散射参数(Scattering Parameters)常被简称为S参数。和阻抗参数类似,对于有两个端口的网络(例如衰减器)而言,它也包括四个部分,用Sij表示,其中,i表示待检测端口,j表示激励信号的入射端口:

S11:被测器件(device under testing,简称DUT)的一个端口对信号的反射量,又称回波损耗;

S21:信号通过被测器件时产生的变化(幅度和相位变化,又称插损或增益);

S12:信号以相反方向通过被测器件时产生的变化;

S22:被测器件的另一个端口对信号的反射量。

当一个端口在测试时没有被用到时,应接上匹配负载,于是电路能够非常接近正常的工作状态。测量散射参数,只需要了解信号流经被测器件时产生的变化,同时又不会对电路的正常工作造成影响,因此更加简单、直接。后面将要介绍的网络分析仪,就是专门测量散射参数的装置。

通过数学计算,散射参数能够被转换为其它类型的参数。

S参数是归一化的相对值

四个S参数都代表出射信号与入射信号的电压比(或功率比,在计算时应统一)。还是用衰减器来举例,图(2)中,入射信号的功率是1W,经过待测器件,输出0.1W,则S21=0.1/1=0.1。换算成分贝值则为-10dB。于是这支衰减器的衰减量是10dB。这一相对值又是频率的函数。随着频率的变化,衰减器的衰减量可能发生波动。把频率作为横坐标,衰减量作为纵坐标,可以得到幅度——频率特性图,简称幅频特性图。

有的时候还需要关心信号通过电路以后相位发生的变化。例如一支天线,给他输入1W∠0°的信号,在天线的端口上测到反射信号功率为入射信号的0.5倍(称为反射系数),但是反射信号与入射信号之间,电压的相位相差了90度,则天线的S11表示为0.707∠90°,表明有-3dB的回波损耗,且相位滞后90度。

网络分析的效益

了解了散射参数以后再来探讨网络分析的效益就很容易理解。上面举例的衰减器,当对他进行网络分析以后,直接得到了衰减量这个参数,就能直观的了解衰减器接入射频电路以后会产生什么效果。下面天线的例子,进一步说明了这种分析方法的方便之处。

通过网络分析,能够直接测到天线的S11参数,包含一个幅度(或功率)关系和一个相位关系,例如0.5∠90°。图(3)是一个极坐标的S11关系图,它的径向坐标代表幅度关系,绕轴旋转的角度代表相位关系。图(4)是一个直角坐标表示的阻抗图,横坐标代表电阻,纵坐标代表电抗。对图(4)做从直角坐标到极坐标的坐标变换,并让刻度符合单位阻抗(Zn=Z/Z0,Z0=50Ω)与反射系数(Γ)之间的关系式Zn=(1+Γ)/(1-Γ),可以得到图(5)所示的阻抗圆图。图(3)和图(5)重叠起来,得到史密斯圆图(Smith Chat,图6)。在这张图上,可以根据S11参数,直接读取天线的输入阻抗。我们的目的是匹配以传输最大的功率,这时有两种方法:(1)传输线末端提供一个与天线输入阻抗共轭的输出阻抗;(2)通过调试和接入匹配元件,让天线的输入阻抗变为纯粹的50欧。对于后一种方法,匹配元件的大小,可以在史密斯图上方便的求解。

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图3

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图4

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图5

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图6

不论是反射系数-相位图还是史密斯图,都没有频率坐标。一个频率的S参数,只对应图上的一个点。网络分析仪显示结果的过程,就是扫描若干频率,然后把测得的S参数都画在图上,用平滑的曲线连接起来。

事实上人们发明了一整套使用S参数的办法,能够极大的简化射频电路设计。这方面已经有很多资料,感兴趣的读者可以自行了解。

网络分析仪

有了上文的基础,现在我们应该关心一下如何求得S参数。在很久以前,求S参数虽然已经是网络分析中最便捷的手段,但仍是一件非常麻烦的事情。原理上无外乎用信号源给待测器件送入一个稳定的信号,然后用电平表测输出功率,或者用测量线在不同的距离上测试电压,从而计算得到幅度和相位。问题就在于这种测试每次只能针对一个频率,如果要了解不同频率上的变化趋势,就需要进行多次测量,有的时候一测就是几天。

随着自动化技术的发展,计算机控制的网络分析仪问世,这种仪器可以连续不断的对多个频率的S参数进行测量,而且只需要若干秒时间。特别是最近十年,3GHz以下的网络分析仪大幅度降价,在国内还出现了所谓“公版”仪器,各地厂商风起云涌,让这种以前只有大型科研单位才能安置的昂贵设备,一下子普及到几乎所有射频工程师手中,不久的将来,还会普及到爱好者手中。

最简单的网络分析仪——扫频仪

扫频仪是一种S21参数的测试装置,它的框图如图(7)。它由一个频率可变的信号源和一个检波器组成。待测器件接在信号源和检波器之间。测试时,先把检波器直接接在信号源上,让信号源扫过所有需要测试的频率,并把检波器检测到的幅度存储下来。接上待测器件之后,检波器检测到一个新的幅度(功率)值。把新的幅度值与刚才存储的幅度值进行比较,即可得到S21参数。用计算机控制信号源连续的扫描,可以绘制出幅频特性图。

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图7

为扫频仪增加反射电桥或定向耦合器,便可用于测量S11参数。S11参数和电压驻波比(VSWR)之间可以直接换算,因此又可以显示驻波比曲线。

扫频仪只能得到幅频特性图,因此是一种标量网络分析仪。

多输入通道的扫频仪

图7的扫频仪只有一个检测通道,这种仪器给出的S参数虽然是相对值,但是测量的却是绝对值。从绝对值到S21参数,靠的是把测试结果与存储的结果进行比较。这种方式无法回避一个问题:随着待测器件的不同,信号源的输出功率可能会发生变化。为了消除这种误差,通常使用两通道的扫频仪(图8),其中一个通道作为“参考通道”。用分路器从信号源上直接取出一部分信号送进参考通道,另一个通道数值和参考通道进行比较,得到S参数。平常看到的标量网络分析仪几乎都是这种多通道的扫频仪。

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图8

多通道的标量网络分析仪还可以借助一些巧妙的办法实现矢量分析,例如卡雷尔·霍夫曼的技术。随着矢量分析仪的进步,这种应用已经日趋减少。

带跟踪源的频谱仪

扫频仪的检波器具有宽带特性。不论是测试信号,还是信号源的谐波以及外部耦合的各种干扰,都同时被检波。被测器件如果是陷波器,对谐波就不能产生有效的压缩,于是测到的陷波量不能小于谐波的量。如果被测器件是已经安装好的天线,那么天线接收到的空中信号也会进入检波器,这会导致测到的驻波值虚大。此外,检波器的动态范围通常最多达到70dB左右,导致仪器的动态范围较小。

带跟踪源的频谱仪把扫频仪的检波器换成了频谱仪的接收机。频谱接收机只响应中频带宽内的信号,跟踪源的谐波和外部耦合的干扰不对测试结果产生明显影响,因此可以测试陷波型器件。频谱仪具有较低的检波噪声和良好的中频放大器,这种由跟踪源和频谱仪组成的网络分析仪通常能达到100dB以上的动态范围。

如果没有跟踪源,可以使用频谱仪的最大值保持功能,与手动扫描的信号源组成简易网络分析系统。

一些高档的标量网络分析仪也采用类似方案。由于网络分析仪的信号源频率及其谐波是可以预知的,因此这种仪器的“频谱接收机”并不需要太好的带外抑制指标,可以采用比通常的频谱仪简单得多的接收机。

相位检测

除了一些特殊场合,前面谈到的网络分析仪只能得到幅频特性图及由它衍生而来的驻波曲线图,因此是标量仪器。要想得到被测器件的阻抗参数,必须对输入、输出信号的相位进行比较,因而需要用到矢量网络分析仪(Vector Network Analyzer,VNA),简称矢网。所有的网络分析仪都由信号源和某种形式的、专门用于检测信号源发出的信号的检测器组成,矢网与标网的主要硬件区别在于检测器。为了在足够的动态范围上进行矢量检测,一般来说需要先对信号进行混频,用中频滤波器精确的选通信号源产生的信号,然后在中频上进行相位比较。这种仪器的原理如图(9)所示。

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图9 矢量网络分析仪示意框图

历史上,相位检测多是基于触发器原理。首先对需要比较相位的两路中频信号进行整形,然后送入两个触发器中。当一个触发器被信号的上升沿过零触发的时候,计数器开始数时钟脉冲。当另一个触发器被触发时,停止脉冲计数。这样得到的是两路中频的上升沿的时间差。由于中频频率是已知的,经过简单换算就能得到相位差。假设中频频率是100KHz,为了得到0.1度的相位分辨率,在不采用额外手段的情况下,需要时钟频率高于360MHz。

当前常用的相位检测方法基于同步检波的原理,并且逐渐依靠数字信号处理技术来实现。同其他方法一样,待测件的输出信号和输入信号的一部分(称之为参考输入,在仪器上用R端口表示)首先被同步下变频到比较低的中频频率。如果不设参考通道,则信号源需要同变频本振锁相。经过中频滤波和幅度调理以后,用ADC进行同步采样,得到的数字信号进入大规模FPGA,进行数字变频产生两组I/Q信号,经数字滤波后,将其中一组信号取共轭以后与另一组信号相乘,再采用适当的矢量旋转算法求取相位差。也可以采用其他数学运算求得相位差,这些处理基本上由软件完成,具有很高的灵活性。对数字处理过程进行精心设计,能够以比较高的效率达到0.1度以内的鉴相精度。

仅仅得到相位差和幅度差是不够的——测到的这些数值,并不是待测件上的真实情况。不论是混频、滤波、信号调理,还是电缆、插座、电桥,都会对幅度和相位造成影响,必须把这些影响从测到的原始数据上消去才能得到正确的结果。对于S11测量误差的消除,通常采用开路-短路-负载三步法校准。这种校准要求先将仪器端口开路,存储开路状态下的一组数据,然后再存储短路和接匹配负载时的数据。这些数据作为误差模型的已知量,用于确定任意其他测试时的误差并让结果返璞归真。

采用适当的校准模型,不但能消去仪器内外各种连接线的电长度误差、滤波器和放大器的相移,还能大幅降低对硬件的某些指标的要求,正巧这些指标原本已经很难提高了,电桥的定向性就是一例。

这里举一个理想化的例子,实际情况复杂得多。已知驻波电桥的定向性为0dB,即没有定向性,如何测量一个回波损耗小于30dB,即驻波小于1.1的天线?了解天分仪的读者或许认为有点天方夜谭,但是校准确实能解决这个问题——前提是正向信号的提取点和电桥之间有缓冲。试想如果给仪器接上匹配负载,将此时测到的正向信号和“反向信号”的幅度和相位关系存储下来。然后接上天线,让仪器重新测量,并根据刚才存储的相位幅度关系,推算出本底的“反向信号”,将其从结果中减去,就得到了实际的反向信号。此时您大概在想,如果S21测试的隔离度不好,能否如法炮制?

刚才我们做了一个减法,让定向性无中生有,看起来很好玩,但成本却很高。仪器必须有足够的相位和幅度分辨率,软件才能算出并不太多的一点定向性来。两个正弦信号,如果丝毫不差,它们相减恰好等于零。如果差一点点,相减以后就会留下不少东西。对于矢网而言,0.1dB的幅度分辨率和0.1°的相位分辨率是起码的指标。在这样的分辨率上保持稳定很难,一旦漂移或改变测试条件,校准模型即刻失效,因此要经常校准。

网络分析的常见用途

通过上面的叙述,网络分析能做什么,读者可能已经比作者还想得远了。最后再为大家梳理一下,作为文章的结尾。

最简单的网络分析仪——扫频仪,利用少量的附件(例如驻波电桥),已经可以满足通信工程中的大部分验证性用途和少部分调试用途之需,得到的是S11S21标量数据。例如检验天线、电缆、分路器等射频器件。如果软件支持,还能当信号发生器和场强表使用,虽然不太准确。同时,扫频仪可以调试带通滤波器,寻找线圈和谐振网络的谐振点,对于带阻滤波器、陷波器等,如果不要求很大的陷波比,也可以进行初步的调试。在调试大陷波比的陷波器(例如双工器)时,可通过串联低通或带通滤波器来增大观察范围。当然,扫频仪是一种简单的标量仪器,无法直接读出阻抗,也就不能直观的找出匹配参数。基于宽带检波的特性,也不主张用它调试放大器和其它有源电路。

天线分析仪属于单端口网络分析仪。虽然很多东西都叫天线分析仪,但是性质却相差甚远。如果把电桥内置在扫频仪中,就成为最简单的天线分析仪,能够测试天线的驻波曲线。不论是扫频仪还是这种简单天分,用于有强烈外部干扰的场合都可能使测试结果虚大。

介于扫频仪和矢量天线分析仪之间,还有一种“半矢量天分”,它具有某种形式的测试相位或阻抗的能力,但是并不提供校准功能。用它测一支100Ω纯电阻的天线,如果连接了相当于八分之一波长的电缆,就会被测成40-j30Ω。做这种测试时必须进行人工修正,否则具有迷惑性。合理利用这种天分,可以对天线、放大器的输入阻抗进行调试,可以测得天线、线圈的谐振点。如果软件支持的话,也能当信号源使用。

矢量天分是标准的网络分析仪,可以测得复数的S11参数及由它衍生而来的一系列数据。由于具备完善的校准功能,所能测试的回波损耗范围通常优于50dB,测得的阻抗也是可信的。对一个频带的测试数据进行傅里叶逆变换,可以得到若干时域参数,比如电缆在不同距离上的回损。矢量天分在通信以外的领域也得到了一定程度的应用,例如测试农作物的含水量。

带跟踪源的频谱仪和带跟踪接收机的标量网分具有与扫频仪类似的用途,但是它们都具备优良得多的动态范围和较好的选择性,可以用于强干扰条件下的天线测量和大陷波比的陷波器调试,例如调试双工器。

全功能的双端口或多端口矢网囊括了上述所有用途,具备强大的分析功能。需要提到的是全功能矢网一般标配群延时显示和功率扫描功能。后者可以对器件的非线性特性进行分析。

网络分析仪的种类五花八门,远不止上面几种。它们都具有信号源和若干个幅度或相位幅度检测通道。结合必要的信号分配装置,内置或外置的定向电桥、耦合器构成完整的仪器。网分的用途也不是固定的,懂得它的测量原理之后,可以引申出许多巧妙的用法,把它比作射频领域的万能表毫不为过。网络分析和网络分析仪是设计、调试、改进射频电路的最基本,同时也应该是最常用的手段和工具。掌握网络分析技术之后,射频通信电路的设计制作将更加富有趣味。