定向電橋是一種射頻網(wǎng)絡(luò)，通俗而言，是一種能夠區(qū)分射頻信號(hào)流動(dòng)方向的裝置。一般情況下，射頻信號(hào)從信號(hào)源（比如發(fā)射機(jī)）傳輸?shù)截?fù)載（比如天線），叫做入射。如果負(fù)載不匹配，就會(huì)反射一部分信號(hào)，使它送回到信號(hào)源，簡(jiǎn)稱為反射。定向電橋能夠把這兩種不同方向的射頻信號(hào)分別提取出一部分來(lái)。理論上，正向電橋提取正向傳輸?shù)男盘?hào)，不會(huì)提取反向的信號(hào)。反之，反向電橋只提取反向傳輸?shù)男盘?hào)，不會(huì)提取正向信號(hào)。在提取的過(guò)程中，不會(huì)丟失信號(hào)的相位信息，也能夠以確切的數(shù)學(xué)關(guān)系忠實(shí)的反映信號(hào)的幅度。對(duì)于阻抗確定的傳輸系統(tǒng)，知道了幅度也就知道了功率。

 

電橋是非常有用的裝置，有了只提取一個(gè)方向信號(hào)的能力，只要對(duì)提取出來(lái)的信號(hào)的功率（幅度）和相位進(jìn)行檢測(cè)，就能測(cè)試傳輸?shù)墓β蚀笮?、反射的功率大小，傳輸和反射之間的相位差別。有了這些信息，就能描述負(fù)載的特征。由于定向電橋只能提取一個(gè)方向的信號(hào)，所以要同時(shí)測(cè)得上述參數(shù)，應(yīng)該使用兩個(gè)不同方向安裝的電橋串聯(lián)起來(lái)，對(duì)它們提取到的信號(hào)進(jìn)行比較。使用兩個(gè)電橋比較麻煩，在要求不高的情況下，對(duì)于正向信號(hào)的提取，可以使用更為簡(jiǎn)單的定向性網(wǎng)絡(luò)——例如分路器。這種分路器正反特性也是不同的，不過(guò)單向性沒(méi)有定向電橋好。

 

通常的天線分析儀具有一個(gè)端口。這個(gè)儀器內(nèi)部有一個(gè)或者兩個(gè)定向電橋，另外還有一個(gè)頻率可變的信號(hào)發(fā)生器，以及用來(lái)檢測(cè)定向電橋提取到的信號(hào)的檢波器。當(dāng)把天線分析儀的端口連接到待測(cè)的天線上時(shí)，分析儀可以對(duì)正向信號(hào)和反向信號(hào)進(jìn)行比較。如果只進(jìn)行幅度的比較，可以求得駐波系數(shù)、反射系數(shù)或回波損耗。如果同時(shí)還進(jìn)行相位的比較，則可以求得天線的阻抗。

 

萬(wàn)能框圖，天分、標(biāo)網(wǎng)、矢網(wǎng)都可以從中變化得來(lái)

 

能夠同時(shí)比較相位和幅度的儀器叫做矢量?jī)x器，只能比較幅度參數(shù)的，叫標(biāo)量?jī)x器。幅度的比較有廉價(jià)的方法，相位的比較卻比較復(fù)雜。對(duì)于要求不太高的場(chǎng)合，可以使用商品的相位檢波器（如AD8302），但是這種檢波器的相位測(cè)試范圍只有半個(gè)周期，換句話說(shuō)，不能直接得到相位變化的符號(hào)，如果希望得到符號(hào)，一般需要把參與比較的一路信號(hào)（提取出來(lái)的正向或反向信號(hào)）移相90度再比較一次。這個(gè)過(guò)程仍然相當(dāng)麻煩，而且像AD8302這樣的器件，測(cè)試準(zhǔn)確度往往達(dá)不到儀器級(jí)別的要求。也可以采用二極管方式的鑒相器，這種鑒相器雖然可以涵蓋整個(gè)周期，但是它的比相輸出與輸入的幅度有直接關(guān)系，必須事先對(duì)信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)幅。這也是一個(gè)令人頭痛的工作。另一種做法，是使用示波器中常見(jiàn)的邊沿觸發(fā)技術(shù)，例如上升沿觸發(fā)技術(shù)。當(dāng)被比較的一個(gè)信號(hào)以上升沿過(guò)零點(diǎn)的時(shí)候，計(jì)時(shí)器被觸發(fā)，開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)另一個(gè)信號(hào)的上升沿來(lái)到的時(shí)候，果斷的停止計(jì)時(shí)。如果已知兩個(gè)信號(hào)的頻率，就可以根據(jù)時(shí)間差準(zhǔn)確的計(jì)算出相位差。無(wú)疑，這個(gè)過(guò)程在頻率很高的時(shí)候也是相當(dāng)困難的。正是這些原因，加上大量減少相位誤差的措施和校準(zhǔn)軟件方面的投入，模擬矢量?jī)x器的價(jià)格和只比較幅度的標(biāo)量?jī)x器相比要高得多。目前矢量?jī)x器已經(jīng)逐步采用數(shù)字處理技術(shù)，隨著數(shù)字芯片價(jià)格的降低和算法的改進(jìn)，矢量?jī)x器最終會(huì)普及到普通愛(ài)好者手中，這是值得我們期待的。

 

許多業(yè)余愛(ài)好者的天線分析儀能夠測(cè)試阻抗，具備一般需要矢量?jī)x器才能具備的功能。但是他們并沒(méi)有直接測(cè)試信號(hào)的相位。這些儀器采用的辦法是同時(shí)測(cè)試正向信號(hào)、反向信號(hào)、正反向信號(hào)的混合信號(hào)的幅度，然后建立一個(gè)方程組，求解出待測(cè)負(fù)載的阻抗——因?yàn)榛旌闲盘?hào)的幅度與兩個(gè)信號(hào)的相位差具有關(guān)系。其它類似的方法也是可行的，只要能建立有意義的方程組即可。求解方程組，可以得到兩個(gè)虛部相互對(duì)稱的根，還需要通過(guò)變動(dòng)頻率或者接入電抗元件來(lái)判斷到底哪一個(gè)根是有效的。現(xiàn)在，已經(jīng)可以用單片機(jī)自動(dòng)的完成這個(gè)過(guò)程，求得虛部帶符號(hào)的阻抗了。另一個(gè)重要區(qū)別是，目前業(yè)余愛(ài)好者的天線分析儀沒(méi)有辦法修正掉電纜等帶來(lái)的相位移動(dòng)，除非頻率很低，否則無(wú)法得出可信的結(jié)論。通過(guò)以上分析我們知道，通常見(jiàn)到的業(yè)余無(wú)線電天線分析儀和專業(yè)的矢量天線分析儀具有原理上的區(qū)別。

 

用只有幅度（駐波）測(cè)試功能的天線分析儀，可以得到天線的駐波系數(shù)。駐波系數(shù)對(duì)于判斷天線的好壞和用修剪、湊試的方法調(diào)試天線都具有重要價(jià)值。所以，只具有駐波測(cè)試功能的天線分析儀（簡(jiǎn)稱駐波表）常用于天線工程施工、天線修剪、天線質(zhì)量檢查等方面，對(duì)于絕大多數(shù)用途已經(jīng)足夠了。

 

同時(shí)需要注意，僅僅了解天線的駐波，某些情況下會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)論。比如A天線在100~200MHz的駐波系數(shù)為1.5，B天線在相同頻段的駐波系數(shù)都為2.0。能不能說(shuō)A天線比B天線好呢？對(duì)于工程架設(shè)——或者說(shuō)天線應(yīng)用來(lái)說(shuō)，當(dāng)然可以得出這個(gè)結(jié)論。但是對(duì)于天線研發(fā)來(lái)說(shuō)，就未必。如果A天線在100~200MHz頻帶內(nèi)，阻抗變化很大，其阻抗的矢量繞著50歐轉(zhuǎn)了一個(gè)大圈。而B(niǎo)天線的阻抗卻幾乎不變，那么，對(duì)于B天線，只需要稍微進(jìn)行一點(diǎn)匹配，就能把駐波調(diào)整到1.5甚至1.2以下。而對(duì)于A天線，無(wú)論怎么匹配，都只能把其中某個(gè)很窄的頻率（例如150~160MHz）的駐波系數(shù)調(diào)整到1.2以下，而與之背離的某個(gè)地方，就會(huì)冒到2.0以上…… 顯然，B天線更受歡迎。這個(gè)例子說(shuō)明，具備阻抗測(cè)試功能的天線分析儀更適合于天線的研發(fā)，尤其是寬帶天線的研發(fā)。業(yè)余無(wú)線電天線一般都是窄帶工作的，阻抗分析優(yōu)勢(shì)不一定明顯，但是它可以提供有關(guān)調(diào)試方向的重要參考，通過(guò)一些手段，還能測(cè)試電感、電容等元件，所以對(duì)于愛(ài)好者中的骨灰級(jí)DIY派來(lái)說(shuō)，具備阻抗顯示功能的天線分析儀有重要意義。

 

在專業(yè)領(lǐng)域，還需要測(cè)試天線的方向圖、極化特性等指標(biāo)。測(cè)試這些指標(biāo)需要用標(biāo)準(zhǔn)天線和測(cè)試接收機(jī)在不同的方位接收待測(cè)天線發(fā)射的信號(hào)（或者待測(cè)天線在轉(zhuǎn)臺(tái)上轉(zhuǎn)動(dòng)）。具備這種功能的儀器當(dāng)之無(wú)愧的叫天線分析儀。當(dāng)然，網(wǎng)絡(luò)分析儀經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展也可以勝任這項(xiàng)工作。

 

天線分析儀就是一種網(wǎng)絡(luò)分析儀。只不過(guò)它只適合測(cè)試單端口網(wǎng)絡(luò)（比如一個(gè)負(fù)載、天線），在測(cè)試雙端口網(wǎng)絡(luò)（例如：一個(gè)濾波器）或多端口網(wǎng)絡(luò)時(shí)，其它的端口要接上匹配負(fù)載，這時(shí)它測(cè)到的是網(wǎng)絡(luò)的反射特性。通常說(shuō)的網(wǎng)絡(luò)分析儀具備雙端口測(cè)試能力，可以測(cè)試信號(hào)通過(guò)待測(cè)器件（比如濾波器）以后產(chǎn)生的變化。這里同樣包括幅度的變化和相位的變化，進(jìn)一步還有時(shí)間的延遲。而幅度、相位、時(shí)間延遲與頻率都是有關(guān)系的?，F(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠把它們隨頻率的變化關(guān)系，以幅頻特性圖、相頻特性圖等形式展示出來(lái)。一些高檔網(wǎng)絡(luò)分析儀還能將它們與待測(cè)器件的輸入功率之間的關(guān)系展現(xiàn)出來(lái)，并能顯示延遲特性圖。

 

與天線分析儀類似，雙端口測(cè)試時(shí)，幅度的變化、相位的變化可以用幅度檢波器、鑒相器等裝置加以比較得到。只不過(guò)參與比較的不再是正反向信號(hào)，而是輸入信號(hào)和輸出信號(hào)。

 

標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以展現(xiàn)幅頻特性。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀除了展示幅頻特性外，還可以展示相頻特性。兩種網(wǎng)絡(luò)分析儀要展示延遲特性，從原理而言都需要采取一些措施。不過(guò)，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀只需要對(duì)相頻特性進(jìn)行一次微分，并不需要增加硬件，因此高檔矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀一般標(biāo)配了這樣的功能，而標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀卻需要增加產(chǎn)生脈沖或調(diào)制信號(hào)的硬件，因此很少配有這種功能。

 

對(duì)于一個(gè)雙端口的待測(cè)器件，很多時(shí)候我們希望了解兩個(gè)端口的反射特性，以及該器件正反兩個(gè)方向的傳輸特性。用天線分析儀測(cè)試反射特性，需要對(duì)兩個(gè)端口各測(cè)一次。用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試傳輸特性時(shí)，需要把待測(cè)器件顛倒過(guò)來(lái)再測(cè)一次，否則不但測(cè)不出兩個(gè)特性，甚至無(wú)法構(gòu)建校準(zhǔn)模型，一個(gè)特性也測(cè)不出來(lái)，而且顛倒端口可能還會(huì)帶來(lái)新的誤差。有沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)分析儀可以一次性把兩個(gè)端口的反射、傳輸特性，共四個(gè)特性測(cè)出來(lái)呢？當(dāng)然有，而且現(xiàn)在已經(jīng)成為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的主流。目前商品的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，兩個(gè)端口內(nèi)部各配置有兩個(gè)定向耦合器，只需切換一下信號(hào)源連接的端口即可調(diào)換方向，兩步測(cè)出四個(gè)特性。大體上只有一些手持式的矢網(wǎng)需要人工調(diào)換器件方向了。而標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀卻幾乎沒(méi)有能夠自動(dòng)調(diào)換的。除了上面說(shuō)到的兩端口網(wǎng)絡(luò)分析儀，隨著射頻技術(shù)的進(jìn)步，端口數(shù)更多的網(wǎng)絡(luò)分析儀也變得常用起來(lái)。

 

前面說(shuō)到天線分析儀就是一種網(wǎng)絡(luò)分析儀。如果我們把具備測(cè)試反射和傳輸兩種信號(hào)流程特性的網(wǎng)絡(luò)分析儀稱作“標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)分析儀”的話，天線分析儀相當(dāng)于半臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)分析儀；相對(duì)于能自動(dòng)調(diào)換方向的網(wǎng)絡(luò)分析儀而言，天線分析儀就相當(dāng)于四分之一臺(tái)了。有些網(wǎng)絡(luò)分析儀不具備定向電橋，只能測(cè)試器件的傳輸特性。如果要測(cè)試反射特性，就需要外置定向電橋。這種網(wǎng)絡(luò)分析儀，也可以算半臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)分析儀。帶跟蹤源的頻譜儀就是這種情況，并且多數(shù)只具備標(biāo)量測(cè)試功能。

 

圖：用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)一臺(tái)信號(hào)源的輸出阻抗，此時(shí)信號(hào)源正在進(jìn)行掃頻工作，可以明顯的看到信號(hào)源的輸出對(duì)矢網(wǎng)的干擾（尖峰），事實(shí)上阻抗也不正確（圓環(huán)狀曲線半徑變大了）–科創(chuàng)儀表局供圖

 

 

不論是標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀還是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，都有兩種不同的類型：直接檢波和基于跟蹤接收機(jī)的中頻檢波。直接檢波方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，目前的標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀還在大量使用，只有高檔的標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀才采用中頻檢波。習(xí)慣上，采用直接檢波的標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀又被稱作掃頻儀。在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中，中頻檢波已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)方式?；祛l并不會(huì)丟失相位信息，同時(shí)能夠用中頻濾波器濾掉信號(hào)源的諧波帶來(lái)的變頻產(chǎn)物，僅僅把有用信號(hào)提取出來(lái)。因此使用中頻檢波能夠大幅度提高網(wǎng)絡(luò)分析儀的動(dòng)態(tài)范圍，降低對(duì)信號(hào)源純凈度的要求。

 

再回來(lái)看看天線分析儀。采用直接檢波的天分有一個(gè)嚴(yán)重的弊端：如果待測(cè)天線已經(jīng)架設(shè)到開(kāi)闊的地方，來(lái)自空中的電波信號(hào)會(huì)和反射波一起進(jìn)入儀器的檢波器。如果空中的信號(hào)很強(qiáng)，就可能掩蓋掉天線本身的反射波。在測(cè)試短波天線、寬帶天線時(shí)，這種現(xiàn)象非常明顯，甚至在大多數(shù)情況下無(wú)法測(cè)試。解決該問(wèn)題的常用辦法是提高儀器的輸出強(qiáng)度，使反射波的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于天線接收到的信號(hào)。一般儀器能達(dá)到的輸出強(qiáng)度頂多20dBm，實(shí)踐證明對(duì)于架在城市樓頂?shù)膶拵Ф滩ㄌ炀€而言，仍然顯得太小。這一問(wèn)題的最終解決，還是得采用中頻檢波。

 

帶跟蹤源的頻譜儀是一種典型的采用窄帶中頻檢波的兩端口網(wǎng)絡(luò)分析儀。它的測(cè)試原理和采用中頻檢波的高檔標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀相比沒(méi)有特別的不同，如果一定要找出區(qū)別，通常體現(xiàn)在這幾方面：頻譜儀具有性能更好的接收裝置，一般來(lái)說(shuō)具有良好的干擾抑制能力和更高的靈敏度；頻譜儀的中頻濾波器形式與某些標(biāo)網(wǎng)可能不同，標(biāo)網(wǎng)可以使用矩形濾波器；頻譜儀的跟蹤源輸出幅度一般來(lái)說(shuō)都很低，而高檔標(biāo)網(wǎng)常常做到10dBm，與接收機(jī)增加的動(dòng)態(tài)范圍相比，因?yàn)楦櫾捶容^小而損失的動(dòng)態(tài)范圍往往更多。頻譜儀一般不具備混頻器測(cè)試功能，在曲線的歸一校準(zhǔn)等方面，功能也沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)分析儀強(qiáng)大。當(dāng)然事無(wú)絕對(duì)，現(xiàn)代儀器的發(fā)展方向是面向用戶需求提高綜合解決手段，具備完善標(biāo)網(wǎng)功能的頻譜儀早已面世；在手持式頻譜儀中，可以選配雙端口矢網(wǎng)功能的儀器也能買(mǎi)到了。

 

標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠滿足無(wú)線電愛(ài)好者的一般需求，例如調(diào)試天線、濾波器、雙工器、放大器、分路器和檢查饋線的損耗等，靈活應(yīng)用，還能擴(kuò)展一些用途。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠從相位信息中提取出有用的復(fù)阻抗參數(shù)，對(duì)于匹配放大器的輸入輸出級(jí)、DIY新型天線等多種工作具有更大的指導(dǎo)意義，因此更適合于各種研究開(kāi)發(fā)目的。選擇什么樣的儀器主要依據(jù)測(cè)試目的而定，當(dāng)然與預(yù)算也有很大關(guān)系。如果您的測(cè)試必須了解準(zhǔn)確的相位及其衍生數(shù)據(jù)，就必須選用矢量?jī)x器，同時(shí)也就意味著需要增加預(yù)算。

 

 

推薦閱讀：