网络分析仪在无线电通信导航设备维护测试中的应用分析

赵志军

摘 要：通信、导航、雷达设备的各部分电路器件频率特性不同，所以，对相应电路参数指标的分析方法也不一样。总体而言，低频部分可以按照集总电路的特性来测试和分析其电压、电流、电阻、电抗等指标；而射频电路具有分布参数特性，对其的测试和分析可以使用网络分析仪。简要分析了使用网络分析仪测量、分析S参数和射频电路网络的原因，以期为日后的相关工作提供参考。

关键词：网络分析仪；分布参数；射频网络；S参数

中图分类号：TM935 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.18.088

无线电通信、导航、雷达设备是以不同的工作方式实现无线电的发射、接收，信息加载和提取的射频电路系统。现阶段，网络分析仪（以下简称“网分”）作为一种功能强大、精度绝佳的仪器，在这些设备安装、调试和维护检查工作中被普遍使用。

为什么使用网分能方便地完成测试工作？怎样才能用好它呢？回答类似问题需要充分理解射频电路的特性和S参数的概念，并在此基础上充分利用网络分析仪，以便更好地完成工作。

1 电路测量分析方法

VHF、导航、雷达设备的原理与电路组织方式不同，但其作为无线电设备，本质都是接收或发射射频电波。VHF设的备频段在118～136 MHz，类似ILS的主要导航设备航向信标频段在108～112 MHz，下滑信标频段在328～332 MHz，DVOR频段在112～118 MHz，DME工作频段在962～1 215 MHz，雷达设备工作在特高频和超高频段。无论哪一种频段的无线电设备，都是由不同的电路单元或板件组成的。例如，设备中的电源模块、功放模块或者是天线、馈线、射频收发单元都是设备中功能和特性不同的电路单元。

1.1 低频电路器件的分析方法

对于设备中的某些电路（例如电源单元、低频组件等）或器件，可以通过测量电压、电流、电阻或者电容、电感来分析。这些电路中通过的信号通常为低频信号，例如电源中为50 Hz或直流，即便是千赫兹的信号，一个波长也在几十千米以上。相对而言，以厘米计的单个元器件甚至是十几厘米的电路板件与元件间导线的尺寸相比，信号波长可以忽略不计，可以认为电路参数，比如阻抗、感抗、容抗都集中在元件内部的各点上，并且每点元件上的信号传递是瞬时完成的，与空间尺寸无关。

当电路的实际尺寸远小于电路工作的波长时，电路上所有的电磁过程都集中在元件内部进行，而元件外部不存在任何电磁场。这时，进入两端元件的电流和流出的电流相等，且两端之间的电压值为单值。因此，元件端电压和流过的电流可以明确定义，而且整个电路由常规的电压、电流定律（基尔霍夫定律）确定电压、电流关系。这类电路称为集总电路，回路上器件的基本特征为消耗能量的电阻、形成静态电场电容和产生电磁能量的电感。显然上述的电路参数可以根据需要方便地测量出。

1.2 射频电路器件的分析方法

VHF、导航、雷达设备的射频电路和射频器件、射频馈线是另外一种完全不同的情况，元器件或电缆的电尺寸相对于信号波长而言是不能忽略的。这是因为当电尺寸大到一定时，同一时刻器件上相邻两点通过的射频信号的电流和电位会有差别。

设V为无线电波的传播速度，它接近于300 000 km/s，f为频率，那么，一个波长为：

λ=V/f. （1）

如果设备某射频器件的物理尺寸为L，则 L和λ的相对关系为：

k=L/λ=LV/f. （2）

当物理尺寸远远小于一个波长时，即k<1，该结构是电小尺寸；反之，则是电大尺寸。在实际工作中，必须考虑这一指标，它决定了电路和器件是否具有分布参数特性。

例如VHF通信设备、全向信标设备和ILS设备，它们的射频信号波长为1～3 m，设备系统中馈线的尺寸通常是接近或大于这个长度的，而类似甚高频中的腔体滤波器、DVOR的边带分配组件和ILS的天线信号分配网络等部件的尺寸也是可以与波长相比拟的。以常见的同轴电缆为例，如果能够测量其流过的电压和电流，则可以设想设备工作时，射频以波的形式传递，在同一时刻电缆上一个波长尺寸内不同位置，波幅显然是不同的；在不同时刻，同一位置的波幅也是变化的。由此可见，在射频电路和器件上，信号既是时间的函数，又是空间的函数。设备中多数射频器件和电缆都用作射频能量的传输，可以将其看作是均匀传输线，需要以分布参数电路来分析。

对于传输能量的分布电路，可以采用电磁场理论严格、精准分析，但是，由于求解电磁场方程很困难，所以，可以建立等效电路将均匀传输线看作无穷多的小长度元的级联，将单个足够小的长度元看作集总参数电路，并用基尔霍夫定律分析，采用无穷多的无穷小单元长度的概念在数学上列出偏微分方程组求解。这样，就将电磁场的分析转变为路的分析。

2 端口网络和S参数

设备中的电路可以用网络概念来考察，这时无需知道网络内部的结构，而只要知道网络端口的电压、电流和阻抗等参数。比如前面的设备低频电路器件可以看作二端口网络用y，z参数考察。在高频的网络中测量等效电压、电等效流和相关的导纳y参数、阻抗参数是很困难的，而S参数作为与功率相关的参数，可以方便地在射频网络中测量，并完整地反映入射波与反射波之间的关系。

S参数又叫散射参数，在电子系统中，有2个分量——入射和反射波。通信导航设备中的射频电缆、滤波器可以看作是二端口网络，天线可以看作是单端口网络，其他的器件，比如环流器、功率分配器，也可以看作不同端口的网络。S参数是一组各端口在不同匹配情况下反映入射与反射之间关系的网络参数。S参数可以使用网络分析仪直接测量得到，用来分析射频网络的各项指标，比如阻抗、驻波比等。这也是将网分应用于射频电路和器件中的主要原因之一。

〔编辑：白洁〕