網絡分析儀時域分析：原理、操作與應用

當需要定位傳輸線故障、分析阻抗連續性或觀察寬帶響應時，網絡分析儀（VNA）的時域分析功能比傳統頻域測量更直觀有效。它通過數學變換將頻域S參數轉化為時間或距離函數，揭示被測器件（DUT）的內部特征。

一、 基礎原理與模式

VNA的時域分析基于傅里葉逆變換（IFT/FFT）。儀器先在頻域測量S參數，再通過算法轉換為時域響應，仿真了時域反射計（TDR）的功能，但具有更高的精度和動態范圍。

主要時域模式包括：

● 低通模式（Low-Pass）：仿真傳統TDR，適用于直流至截止頻率的器件（如電纜）。它能外推直流分量，提供階躍和沖激兩種激勵，分辨率高，可清晰識別阻抗變化類型（電容性/電感性）。

● 帶通模式（Band-Pass）：最常用且通用的模式。僅提供沖激響應，適用于任意頻率范圍的器件（如濾波器）。它不包含直流分量，分辨率相對較低，但能有效定位故障點位置。

二、 操作關鍵：窗函數與時域選通

1. 窗函數（Window）： 由于頻域測量帶寬有限，直接變換會產生旁瓣（振鈴），干擾小信號觀測。窗函數用于抑制旁瓣，提高動態范圍。

○ 權衡：旁瓣抑制越強（如最大窗），沖激寬度越寬，分辨率越低；反之，分辨率高（如最小窗/矩形窗），但旁瓣高。

○ 選擇：若需分辨幅度相近的鄰近故障，選最小窗；若需在大反射旁觀測微弱小反射，選最大窗。

2. 時域選通（Time Gating）： 這是一個強大的功能。通過在時域設置“時間窗口”，可以去除不需要的響應（如連接器反射），或單獨提取某一部分（如電纜末端）的響應，然后再變換回頻域觀察。這有助于消除系統誤差，簡化復雜系統的分析。

三、 核心應用與測量技巧

1. 故障定位與阻抗分析： 通過觀察反射系數隨時間（距離）的變化，可直接 pinpoint 開路、短路或阻抗失配點的位置。距離計算公式為：d=(v×Δt)/2d = (v \times \Delta t) / 2d=(v×Δt)/2（反射測量需除以2，考慮往返路程）。VNA通常支持設置傳播速度因子（Velocity Factor），將時間直接換算為物理長度。

2. 測量范圍與分辨率：

○ 響應分辨率：區分兩個鄰近不連續點的能力。它與頻率跨度成反比（跨度越寬，分辨率越高）。

○ 測量范圍（防混疊）：能無歧義測量的最大距離。它與頻率步進（Δf）成正比。為防止遠端強反射混疊到近端干擾測量，需確保范圍大于DUT電長度的兩倍（反射測量）。

3.  遮蔽效應： 當第一個不連續點反射極強時，入射到后續點的能量會大幅降低，導致后續點的測量值偏小。這是物理現象，在分析多級阻抗變化時需注意。

四、 總結

利用VNA進行時域分析，關鍵在于理解低通與帶通模式的區別，合理設置窗函數以平衡分辨率與動態范圍，并善用時域選通功能凈化測量結果。通過精確設置頻率范圍和點數，即可高效完成電纜故障定位、阻抗不連續性檢測及復雜濾波器的調諧等任務。