熟悉矢量网络分析仪（VNA）的朋友都知道，近些年，VNA提供选装TDR功能越来越普遍，几乎已经成为一个必选的选项。此外还有一种用来测试传输线特征阻抗的传统仪器--时域反射计，这两者之间孰优孰劣，本文通过原理来比较下两者的功能和应用。
时域反射计
时域反射计（Time Domain Reflectometer, TDR）是一种测量导线、电缆或其他传输线路中信号反射的仪器。主要由以下三部分组成：
阶跃信号发生器
采样示波器
探测系统组件
下图是时域反射计的原理框图。
图1 TDR原理框图
工作原理：内部阶跃信号源会发出阶跃信号，通过探头组件传输到待测传输线上，当传输线中发生阻抗变化时，一部分阶跃信号会反射，其余信号会沿着传输路径继续向前传输（图2）。同时内部的采样示波器会检测反射信号的电压幅度，通过计算得出不同的阻抗值（图3）。另外，由于示波器采集到的信号是反射信号与入射信号的叠加信号（两者存在时间差，因此叠加信号是带台阶的阶跃信号），通过测量这个台阶，可测算出反射信号的时间，进而计算出传输路径中阻抗的变化点的位置。
图2 TDR工作原理
图3 TDR特征阻抗计算公式
TDR最终可呈现出一条随着时间推进，阻抗变化的波形，配合正确的介电常数，可精确计算出每一个阻抗变化点的长度位置信息（图4）。
图4
基于矢量网络分析仪的TDR功能
矢量网络分析仪是一种广泛用于电子、通信、射频和微波领域的测试仪器。它能够测量器件、电路或系统的传输参数和散射参数。矢量网络分析仪内部包含正弦波激励源和接收机，通过测量入射信号与传输信号和反射信号的比值可以计算出器件的频响结果。
任何时域上的信号都是由若干个正弦波组成。如果知道这些正弦波的幅度和相位关系，计算得到信号的时域波形。矢量网络分析仪的频率扫描测量就是在不同的时间（扫描期间）测量不同频率点的输入与输出信号正弦波信号的幅度和相位关系（S参数），通过傅立叶反变换得到被测件的时域响应。这些不同频率点的信号并不是同时存在的，矢量网络分析仪并没有直接产生时域脉冲或阶跃信号。
相对于时域反射计，矢量网络分析仪的时域测量完全依赖于频域扫描测量，正是如此，VNA时域测量相比时域反射计的优点如下：
测量扫描频带很宽
由于使用锁相窄带接收机，抖动极小，动态范围很大（图7）
具有示波器所不具备的矢量误差修正功能
图7
矢量网络分析仪不能以无限的频率宽度扫描，与有限时间宽度的脉冲的频率域波形类似，这样的有限频宽的时域波形也是 sin(t)/t 。由于时域波形有一定的宽度，因此对于两个不同的路径（反射事件）的分辨需要由频率扫描宽度确定（公式见下）。
在实际测量中，矢量网络分析仪并不是连续测量扫频范围内的连续频率点，而是离散测量有限个频率点数的 S 参数，这样傅立叶逆变换由
积分改为有限求和
即矢量网络分析仪的频率扫描是由若干个离散的频率点组成的，变换后的时域波形会形成一定间隔的重复，这样最大时间范围由频率扫描宽度和扫描点数确定（公式见下）。
在矢量网络分析仪中针对高频测量一般采用定向耦合器为前端，但是对于较低频段应用，定向耦合器的性能下降严重，使矢量网络分析仪的低频段动态范围下降，误差增加。
图8
近直流测量的精度决定于矢量网络分析仪低端频率点的噪声电平和接近直流的频率点位置，而直流点的参数是由近直流测量点外推得到（图8）。安立公司MS4640B矢量网络分析仪采用双矢网结构，小于2.5GHz频段采用电桥为前端，尽可能的减少了直流点的外推误差。在测试一段25Ω的传输线时，可以看到常见的起始频率为10MHz的矢网由于直流测量点的外推误差，测量读数变量较大（图9）。
图9
使用安立VectorStar MS4640B矢量网络分析仪的测量结果（起始频率为70KHz）误差较小（见图10）。
图10
总结
时域反射计与矢量网络分析仪的TDR在时域分析和故障定位方面具有相似的功能，但是时域反射计的结构和功能相对简单，使用方便，适用于简单快捷的测量与故障排查。
时域反射计的分辨率有限，矢量网络分析仪的分辨率可通过不断提高测试带宽来提升测试分辨率。不同于矢量网络分析仪的窄带接收机，时域反射计的接收机带宽高，噪声大，因此动态范围会比矢量网络分析仪小很多。另外矢量网络分析仪还能通过校准，实现矢量误差修正，测试结果更为精确。
作者：袁彬彬
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