矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）是一種極其精密的儀器，能夠?qū)?a target="_blank">電氣網(wǎng)絡(luò)的阻抗進行表征，測量結(jié)果可提供幅度和相位細(xì)節(jié)，從而深入了解其行為。被測設(shè)備（DUT）通常用于射頻（RF）應(yīng)用，涉及了解單個元件、電纜、天線、濾波器、放大器等的響應(yīng)。

在所有情況下，VNA的工作都是將其源信號與反射和傳輸信號的測量結(jié)果進行比較，從而得出阻抗和信號強度。信號進行比較，得出阻抗和散射參數(shù)（S參數(shù)）數(shù)據(jù)，從而讓用戶了解設(shè)備的功率處理能力。

在所有情況下，VNA的工作是將其源信號與反射和傳輸信號的測量結(jié)果進行比較，得出阻抗和散射參數(shù)（S參數(shù)）數(shù)據(jù)，以告知用戶設(shè)備的功率處理能力。

本應(yīng)用筆記將提供一些必要主題的粗略見解，幫助您開始理解矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

● 介紹在使用VNA和其他RF設(shè)備相關(guān)應(yīng)用的基礎(chǔ)術(shù)語

● 概述組成VNA體系結(jié)構(gòu)的硬件生態(tài)系統(tǒng)。

● 對S參數(shù)的理解。

一、VNA測量概述和常見術(shù)語

VNA的工作原理通常與光線通過透鏡時的反應(yīng)相似。入射光（如圖1所示）是光源或參照物。雖然我們可能希望整個光源都能通過透鏡，但我們知道，透鏡的一些屬性可能會導(dǎo)致入射光強度的增大或減小，還有一些缺陷可能會使信號失真或偏斜。我們將通過透鏡后的信號稱為傳輸信號。

圖 1：光穿過透鏡時響應(yīng)的一般概念

此外，我們可以理解，當(dāng)?射光到達透鏡時，不可避免地會有?部分光?法通過，?是沿原點?向反射回來。這被稱為反射信號。

RF系統(tǒng)的目標(biāo)是實現(xiàn)最大功率傳輸。為了量化這?點，需要測量入射信號、反射信號和傳輸信號。此外，?旦知道了這些值，就可以量化設(shè)備或系統(tǒng)的不同比率測量，圖2給出了示例，后?的?本中提供了每個測量的定義。

圖 2：使用來自入射、反射和傳輸信號的測量信息對被測設(shè)備進行的 VNA測量

回波損耗【return loss】:也稱為反射損耗；由于阻抗不匹配而從被測器件反射的功率的量度?；夭〒p耗以分貝（dB）表示，表示在每個反射界面上損失了多少dB。通常，在單個頻率下測量回波損耗，以確定被測器件是否可能被高功率信號損壞。

反射系數(shù)（Г）【Reflection Coefficients】：描述的是傳輸介質(zhì)中阻抗不連續(xù)處反射的電磁波量描述射頻信號的多少功率從被測設(shè)備反射。反射系數(shù)可以用電壓或電流來表示，并告訴你入射（正向）和反射（反向）能量之間的比率。

阻抗【Impedance】：電路或元件對交流電的有效電阻，由歐姆電阻和電抗的綜合作用產(chǎn)生

駐波比【Standing Wave Ratio (SWR) 】：總電壓的最?幅度與該電壓的最小幅度之比。也稱為電壓駐波比或者VSWR。VSWR=(1+Г)/(1-Г)

插入損耗【Insertion Loss】：當(dāng)濾波器或放?器等設(shè)備插?傳輸線或電路時，功率或信號強度損失的度量

增益【Gain】：當(dāng)濾波器或放?器等設(shè)備插?傳輸線或電路時，功率或信號強度增加的度量

傳輸系數(shù)【Transmission Coefficients】：傳輸粒子電流和入射粒子電流的比值，取決于輸入能量。

相位【Phase】：波形周期內(nèi)某?時間點的波的位置，介于0到360度之間

電長度【Electrical Length】：?個?量綱參數(shù)，等于電纜或電線等電導(dǎo)體的物理?度除以通過導(dǎo)體的特定頻率交流電的波長

電延遲【Electrical Delay】：電信號通過DUT所需的時間

群延遲【Group Delay】：相位響應(yīng)，因此?失真系統(tǒng)具有恒定的正群延時

二、VNA構(gòu)建模塊和架構(gòu)

在整體了解矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀架構(gòu)之前，重要的是了解基本組成部分和各自發(fā)揮的作用。

1.信號源

因為我們想要觀察我們的設(shè)備如何響應(yīng)已知的刺激，所以網(wǎng)絡(luò)分析儀依靠信號源（圖3）使用受控功率級在感興趣的范圍內(nèi)執(zhí)行重復(fù)頻率掃描。在對放大器進行增益壓縮點測試時，還可以將源配置為使用已知頻率或一組頻率進行功率掃描。

圖 3：射頻信號源符號

2.開關(guān)

一些多端口網(wǎng)絡(luò)分析儀拓?fù)淇赡苁褂脝蝹€源來驅(qū)動所有端口。在這種情況下，開關(guān)有助于簡化設(shè)計并限制成本。圖4提供了您可能在任何類型的電路中遇到的不同開關(guān)的示例。

圖 4：不同的開關(guān)外形尺寸 - A) 單刀單擲 (SPST)，B) 單刀雙擲 (SPDT)，C) 雙刀單擲 (DPST)，和 D) 雙刀雙擲 (DPDT)

3.耦合器

通過信號分離硬件進行測量，有助于最大限度地減少在入射、反射或傳輸信號的直接路徑上放置傳感器的侵入性。這可以通過使用定向耦合器或定向橋來實現(xiàn)，后者不是本文的重點。從圖5A中，我們可以看到入射信號如何進入定向耦合器的端口1，然后從端口2退出。

端口3產(chǎn)生的結(jié)果信號通常比入射信號低10到20 dB左右，并被VNA用來進行測量。在許多情況下，定向耦合器端口3上的輸出會受到某些電阻或衰減的緩沖。

圖 5：A) 定向耦合器符號，耦合信號相對于輸入信號為 -20 dB。B) 定向耦合器符號，每個電阻符號增加衰減。

在這些情況下，設(shè)備的符號將被修改為如圖5B所示。

由于即使是單端口網(wǎng)絡(luò)分析儀也需要能夠測量反射信號中的入射光，因此在網(wǎng)絡(luò)分析儀拓?fù)渲型ǔl(fā)現(xiàn)多個耦合設(shè)備。雖然耦合設(shè)備是采樣信號的最佳選擇，但它們會帶來一定程度的插入損耗，并對系統(tǒng)的整體方向性產(chǎn)生影響。任何開關(guān)或混頻器也存在類似的情況。不過，其中大部分最終可以通過工廠和測量校準(zhǔn)來補償。

如上一段所述，網(wǎng)絡(luò)分析儀的部分電路專門用于混頻器和可調(diào)本地振蕩器 (LO)（見圖 6），這有助于將較高的頻率解析為較低的中頻 (IF)，然后通過下變頻器確定信號通帶。有些圖表可能會選擇不顯示通帶，而暗示該功能由模數(shù)轉(zhuǎn)換 (ADC) 和數(shù)字信號處理 (DSP) 階段來實現(xiàn)。

圖 6：A) 混頻器、B) 本地 (IF) 振蕩器和 C) 通帶或低通濾波器的符號

圖7顯示了組裝的所有組件，代表典型的2端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀結(jié)構(gòu)。ADC和DSP塊處理下變頻和濾波等任務(wù)，然后將結(jié)果傳遞以供分析。結(jié)果和計算（來自標(biāo)準(zhǔn)S參數(shù)或數(shù)據(jù)比較）可以通過集成顯示器進行評估，也可以使用可用的輸入/輸出 (IO) 或通信協(xié)議進行訪問，常用的選擇是USB和LAN。

圖 7：2 端口網(wǎng)絡(luò)分析儀架構(gòu)的示例

雖然該圖捕捉了標(biāo)量或矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的基本工作原理，但了解兩者之間的區(qū)別很重要。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的功能是僅提供幅度信息，而忽略有關(guān)相位的任何信息。在簡單的增益/損耗、回波損耗和VSWR測量是主要關(guān)注點的情況下，這可能是一個不錯的選擇，例如在制造業(yè)。然而，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是研發(fā)環(huán)境中的最佳選擇，因為相位信息不僅對一些更具信息量的測量（即阻抗或群延遲）至關(guān)重要，而且還用于通過校準(zhǔn)過程應(yīng)用的系統(tǒng)校正。

網(wǎng)絡(luò)分析儀的發(fā)展已經(jīng)從具有嵌入式操作系統(tǒng)和集成顯示器的獨立單元轉(zhuǎn)變?yōu)槔脗€人計算機的功能和靈活性的更分散的解決方案?，F(xiàn)代VNA，特別是具有模塊化USB或PXI外形尺寸的VNA，旨在與PC無縫集成，成為計算機本身的擴展。這種安排有助于用戶從實驗室的設(shè)計階段過渡到創(chuàng)建可在生產(chǎn)中部署的自動化設(shè)置。此外，由于斷電后不會保留任何殘留數(shù)據(jù)，這些VNA可確保敏感的設(shè)置和測量信息保留在用戶的PC上。這意味著可以輕松共享VNA硬件，并且每個用戶都可以保留其獨特的配置，而不必?fù)?dān)心丟失或覆蓋。

三、S參數(shù)

簡而言之，VNA硬件的作用是通過測量入射、反射和傳輸信號的幅度和相位來捕獲散射參數(shù)或S參數(shù)數(shù)據(jù)，然后通過圖2中引用的測量結(jié)果告知操作員設(shè)備性能。為了全面了解所有S參數(shù)測量，重要的是要理解，雖然我們在圖2中看到入射光沿一個方向通過，但入射光也可能來自透鏡的另一側(cè)，并從另一個角度提供信息。圖8顯示了可以從2端口測試配置中獲得的全套S參數(shù)。

圖 8：通過源信號和測量信號定義 S 參數(shù)的概念

S11和S22都與反射有關(guān)。S11告訴您發(fā)送到設(shè)備的信號中有多少被反射回來，這一點至關(guān)重要，因為太多的反射意味著設(shè)備沒有正確吸收信號，從而影響性能。S22的作用相同，但它查看從設(shè)備發(fā)出的信號。無論哪種情況，都是參考特征阻抗Z0，輸入和輸出應(yīng)在某些頻率下與該阻抗匹配，以實現(xiàn)最大功率傳輸條件。測量S11和S22就像檢查房子的前門和后門，以確保它們在惡劣天氣條件下密封良好。

S21和S12處理傳輸。有多少信號從一個端口通過設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€端口。S21測量從輸入到輸出的信號，讓您了解信號傳輸?shù)男省Ａ硪环矫?，S12測量以相反方向通過設(shè)備的信號，即從輸出返回到輸入。雖然S21通常是焦點，因為它告訴我們信號的增益或損失，但S12也同樣重要，特別是當(dāng)隔離信號是關(guān)鍵關(guān)注點時。

四、TS-Sanko矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

TS-BNA系列矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通過提供先進的射頻測試功能，極大地幫助了工程師的工作。其寬頻率范圍、高動態(tài)范圍、低跡線噪聲和快速測量速度為研發(fā)等任務(wù)提供了準(zhǔn)確的結(jié)果。VNA的有效方向性和緊湊的尺寸使其便于現(xiàn)場測量。開放式界面允許工程師為特定項目定制儀器，從而促進創(chuàng)新。支持VISA協(xié)議可確保輕松集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中，從而節(jié)省工作流程時間。

TS-BNA 100系列(6.5GHz/8.5GHz) 雙端口

TS-BNA 1000系列 20GHz 雙端口

TS-BNA 1000系列(6.5GHz/8.5GHz) 2/4端口

五、總結(jié)

總之，VNA不僅僅是測試設(shè)備，它們更是RF領(lǐng)域質(zhì)量和性能的守門人。它們的重要性貫穿產(chǎn)品生命周期的每個階段，從構(gòu)思和設(shè)計到制造和現(xiàn)場部署。了解如何利用VNA的功能可以解鎖工程領(lǐng)域的新可能性，從而帶來創(chuàng)新，繼續(xù)突破電子和通信技術(shù)的可能性界限。

S參數(shù)是VNA用來衡量設(shè)備性能的關(guān)鍵指標(biāo)。S11和S22是反射參數(shù)，分別告訴我們從輸入和輸出反射回的信號量——這對于了解設(shè)備吸收和傳輸功率的能力至關(guān)重要。另一方面，S21和S12是傳輸參數(shù)，揭示了信號從一個端口到另一個端口通過設(shè)備傳輸?shù)男?。S21通常通過指示信號增益或損耗占據(jù)中心位置，而S12則提供對信號隔離的洞察，這在復(fù)雜的RF系統(tǒng)中尤為重要。

這些測量是通過網(wǎng)絡(luò)分析儀的內(nèi)部硬件實現(xiàn)的，其中包括用于頻率掃描的信號源、用于信號分離的定向耦合器和用于頻率分辨率的混頻器。校準(zhǔn)在抵消這些內(nèi)部組件的任何插入損耗方面起著至關(guān)重要的作用，確保測量的準(zhǔn)確性。當(dāng)今的VNA通常與PC接口，增強了數(shù)據(jù)和設(shè)置在不同開發(fā)和生產(chǎn)階段之間的可轉(zhuǎn)移性。這種設(shè)置還提高了安全性，因為所有敏感信息都駐留在PC上，遵守現(xiàn)有的安全協(xié)議。無論是用于反射、傳輸、阻抗還是延遲測量，VNA都是評估和確保設(shè)備和系統(tǒng)功效的關(guān)鍵工具。

審核編輯 黃宇