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(jìn)行表征，測(cè)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(cè)設(shè)備（DUT）通常用于射頻（RF）應(yīng)用，涉及了解單個(gè)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(hào)與反射和傳輸信號(hào)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，從而得出阻抗和信號(hào)強(qiáng)度。信號(hào)進(jìn)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(hào)與反射和傳輸信號(hào)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)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(jiàn)解，幫助您開(kāi)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(yǔ)

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

● 對(duì)S參數(shù)的理解。

一、VNA測(cè)量概述和常見(jiàn)術(shù)語(yǔ)

VNA的工作原理通常與光線通過(guò)透鏡時(shí)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(gè)光源都能通過(guò)透鏡，但我們知道，透鏡的一些屬性可能會(huì)導(dǎo)致入射光強(qiáng)度的增大或減小，還有一些缺陷可能會(huì)使信號(hào)失真或偏斜。我們將通過(guò)透鏡后的信號(hào)稱為傳輸信號(hào)。

圖 1：光穿過(guò)透鏡時(shí)響應(yīng)的一般概念

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

RF系統(tǒng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。為了量化這?點(diǎn)，需要測(cè)量入射信號(hào)、反射信號(hào)和傳輸信號(hào)。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(cè)量，圖2給出了示例，后?的?本中提供了每個(gè)測(cè)量的定義。

圖 2：使用來(lái)自入射、反射和傳輸信號(hào)的測(cè)量信息對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行的 VNA測(cè)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(cè)器件反射的功率的量度。回波損耗以分貝（dB）表示，表示在每個(gè)反射界面上損失了多少dB。通常，在單個(gè)頻率下測(cè)量回波損耗，以確定被測(cè)器件是否可能被高功率信號(hào)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(hào)的多少功率從被測(cè)設(shè)備反射。反射系數(shù)可以用電壓或電流來(lái)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(duì)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(shí)，功率或信號(hào)強(qiáng)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(shí)，功率或信號(hào)強(qiáng)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(shí)間點(diǎn)的波的位置，介于0到360度之間

電長(zhǎng)度【Electrical Length】：?個(gè)?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(guò)導(dǎo)體的特定頻率交流電的波長(zhǎng)

電延遲【Electrical Delay】：電信號(hào)通過(guò)DUT所需的時(shí)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(shí)

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(hào)源

因?yàn)槲覀兿胍^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(hào)源（圖3）使用受控功率級(jí)在感興趣的范圍內(nèi)執(zhí)行重復(fù)頻率掃描。在對(duì)放大器進(jìn)行增益壓縮點(diǎn)測(cè)試時(shí)，還可以將源配置為使用已知頻率或一組頻率進(jìn)行功率掃描。

圖 3：射頻信號(hào)源符號(hào)

2.開(kāi)關(guān)

一些多端口網(wǎng)絡(luò)分析儀拓?fù)淇赡苁褂脝蝹€(gè)源來(lái)驅(qū)動(dòng)所有端口。在這種情況下，開(kāi)關(guān)有助于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)的示例。

圖 4：不同的開(kāi)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(guò)信號(hào)分離硬件進(jìn)行測(cè)量，有助于最大限度地減少在入射、反射或傳輸信號(hào)的直接路徑上放置傳感器的侵入性。這可以通過(guò)使用定向耦合器或定向橋來(lái)實(shí)現(xiàn)，后者不是本文的重點(diǎn)。從圖5A中，我們可以看到入射信號(hào)如何進(jìn)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(hào)通常比入射信號(hào)低10到20 dB左右，并被VNA用來(lái)進(jìn)行測(cè)量。在許多情況下，定向耦合器端口3上的輸出會(huì)受到某些電阻或衰減的緩沖。

圖 5：A) 定向耦合器符號(hào)，耦合信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)為 -20 dB。B) 定向耦合器符號(hào)，每個(gè)電阻符號(hào)增加衰減。

在這些情況下，設(shè)備的符號(hào)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(cè)量反射信號(hào)中的入射光，因此在網(wǎng)絡(luò)分析儀拓?fù)渲型ǔ?huì)發(fā)現(xiàn)多個(gè)耦合設(shè)備。雖然耦合設(shè)備是采樣信號(hào)的最佳選擇，但它們會(huì)帶來(lái)一定程度的插入損耗，并對(duì)系統(tǒng)的整體方向性產(chǎn)生影響。任何開(kāi)關(guān)或混頻器也存在類似的情況。不過(guò)，其中大部分最終可以通過(guò)工廠和測(cè)量校準(zhǔn)來(lái)補(bǔ)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(jiàn)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(guò)下變頻器確定信號(hào)通帶。有些圖表可能會(huì)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(hào)處理 (DSP) 階段來(lái)實(shí)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(hào)

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(jì)算（來(lái)自標(biāo)準(zhǔn)S參數(shù)或數(shù)據(jù)比較）可以通過(guò)集成顯示器進(jìn)行評(píng)估，也可以使用可用的輸入/輸出 (IO) 或通信協(xié)議進(jìn)行訪問(wèn)，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(jiǎn)單的增益/損耗、回波損耗和VSWR測(cè)量是主要關(guān)注點(diǎn)的情況下，這可能是一個(gè)不錯(cuò)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?yàn)橄辔恍畔⒉粌H對(duì)一些更具信息量的測(cè)量（即阻抗或群延遲）至關(guān)重要，而且還用于通過(guò)校準(zhǔn)過(guò)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(dú)立單元轉(zhuǎn)變?yōu)槔脗€(gè)人計(jì)算機(jī)的功能和靈活性的更分散的解決方案。現(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(wú)縫集成，成為計(jì)算機(jī)本身的擴(kuò)展。這種安排有助于用戶從實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)階段過(guò)渡到創(chuàng)建可在生產(chǎn)中部署的自動(dòng)化設(shè)置。此外，由于斷電后不會(huì)保留任何殘留數(shù)據(jù)，這些VNA可確保敏感的設(shè)置和測(cè)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(gè)用戶都可以保留其獨(dú)特的配置，而不必?fù)?dān)心丟失或覆蓋。

三、S參數(shù)

簡(jiǎn)而言之，VNA硬件的作用是通過(guò)測(cè)量入射、反射和傳輸信號(hào)的幅度和相位來(lái)捕獲散射參數(shù)或S參數(shù)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)圖2中引用的測(cè)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(cè)量，重要的是要理解，雖然我們?cè)趫D2中看到入射光沿一個(gè)方向通過(guò)，但入射光也可能來(lái)自透鏡的另一側(cè)，并從另一個(gè)角度提供信息。圖8顯示了可以從2端口測(cè)試配置中獲得的全套S參數(shù)。

圖 8：通過(guò)源信號(hào)和測(cè)量信號(hào)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(hào)中有多少被反射回來(lái)，這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)樘嗟姆瓷湟馕吨O(shè)備沒(méi)有正確吸收信號(hào)，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(hào)。無(wú)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(shí)現(xiàn)最大功率傳輸條件。測(cè)量S11和S22就像檢查房子的前門和后門，以確保它們?cè)趷毫犹鞖鈼l件下密封良好。

S21和S12處理傳輸。有多少信號(hào)從一個(gè)端口通過(guò)設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€(gè)端口。S21測(cè)量從輸入到輸出的信號(hào)，讓您了解信號(hào)傳輸?shù)男省Ａ硪环矫妫琒12測(cè)量以相反方向通過(guò)設(shè)備的信號(hào)，即從輸出返回到輸入。雖然S21通常是焦點(diǎn)，因?yàn)樗嬖V我們信號(hào)的增益或損失，但S12也同樣重要，特別是當(dāng)隔離信號(hào)是關(guān)鍵關(guān)注點(diǎn)時(shí)。

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(guò)提供先進(jìn)的射頻測(cè)試功能，極大地幫助了工程師的工作。其寬頻率范圍、高動(dòng)態(tài)范圍、低跡線噪聲和快速測(cè)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(chǎng)測(cè)量。開(kāi)放式界面允許工程師為特定項(xiàng)目定制儀器，從而促進(jìn)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(shí)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(cè)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(gè)階段，從構(gòu)思和設(shè)計(jì)到制造和現(xiàn)場(chǎng)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(lái)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(lái)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(hào)量——這對(duì)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(hào)從一個(gè)端口到另一個(gè)端口通過(guò)設(shè)備傳輸?shù)男省21通常通過(guò)指示信號(hào)增益或損耗占據(jù)中心位置，而S12則提供對(duì)信號(hào)隔離的洞察，這在復(fù)雜的RF系統(tǒng)中尤為重要。

這些測(cè)量是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀的內(nèi)部硬件實(shí)現(xiàn)的，其中包括用于頻率掃描的信號(hào)源、用于信號(hào)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(cè)量的準(zhǔn)確性。當(dāng)今的VNA通常與PC接口，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)和設(shè)置在不同開(kāi)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?yàn)樗忻舾行畔⒍捡v留在PC上，遵守現(xiàn)有的安全協(xié)議。無(wú)論是用于反射、傳輸、阻抗還是延遲測(cè)量，VNA都是評(píng)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