矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀基礎(chǔ)

網(wǎng)絡(luò)分析儀是最常用的一款射頻測試儀器，射頻工程師常常叫做網(wǎng)分，或者網(wǎng)分儀。網(wǎng)絡(luò)分析儀有兩種基本類型，一種就是標量網(wǎng)絡(luò)分析儀，一種就是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，英文縮寫為VNA。

網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠幫助我們完成很多種射頻測試，比如S參數(shù)，阻抗匹配，等等。

No.1為什么叫網(wǎng)絡(luò)分析儀呢？

我們在進行微波技術(shù)的學習中，有一章非常重要的章節(jié)叫做微波網(wǎng)絡(luò)，這個微波網(wǎng)絡(luò)就是我們用來分析射頻器件的數(shù)學基礎(chǔ)，幾乎所有的微波器件都可以稱之為一個網(wǎng)絡(luò)器件，找到屬于他的網(wǎng)絡(luò)模型，比如濾波器可以等效為一個兩端口網(wǎng)絡(luò)，功分器則可以等效為一個三端口網(wǎng)絡(luò)，定向耦合器則為一個四端口網(wǎng)絡(luò)。而描述這些網(wǎng)絡(luò)性能的參數(shù)成為網(wǎng)絡(luò)參量，比如S參數(shù)，Z參數(shù)，T參數(shù)，Y參數(shù)等等。最初的網(wǎng)絡(luò)分析儀就是用來測量這些網(wǎng)絡(luò)參量的，所以呢，這類儀器就叫做網(wǎng)絡(luò)分析儀。

標量網(wǎng)絡(luò)分析儀一般只能測試幅度，比如回波損耗，電壓駐波比，增益等幅度參量；而矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀則可以同時測量幅度和相位，可以表征 S 參數(shù)、匹配復雜阻抗、進行時域測量等。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量原理比較簡單，就是檢測入射波和反射波來計算測量端口的S參數(shù)。

基本框圖如下

No.2矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的主要指標

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是現(xiàn)在最常用的網(wǎng)絡(luò)分析儀，一臺矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀里面有一整套完整的信號發(fā)射機和接收機系統(tǒng)，用于測量入射波/反射波/傳輸波的幅度和相位，再以此來計算出測量端口的S參數(shù)。

所以呢在使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測量時，首先要確認它的一些關(guān)鍵參數(shù)，比如頻率范圍，動態(tài)范圍，功率范圍，痕跡噪聲等。

頻率范圍

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀最低頻一般從10MHz或者100kHz開始，最大頻率怎么我們所需要關(guān)注的，這個決定了這臺矢量網(wǎng)絡(luò)羅分析儀的最大頻率能不能適用待測器件的頻率。

網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC），可將輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。然后可以分析和顯示這些信號。ADC無法轉(zhuǎn)換射頻信號，因此入射信號必須向下變頻至ADC的工作頻率。該工作頻率稱為中頻 （IF）。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的最大頻率越高，其價格往往就越昂貴。

動態(tài)范圍

動態(tài)范圍是測量元件響應的功率范圍。該圖顯示了定義動態(tài)范圍的兩種不同方法。系統(tǒng)動態(tài)范圍是用于儀器規(guī)格的值。

系統(tǒng)動態(tài)范圍表示儀器在沒有升壓放大器的情況下的能力，并考慮了 DUT 增益。儀器的最大源功率為最大功率電平，P參考。接收機動態(tài)范圍是儀器在功率放大后的動態(tài)范圍。該規(guī)范不是使用源功率作為最大功率電平，而是基于儀器接收器可以測量的最大功率 Pmax。

下圖左圖顯示了帶通濾波器 S21 測量的軌跡，顯示了儀器的動態(tài)范圍。上界是平坦的，下界是嘈雜的。

輸出功率輸出功率表示 VNA 的信號發(fā)生器和測試裝置可以向 DUT 發(fā)送多少功率。它以 dBm 表示，并參考 50 歐姆阻抗以匹配大多數(shù)射頻傳輸線的特性阻抗。高輸出功率有助于提高測量的信噪比或確定被測設(shè)備的壓縮極限。許多有源器件（如放大器）需要具有挑戰(zhàn)性的線性和非線性高功率測量，這些測量超出了網(wǎng)絡(luò)分析儀的功率限制。痕量噪聲跡線噪聲是由于系統(tǒng)中的隨機噪聲而疊加在 DUT 響應上的噪聲。它會使信號看起來不流暢甚至抖動。通過提高測試功率、降低接收機帶寬或平均來緩解跡線噪聲。

No.3網(wǎng)絡(luò)分析儀為什么要校準？

我們在使用網(wǎng)絡(luò)分析儀之前，都要進行校準，為什么要校準呢？這是因為射頻測量是一個非常精確的測量，測量中的測試線，夾具，連接器等都會影響射頻測量的精度。而我們只希望測量得到待測器件的性能，不希望引入測試線纜，測試夾具，測試連接器帶來的誤差，這可以通過對校準來完成，把測量端面直接前置到待測器件處。

兩種最常見的校準方法是直通、反射、直線 （TRL） 和短路、開路、負載、直通 （SOLT）。這些方法是阻抗和傳輸測量的不同組合，用于表征用于校準的電纜和夾具。這些校準技術(shù)涉及將具有已知特性的標準連接到測量裝置，以代替 DUT。網(wǎng)絡(luò)分析儀可以通過將其測量值與標準值進行比較來對電纜和連接器進行校正。傳統(tǒng)上，校準是按照機械標準進行的。操作員將單獨進行每個連接，并讓儀器進行測量。完整的雙端口校準需要七個機械連接。此過程非常耗時，并且可能會出現(xiàn)用戶錯誤。

電子校準模塊只需一個連接即可以電子方式復制不同類型的負載。電子校準快速、可重復，并限制連接器的磨損。

No.4如何使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測量？

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測量時，不同的測量需要不同的設(shè)置。一般情況下分為以下幾個步驟。

準備工作：

確保矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀已正確接地并連接到穩(wěn)定的電源。

根據(jù)需要測量的頻率范圍選擇合適的測試端口數(shù)量（單端口、雙端口等）。

設(shè)置測量參數(shù)：

輸入測量的起始頻率和終止頻率。

設(shè)定所需的頻率分辨率和點數(shù)，以確定測量的詳細程度。

校準儀器：

執(zhí)行校準程序以消除系統(tǒng)誤差，包括測試電纜的校準、端口匹配校準等。使用標準校準件（短路、開路、負載和傳輸線）或者電子校準件進行校準。

連接待測設(shè)備（DUT）：

將待測設(shè)備通過適當?shù)臏y試電纜連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試端口。

執(zhí)行測量：

啟動測量程序，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀將自動掃描設(shè)定的頻率范圍，并記錄S參數(shù)數(shù)據(jù)。

查看和分析結(jié)果：

觀察測量結(jié)果，通常包括幅度（Magnitude）、相位（Phase）、群延遲（Group Delay）等。

使用VNA的內(nèi)置軟件工具分析數(shù)據(jù)，如查看反射系數(shù)（S11、S22）和傳輸系數(shù)（S21、S12）。

調(diào)整測量設(shè)置：

如果需要，根據(jù)初步測量結(jié)果調(diào)整測量參數(shù)或重新校準，以獲得更好的測量精度。

數(shù)據(jù)記錄和導出：

記錄測量數(shù)據(jù)，如果需要，將數(shù)據(jù)導出到計算機進行進一步分析。

維護儀器：

測量完成后，關(guān)閉矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀并進行適當?shù)木S護，如清潔測試端口和電纜連接。

高級分析（如果需要）：

使用更高級的分析技術(shù)，如誤差修正、去嵌入、網(wǎng)絡(luò)建模等，以獲得更深入的洞察。

安全操作：

遵守所有操作規(guī)程和安全指南，特別是在高頻和高功率測量時。

現(xiàn)在的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀越來越強大，甚至可以支持編程操作，詳細使用，還是要在操作中學習摸索。

參考文獻

1，Network Analysis | Keysight2，網(wǎng)絡(luò)分析 |是德科技 (keysight.com)3，矢量網(wǎng)絡(luò)分析的基本原理 應用指南 | Keysight4，PNA矢網(wǎng)分析儀(VNA) -是德科技Keysight