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(cè)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(lèi)型，一種就是標(biāo)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(xiě)為VNA。

網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠幫助我們完成很多種射頻測(cè)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?cè)谶M(jìn)行微波技術(shù)的學(xué)習(xí)中，有一章非常重要的章節(jié)叫做微波網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)微波網(wǎng)絡(luò)就是我們用來(lái)分析射頻器件的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，幾乎所有的微波器件都可以稱(chēng)之為一個(gè)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(gè)兩端口網(wǎng)絡(luò)，功分器則可以等效為一個(gè)三端口網(wǎng)絡(luò)，定向耦合器則為一個(gè)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(lái)測(cè)量這些網(wǎng)絡(luò)參量的，所以呢，這類(lèi)儀器就叫做網(wǎng)絡(luò)分析儀。

標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀一般只能測(cè)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(shí)測(cè)量幅度和相位，可以表征 S 參數(shù)、匹配復(fù)雜阻抗、進(jìn)行時(shí)域測(cè)量等。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量原理比較簡(jiǎn)單，就是檢測(cè)入射波和反射波來(lái)計(jì)算測(cè)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(biāo)

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(tái)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀里面有一整套完整的信號(hào)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)系統(tǒng)，用于測(cè)量入射波/反射波/傳輸波的幅度和相位，再以此來(lái)計(jì)算出測(cè)量端口的S參數(shù)。

所以呢在使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)量時(shí)，首先要確認(rèn)它的一些關(guān)鍵參數(shù)，比如頻率范圍，動(dòng)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(kāi)始，最大頻率怎么我們所需要關(guān)注的，這個(gè)決定了這臺(tái)矢量網(wǎng)絡(luò)羅分析儀的最大頻率能不能適用待測(cè)器件的頻率。

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

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的最大頻率越高，其價(jià)格往往就越昂貴。

動(dòng)態(tài)范圍

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

系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍表示儀器在沒(méi)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(jī)動(dòng)態(tài)范圍是儀器在功率放大后的動(dòng)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(cè)量的最大功率 Pmax。

下圖左圖顯示了帶通濾波器 S21 測(cè)量的軌跡，顯示了儀器的動(dòng)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(hào)發(fā)生器和測(cè)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(cè)量的信噪比或確定被測(cè)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(cè)量，這些測(cè)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(jī)噪聲而疊加在 DUT 響應(yīng)上的噪聲。它會(huì)使信號(hào)看起來(lái)不流暢甚至抖動(dòng)。通過(guò)提高測(cè)試功率、降低接收機(jī)帶寬或平均來(lái)緩解跡線噪聲。

No.3網(wǎng)絡(luò)分析儀為什么要校準(zhǔn)？

我們?cè)谑褂镁W(wǎng)絡(luò)分析儀之前，都要進(jìn)行校準(zhǔn)，為什么要校準(zhǔn)呢？這是因?yàn)樯漕l測(cè)量是一個(gè)非常精確的測(cè)量，測(cè)量中的測(cè)試線，夾具，連接器等都會(huì)影響射頻測(cè)量的精度。而我們只希望測(cè)量得到待測(cè)器件的性能，不希望引入測(cè)試線纜，測(cè)試夾具，測(cè)試連接器帶來(lái)的誤差，這可以通過(guò)對(duì)校準(zhǔn)來(lái)完成，把測(cè)量端面直接前置到待測(cè)器件處。

兩種最常見(jiàn)的校準(zhǔn)方法是直通、反射、直線 （TRL） 和短路、開(kāi)路、負(fù)載、直通 （SOLT）。這些方法是阻抗和傳輸測(cè)量的不同組合，用于表征用于校準(zhǔn)的電纜和夾具。這些校準(zhǔn)技術(shù)涉及將具有已知特性的標(biāo)準(zhǔn)連接到測(cè)量裝置，以代替 DUT。網(wǎng)絡(luò)分析儀可以通過(guò)將其測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較來(lái)對(duì)電纜和連接器進(jìn)行校正。傳統(tǒng)上，校準(zhǔn)是按照機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的。操作員將單獨(dú)進(jìn)行每個(gè)連接，并讓儀器進(jìn)行測(cè)量。完整的雙端口校準(zhǔn)需要七個(gè)機(jī)械連接。此過(guò)程非常耗時(shí)，并且可能會(huì)出現(xiàn)用戶錯(cuò)誤。

電子校準(zhǔn)模塊只需一個(gè)連接即可以電子方式復(fù)制不同類(lèi)型的負(fù)載。電子校準(zhǔn)快速、可重復(fù)，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(jìn)行測(cè)量？

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

準(zhǔn)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(cè)量的頻率范圍選擇合適的測(cè)試端口數(shù)量（單端口、雙端口等）。

設(shè)置測(cè)量參數(shù)：

輸入測(cè)量的起始頻率和終止頻率。

設(shè)定所需的頻率分辨率和點(diǎn)數(shù)，以確定測(cè)量的詳細(xì)程度。

校準(zhǔn)儀器：

執(zhí)行校準(zhǔn)程序以消除系統(tǒng)誤差，包括測(cè)試電纜的校準(zhǔn)、端口匹配校準(zhǔn)等。使用標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件（短路、開(kāi)路、負(fù)載和傳輸線）或者電子校準(zhǔn)件進(jìn)行校準(zhǔn)。

連接待測(cè)設(shè)備（DUT）：

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

執(zhí)行測(cè)量：

啟動(dòng)測(cè)量程序，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀將自動(dòng)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(cè)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(cè)量設(shè)置：

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

數(shù)據(jù)記錄和導(dǎo)出：

記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，如果需要，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

維護(hù)儀器：

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

高級(jí)分析（如果需要）：

使用更高級(jí)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(cè)量時(shí)。

現(xiàn)在的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀越來(lái)越強(qiáng)大，甚至可以支持編程操作，詳細(xì)使用，還是要在操作中學(xué)習(xí)摸索。

參考文獻(xiàn)

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(yīng)用指南 | Keysight4，PNA矢網(wǎng)分析儀(VNA) -是德科技Keysight