矢量网络分析仪基础

网络分析仪是最常用的一款射频测试仪器，射频工程师常常叫做网分，或者网分仪。网络分析仪有两种基本类型，一种就是标量网络分析仪，一种就是矢量网络分析仪，英文缩写为VNA。

网络分析仪能够帮助我们完成很多种射频测试，比如S参数，阻抗匹配，等等。

No.1为什么叫网络分析仪呢？

我们在进行微波技术的学习中，有一章非常重要的章节叫做微波网络，这个微波网络就是我们用来分析射频器件的数学基础，几乎所有的微波器件都可以称之为一个网络器件，找到属于他的网络模型，比如滤波器可以等效为一个两端口网络，功分器则可以等效为一个三端口网络，定向耦合器则为一个四端口网络。而描述这些网络性能的参数成为网络参量，比如S参数，Z参数，T参数，Y参数等等。最初的网络分析仪就是用来测量这些网络参量的，所以呢，这类仪器就叫做网络分析仪。

标量网络分析仪一般只能测试幅度，比如回波损耗，电压驻波比，增益等幅度参量；而矢量网络分析仪则可以同时测量幅度和相位，可以表征 S 参数、匹配复杂阻抗、进行时域测量等。

矢量网络分析仪的测量原理比较简单，就是检测入射波和反射波来计算测量端口的S参数。

基本框图如下

No.2矢量网络分析仪的主要指标

矢量网络分析仪是现在最常用的网络分析仪，一台矢量网络分析仪里面有一整套完整的信号发射机和接收机系统，用于测量入射波/反射波/传输波的幅度和相位，再以此来计算出测量端口的S参数。

所以呢在使用网络分析仪进行测量时，首先要确认它的一些关键参数，比如频率范围，动态范围，功率范围，痕迹噪声等。

频率范围

矢量网络分析仪最低频一般从10MHz或者100kHz开始，最大频率怎么我们所需要关注的，这个决定了这台矢量网络罗分析仪的最大频率能不能适用待测器件的频率。

网络分析仪接收机包含模数转换器 （ADC），可将输入信号转换为数字格式。然后可以分析和显示这些信号。ADC无法转换射频信号，因此入射信号必须向下变频至ADC的工作频率。该工作频率称为中频 （IF）。

矢量网络分析仪的最大频率越高，其价格往往就越昂贵。

动态范围

动态范围是测量元件响应的功率范围。该图显示了定义动态范围的两种不同方法。系统动态范围是用于仪器规格的值。

系统动态范围表示仪器在没有升压放大器的情况下的能力，并考虑了 DUT 增益。仪器的最大源功率为最大功率电平，P参考。接收机动态范围是仪器在功率放大后的动态范围。该规范不是使用源功率作为最大功率电平，而是基于仪器接收器可以测量的最大功率 Pmax。

下图左图显示了带通滤波器 S21 测量的轨迹，显示了仪器的动态范围。上界是平坦的，下界是嘈杂的。

输出功率输出功率表示 VNA 的信号发生器和测试装置可以向 DUT 发送多少功率。它以 dBm 表示，并参考 50 欧姆阻抗以匹配大多数射频传输线的特性阻抗。高输出功率有助于提高测量的信噪比或确定被测设备的压缩极限。许多有源器件（如放大器）需要具有挑战性的线性和非线性高功率测量，这些测量超出了网络分析仪的功率限制。痕量噪声迹线噪声是由于系统中的随机噪声而叠加在 DUT 响应上的噪声。它会使信号看起来不流畅甚至抖动。通过提高测试功率、降低接收机带宽或平均来缓解迹线噪声。

No.3网络分析仪为什么要校准？

我们在使用网络分析仪之前，都要进行校准，为什么要校准呢？这是因为射频测量是一个非常精确的测量，测量中的测试线，夹具，连接器等都会影响射频测量的精度。而我们只希望测量得到待测器件的性能，不希望引入测试线缆，测试夹具，测试连接器带来的误差，这可以通过对校准来完成，把测量端面直接前置到待测器件处。

两种最常见的校准方法是直通、反射、直线 （TRL） 和短路、开路、负载、直通 （SOLT）。这些方法是阻抗和传输测量的不同组合，用于表征用于校准的电缆和夹具。这些校准技术涉及将具有已知特性的标准连接到测量装置，以代替 DUT。网络分析仪可以通过将其测量值与标准值进行比较来对电缆和连接器进行校正。传统上，校准是按照机械标准进行的。操作员将单独进行每个连接，并让仪器进行测量。完整的双端口校准需要七个机械连接。此过程非常耗时，并且可能会出现用户错误。

电子校准模块只需一个连接即可以电子方式复制不同类型的负载。电子校准快速、可重复，并限制连接器的磨损。

No.4如何使用矢量网络分析仪进行测量？

使用矢量网络分析仪进行测量时，不同的测量需要不同的设置。一般情况下分为以下几个步骤。

准备工作：

确保矢量网络分析仪已正确接地并连接到稳定的电源。

根据需要测量的频率范围选择合适的测试端口数量（单端口、双端口等）。

设置测量参数：

输入测量的起始频率和终止频率。

设定所需的频率分辨率和点数，以确定测量的详细程度。

校准仪器：

执行校准程序以消除系统误差，包括测试电缆的校准、端口匹配校准等。使用标准校准件（短路、开路、负载和传输线）或者电子校准件进行校准。

连接待测设备（DUT）：

将待测设备通过适当的测试电缆连接到矢量网络分析仪的测试端口。

执行测量：

启动测量程序，矢量网络分析仪将自动扫描设定的频率范围，并记录S参数数据。

查看和分析结果：

观察测量结果，通常包括幅度（Magnitude）、相位（Phase）、群延迟（Group Delay）等。

使用VNA的内置软件工具分析数据，如查看反射系数（S11、S22）和传输系数（S21、S12）。

调整测量设置：

如果需要，根据初步测量结果调整测量参数或重新校准，以获得更好的测量精度。

数据记录和导出：

记录测量数据，如果需要，将数据导出到计算机进行进一步分析。

维护仪器：

测量完成后，关闭矢量网络分析仪并进行适当的维护，如清洁测试端口和电缆连接。

高级分析（如果需要）：

使用更高级的分析技术，如误差修正、去嵌入、网络建模等，以获得更深入的洞察。

安全操作：

遵守所有操作规程和安全指南，特别是在高频和高功率测量时。

现在的矢量网络分析仪越来越强大，甚至可以支持编程操作，详细使用，还是要在操作中学习摸索。

参考文献

1，Network Analysis | Keysight2，网络分析 |是德科技 (keysight.com)3，矢量网络分析的基本原理 应用指南 | Keysight4，PNA矢网分析仪(VNA) -是德科技Keysight