矢量网络分析仪（VNA）基础解析与应用指南（二）-电子发烧友网

上一篇文章介绍了使用VNA和其他RF设备相关应用的基础术语，概述组成VNA体系结构的硬件生态系统及对S参数的理解。本章将继续为您介绍微波射频简介、矢量网络分析仪原理及测量对象。

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一、微波射频简介

射频微波技术覆盖了1 GHz到300 GHz的电磁波频段，这一技术因其高效的传播特性和宽频带宽度而在通信、雷达、遥感等领域扮演着核心角色。射频微波信号的直射性和穿透能力，使其在长距离无线通信中尤为有效，同时在遇到不同介质时产生的反射和折射现象，也为各种射频器件的设计带来了挑战。这些射频器件，如滤波器、放大器、天线等，是无线通信系统的关键组成部分，它们的性能直接影响到整个系统的运行效率和质量。

为了确保这些射频器件的性能达到设计标准，工程师们通常需要使用矢量网络分析仪进行精确测量。矢量网络分析仪能够提供关于器件的幅度、相位、阻抗等关键参数的详细信息，从而帮助工程师们优化设计，提升射频系统的整体性能。矢量网络分析仪成为了射频微波领域研究和开发中不可或缺的工具。

二、微波网络表述

在了解矢网原理之前，先介绍一些微波网络相关的知识。

微波网络系统是由很多微波器件组成的，在分析微波系统特性的时候，为了使分析简单化，根据微波系统的复杂程度，可将微波系统简化为：

单端口（负载等）

二端口（滤波器，衰减器等）

多端口（多端口天线，环形器等）

注：由于上期详细介绍了S11，S21，S12，S22参数，本期不再赘述

1、反射系数 (Return Loss)（如S11，S22）

反射是由终端不匹配造成的，反射系数是指微波网络匹配特性的一种衡量方式，如驻波比、回波损耗特性阻抗等形式，其量值可以由下式计算：

2、传输参数(Insertion Loss)

传输参数反映了微波网络的传输特性，如：衰减、插损、隔离度、增益等。

网络分析仪能精确测量入射能量、反射能量和传输能量。

三、矢量网络分析仪原理

上期有跟大家分享矢量网络分析仪都由哪些设备组成。这一期跟大家详细分享下他的测试原理。

二端口矢量网络分析仪（VNA）是射频微波领域的关键测试设备，其工作原理基于对微波网络S参数（散射参数）的精确测量。VNA通过复杂的内部电路和算法，能够对待测器件（DUT）的反射和传输特性进行深入分析。

1、反射系数

在反射测量过程中，VNA内部的一个信号源通过一个功分器被分为两路，一路直接作为参考信号，另一路则通过一个定向耦合器。定向耦合器的作用是分离出入射到DUT的信号和从DUT反射回来的信号。端口1发射的信号通过DUT并在其输入端口产生反射。反射回来的信号由端口1的接收机接收，同时，定向耦合器提取出参考信号R1。此时，VNA会比较端口1的接收机捕获的反射信号与耦合器提取的参考信号的幅度和相位差，从而计算出反射系数（S11参数），揭示了DUT输入端口的反射特性。类似地，端口2的反射系数（S22参数）也可以通过将信号从端口2输入并测量其反射来获得。

2、传输系数

传输测量则涉及端口1发射的信号通过DUT，并在端口2被接收。在这个过程中，端口2的接收机会捕获传输信号，而VNA会比较接收机B捕获的传输信号与耦合器提取的参考信号R2的幅度和相位差。通过分析这两个信号的幅度和相位差异，VNA计算出传输系数（S21参数），这代表了DUT的传输特性。

VNA采用频率扫描技术，通过改变信号源的频率，能够全面分析DUT在整个频带范围内的反射和传输特性。内部的电路和算法不仅负责精确控制信号源，还确保了通过定向耦合器分离的参考信号与反射/传输信号的分离和测量。这些信号经过数学处理后转化为S参数，并以图表或数字形式展示给用户，为射频微波系统的设计和优化提供了详尽的数据支持。

而对于四端口矢量网络分析仪，测试原理类似，但包括了更多的S参数测量。除了S11、S21、S12和S22，还会测量S13、S31、S23和S32等参数，这些参数分别代表了不同端口之间的传输和反射特性。四端口VNA可以同时或分别测量这些参数，适用于更复杂的网络分析，如多端口滤波器、多路复用器和其他多端口微波组件。这要求VNA具有更多的信号源、接收机和定向耦合器，以及更复杂的内部电路和算法来处理多个端口之间的相互作用。

四、矢量网络分析仪的测量对象

矢网（矢量网络分析仪）的测试对象确实非常多样，涵盖了从简单的无源组件到复杂的微波系统。

1、单端口测试对象

匹配终端：用于确保系统中的反射最小化，通常用于校准矢网和测试其他设备的反射数。

负载：用于模拟终端负载，测试其反射和吸收特性。

标准传输线：用于校准矢网，确定精确的传输特性。

2、双端口测试对象

天线：测试其驻波比、回波损耗、增益和方向性等参数。

滤波器：评估其带内插损、带外抑制、通带平坦度和群延迟等特性。

衰减器：测量其在不同频率下的衰减程度和一致性。

隔离器：检查其正向传输和反向隔离的性能。

放大器：分析其增益、输入输出反射系数、线性度和稳定性等。