VNA 深入该领域

作者： MARTIN ROWE 高级技术编辑，测试与测量，EDN 和 EE Times

射频 (RF)/微波工程师使用矢量网络分析仪 (VNA) 来表征连接器、电缆、滤波器、放大器、PCB 走线等组件。VNA 也已成为信号完整性工程师的重要工具。但这些工程师经常使用的高端台式 VNA 价格昂贵，运行数十万美元。近年来，一类低成本的手持式和 USB VNA 使散射参数（S 参数）测量可用于新应用。现在的应用包括材料表征、雪深和成分、土壤成分、医学成像等。

VNA 本质上是一个高频源测量单元。它将物体或电路激发到一定范围的射频频率，并以 S 参数的形式测量响应（参考文献 1、2）。S 参数提供有关进入、退出和被测试设备、对象或材料反射的信号功率（幅度和相位）的信息。大多数便携式和 USB VNA 提供两个端口，其中每个端口都可以发送和接收射频波。这会产生四次测量，通常被描述为 2 × 2 矩阵。图 1 显示了矩阵和四个 S 参数。

图 1：双端口设备、系统或被测对象连接到双端口 VNA，产生 2 × 2 的 S 参数矩阵。

S11 和 S21 被称为前向 S 参数，因为入射波在端口 1 进入待测设备或材料。S11 定义为从端口 1 反射的波与在端口 1 进入的入射波的比率（参考文献3）。S21 定义为从端口 2 出射的波与在端口 1 进入的入射波之比。

S12 和 S22 是反向 S 参数。S22 是从端口 2 反射的波除以从端口 2 进入的入射波的比率。S12 是从端口 1 出射的波与进入端口 2 的入射波的比率。 S 参数值（幅度和相位）随频率变化。

图 1中的 DUT 不必是电气设备；它几乎可以是任何东西。您只需要一种向 VNA 发送信号和从 VNA 接收信号的方法。电气设备通常具有连接器，可通过电缆将其连接到 VNA 端口，或者它们可以连接到 PCB。其他物体或物质可能需要不同的接口，例如天线。

雪中的天线Jakop Reistad 在他的硕士论文（参考文献 4）中使用 VNA 来评估一种共振探头（图 2），该探头设计用于通过挪威雪发送和接收信号以测量雪的密度和成分。

图 2：此探头设计用于连接 VNA，以测量雪的密度和成分。图片：Jackop Reistad，挪威北极大学。

Reistad 使用 miniVNA Tiny（来自 Mini Radio Solutions 的 600 美元以下的 USB VNA）来发送和接收信号。其频率范围为 1 MHz 至 3 GHz。

“介电常数是一个具有实部和虚部的复数，”Reistad 解释说。“对于干雪，介电常数几乎完全是实数，实数部分几乎随雪密度线性变化。随着含水量的增加，复杂部分占主导地位。因此，两个主要的‘物理’参数是密度和含水量。”

为了计算介电常数，进而计算雪密度，Reistad 必须首先找到雪的共振频率，该频率可以从 S 参数测量中获得。“共振频率与介电常数成反比。我们可以通过研究谐振探头的品质因数来找到湿度。含水量的增加会降低品质因数并扩大共振峰。”

在另一个雪应用中，VNA 被用于测量极地地区的冰层深度，方法是向冰层中注入射频信号并测量返回的功率。连续测量的相位变化提供了计算冰厚度变化所需的数据。绝对厚度可以通过在不同频率进行相位测量或通过对频域数据进行快速傅里叶逆变换 (iFFT) 来计算。这些测量结果让科学家们看到了气候变化对极地冰的影响。所有这些方法都产生类似于雷达的结果，其中将射频脉冲注入冰中（参考文献 5）。

材料表征Compass Technology Group LLC 开发定制夹具，其客户使用这些夹具来获得材料的固有特性。“材料的内在特性描述了它的行为方式，”Compass Technology 的首席科学家 John Schultz 说。图 3 显示了该公司在 2018 年国际微波研讨会上展示的测试夹具。

图 3：Compass Technology 的测试夹具使用定制天线从 VNA 向被测材料发送和接收信号。图片：马丁·罗。

在图 3中，Copper Mountain Technologies 的 VNA 对材料进行激发并计算 S 参数。专有软件根据幅度和相位计算被测材料的内在特性。

感兴趣的参数是材料的介电常数和磁导率的实部和虚部。Compass Technology 测试的材料包括低损耗和高损耗材料。低损耗材料通常用于天线，而高损耗材料可能成为吸收体。虽然该公司通常在将材料集成到设计中之前对其进行测试，但它也测试了飞机机盖等成品。

其他用途USB VNA 制造商 Pico Technology 的 Mark Ashcroft 看到了该公司 PicoVNA 的不寻常用途。例如，VNA 可用于测试电流通常为 60 A 至 100 A 的电气螺栓的完整性。

在本应用中，S11 是重要参数。如果随着时间的推移焊接断裂，S11 将随着更多的能量反射到传输端口而发生变化。从 S11 和 S21 测量生成的谐振频率图的 iFFT 生成时域图，可以指示裂缝的位置。

VNA 已证明其在科学和工程测量中的实用性。他们只需要天线或其他探头即可将信号注入被测材料并提取反射和发射功率。

审核编辑 黄昊宇