矢量網絡分析儀的工作原理

今天我們一起來聊一下網分的事情。

網分，全稱就是網絡分析儀（Network Analyzer），根據其功能又分為矢量網絡分析儀和標量網絡分析儀，顧名思義，矢量網絡分析儀就是能測器件的矢量性能，包括幅頻特性和相位特性，標量網絡分析儀就只能測試器件的幅頻特性了。因為矢量網絡分析儀的功能完全覆蓋了標量網分，因此在現在的射頻測試中，標量網絡分析儀用的很少了，可能很多小伙伴見都沒見過。

早期的Agilent8757D就是一款標量網絡分析儀，功能少，價錢相對就便宜一些。現在在某些場合還是能用到的。

那么現在我們實驗室常用的網絡分析儀就是矢量網絡分析儀了，簡稱矢網VNA。目前最主要的網分廠家就是美國的是德科技keysight和德國的羅德與施瓦茨Rohde & Schwarz了，還有日本的安立Anritsu，去年華為入股的中電科思儀Ceyear，不知道大家有沒有用過。當然還有Tek，就不一一列舉了。

對于我們射頻工程師來說，我們最離不開的一個是仿真軟件，一個是測試儀器。就仿佛我們自己的左膀右臂一樣，離開這兩樣東西，還真不知道自己能干什么？我們每天都和它打交道，怎么能不了解它呢？今天我們一起來聊一下網分的基本原理。

微波矢量網絡分析儀，就是用來測量微波器件的網絡參數，微波網絡我們在之前的文章中曾多次討論，網絡作為微波的基礎，我覺得學習再多次都不為過。我們在微波網絡一文中介紹可知，常用的微波網絡參數包括阻抗參數Z，導納參數Y，轉移參數A，散射參數S，和傳輸參數T，這些參數都可以用來描述微波網絡的性質，只是從不同的方面去描述而已，沒有本質上的不同，這些網絡參數之間可以通過公式來互相轉換。簡單來說，當我們知道這個網絡的阻抗參數之后，我們就可以推導出其他幾個參數，反之也可以推導出阻抗參數。所以矢量網絡分析儀的原理就比較簡單了，我們只要測試出其某一個網絡參數就可以了，其他的完全可以通過公式推導出來。類似下圖所示，我們只要測試出入射波反射波和投射波就可以得到微波網絡的參數特征了。

大家想起來這是那個參數了嗎？就是下圖定義的散射參數S。所以說，S參數太重要了，S11就是端口1的回波損耗RL/反射系數/VSWR,S21就是從端口1到端口2的傳輸系數/插入損耗.

得到S參數之后，其他參數也就呼之欲出了。不會轉化，查《微波工程》那本書就可以了。

原理是不是很簡單？那真要做出來就比較費勁了。下圖給出了一個N端口的矢量網絡分析儀的簡單示意圖。我們看到VNA的每一個端口都有一個收發信機，這個收發信機的發射機把入射波輸出到待測微波器件，然后反射波進入到接收機。這樣就可以得到每一個端口處的入射和反射特性。VNA通常通過一系列橋或耦合器來測量入射波和反射波。這些在VNA中稱為信號分離設備。這些被稱為定向設備。VNA測量中的缺陷在于耦合因子以及定向設備的方向性。

觀察上圖，我們可以看到，矢量網絡分析儀主要有四個部分組成：信號源RF Generator，測試端Test Set，接收通道Receivers和計算機Computer。

1，在每一個測試端口把信號分解成入射波和反射波，入射信號進入到參考路徑或者測試路徑。并且在輸出路徑上有一個電子衰減器來調節輸出信號的強弱，這個電子衰減器就決定了輸出信號的功率范圍，也就是我們通常設置的輸出電平。

2，信號源產生的信號通過一個Switch切換到工作（激活）端口，我們通常能觀察到激活端口的指示燈閃爍。

3，每個test set 接收到的信號傳輸給兩個接收機通道，測量通道和參考通道。

4，接收到的參考信號和測試信號通過A/D變換為數字信號，經過DSP處理之后，可以得到初始的測試值，一般情況下，測量值是復數，包含幅度和相位信息。

5，最后經過計算機系統進行數據處理，得到我們想要的數據。計算機主要負責數據的處理，顯示。當然遠程控制等也是由計算機來完成的。所以，我們現在所用的VNA自身就帶有一個Windows系統。

這樣，我們所設計的射頻器件的性能就測量出來了。

下圖是一個測試圖例

上文給出了矢網的測試原理，實際中每一個部件的設計都相當精密。

我們以測試一個單端口射頻器件為例，看一下矢網到底是怎么工作的。

如果我們需要測試這個單端口射頻器件的反射系數Γ，我們需要知道這個單端口器件的入射信號和反射信號。我們需要有一個定向器件來描述這個單端口入射波和反射波。這個定向器件是一個三端口網絡，如下圖所示，我們用不同顏色的箭頭表示反射波和入射波信號。信號源發射信號a1傳輸到端口2，傳輸系數是S21，進入到端口2 的信號b2。那么這個單端口器件的反射系數Γ就是反射波bDUT和入射波aDUT的比值，其實也就是a2/b2. 反射信號a2以S32作為傳輸系數進入到端口3，被測量接收機接收到。在理想匹配無耗情況下，定向器件的S21和S32都等于1。這樣在理想情況下，發射機輸出信號a1是已知的，接收到的信號b3也是已知的（被測量出的），那么這個單端口器件的反射系數就是b3/a1，就被測試出來了。