作者： MARTIN ROWE 高級技術編輯，測試與測量，EDN 和 EE Times

射頻 (RF)/微波工程師使用矢量網絡分析儀 (VNA) 來表征連接器、電纜、濾波器、放大器、PCB 走線等組件。VNA 也已成為信號完整性工程師的重要工具。但這些工程師經常使用的高端臺式 VNA 價格昂貴，運行數十萬美元。近年來，一類低成本的手持式和 USB VNA 使散射參數（S 參數）測量可用于新應用。現在的應用包括材料表征、雪深和成分、土壤成分、醫學成像等。

VNA 本質上是一個高頻源測量單元。它將物體或電路激發到一定范圍的射頻頻率，并以 S 參數的形式測量響應（參考文獻 1、2）。S 參數提供有關進入、退出和被測試設備、對象或材料反射的信號功率（幅度和相位）的信息。大多數便攜式和 USB VNA 提供兩個端口，其中每個端口都可以發送和接收射頻波。這會產生四次測量，通常被描述為 2 × 2 矩陣。圖 1 顯示了矩陣和四個 S 參數。

圖 1：雙端口設備、系統或被測對象連接到雙端口 VNA，產生 2 × 2 的 S 參數矩陣。

S11 和 S21 被稱為前向 S 參數，因為入射波在端口 1 進入待測設備或材料。S11 定義為從端口 1 反射的波與在端口 1 進入的入射波的比率（參考文獻3）。S21 定義為從端口 2 出射的波與在端口 1 進入的入射波之比。

S12 和 S22 是反向 S 參數。S22 是從端口 2 反射的波除以從端口 2 進入的入射波的比率。S12 是從端口 1 出射的波與進入端口 2 的入射波的比率。 S 參數值（幅度和相位）隨頻率變化。

圖 1中的 DUT 不必是電氣設備；它幾乎可以是任何東西。您只需要一種向 VNA 發送信號和從 VNA 接收信號的方法。電氣設備通常具有連接器，可通過電纜將其連接到 VNA 端口，或者它們可以連接到 PCB。其他物體或物質可能需要不同的接口，例如天線。

雪中的天線Jakop Reistad 在他的碩士論文（參考文獻 4）中使用 VNA 來評估一種共振探頭（圖 2），該探頭設計用于通過挪威雪發送和接收信號以測量雪的密度和成分。

圖 2：此探頭設計用于連接 VNA，以測量雪的密度和成分。圖片：Jackop Reistad，挪威北極大學。

Reistad 使用 miniVNA Tiny（來自 Mini Radio Solutions 的 600 美元以下的 USB VNA）來發送和接收信號。其頻率范圍為 1 MHz 至 3 GHz。

“介電常數是一個具有實部和虛部的復數，”Reistad 解釋說。“對于干雪，介電常數幾乎完全是實數，實數部分幾乎隨雪密度線性變化。隨著含水量的增加，復雜部分占主導地位。因此，兩個主要的‘物理’參數是密度和含水量。”

為了計算介電常數，進而計算雪密度，Reistad 必須首先找到雪的共振頻率，該頻率可以從 S 參數測量中獲得。“共振頻率與介電常數成反比。我們可以通過研究諧振探頭的品質因數來找到濕度。含水量的增加會降低品質因數并擴大共振峰。”

在另一個雪應用中，VNA 被用于測量極地地區的冰層深度，方法是向冰層中注入射頻信號并測量返回的功率。連續測量的相位變化提供了計算冰厚度變化所需的數據。絕對厚度可以通過在不同頻率進行相位測量或通過對頻域數據進行快速傅里葉逆變換 (iFFT) 來計算。這些測量結果讓科學家們看到了氣候變化對極地冰的影響。所有這些方法都產生類似于雷達的結果，其中將射頻脈沖注入冰中（參考文獻 5）。

材料表征Compass Technology Group LLC 開發定制夾具，其客戶使用這些夾具來獲得材料的固有特性。“材料的內在特性描述了它的行為方式，”Compass Technology 的首席科學家 John Schultz 說。圖 3 顯示了該公司在 2018 年國際微波研討會上展示的測試夾具。

圖 3：Compass Technology 的測試夾具使用定制天線從 VNA 向被測材料發送和接收信號。圖片：馬丁·羅。

在圖 3中，Copper Mountain Technologies 的 VNA 對材料進行激發并計算 S 參數。專有軟件根據幅度和相位計算被測材料的內在特性。

感興趣的參數是材料的介電常數和磁導率的實部和虛部。Compass Technology 測試的材料包括低損耗和高損耗材料。低損耗材料通常用于天線，而高損耗材料可能成為吸收體。雖然該公司通常在將材料集成到設計中之前對其進行測試，但它也測試了飛機機蓋等成品。

其他用途USB VNA 制造商 Pico Technology 的 Mark Ashcroft 看到了該公司 PicoVNA 的不尋常用途。例如，VNA 可用于測試電流通常為 60 A 至 100 A 的電氣螺栓的完整性。

在本應用中，S11 是重要參數。如果隨著時間的推移焊接斷裂，S11 將隨著更多的能量反射到傳輸端口而發生變化。從 S11 和 S21 測量生成的諧振頻率圖的 iFFT 生成時域圖，可以指示裂縫的位置。

VNA 已證明其在科學和工程測量中的實用性。他們只需要天線或其他探頭即可將信號注入被測材料并提取反射和發射功率。

審核編輯 黃昊宇