矢量网络分析仪（VNA）基础解析与应用指南

矢量网络分析仪（VNA）是一种极其精密的仪器，能够对电气网络的阻抗进行表征，测量结果可提供幅度和相位细节，从而深入了解其行为。被测设备（DUT）通常用于射频（RF）应用，涉及了解单个元件、电缆、天线、滤波器、放大器等的响应。

在所有情况下，VNA的工作都是将其源信号与反射和传输信号的测量结果进行比较，从而得出阻抗和信号强度。信号进行比较，得出阻抗和散射参数（S参数）数据，从而让用户了解设备的功率处理能力。

在所有情况下，VNA的工作是将其源信号与反射和传输信号的测量结果进行比较，得出阻抗和散射参数（S参数）数据，以告知用户设备的功率处理能力。

本应用笔记将提供一些必要主题的粗略见解，帮助您开始理解矢量网络分析仪。

● 介绍在使用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。

● 对S参数的理解。

一、VNA测量概述和常见术语

VNA的工作原理通常与光线通过透镜时的反应相似。入射光（如图1所示）是光源或参照物。虽然我们可能希望整个光源都能通过透镜，但我们知道，透镜的一些属性可能会导致入射光强度的增大或减小，还有一些缺陷可能会使信号失真或偏斜。我们将通过透镜后的信号称为传输信号。

图 1：光穿过透镜时响应的一般概念

此外，我们可以理解，当?射光到达透镜时，不可避免地会有?部分光?法通过，?是沿原点?向反射回来。这被称为反射信号。

RF系统的目标是实现最大功率传输。为了量化这?点，需要测量入射信号、反射信号和传输信号。此外，?旦知道了这些值，就可以量化设备或系统的不同比率测量，图2给出了示例，后?的?本中提供了每个测量的定义。

图 2：使用来自入射、反射和传输信号的测量信息对被测设备进行的 VNA测量

回波损耗【return loss】:也称为反射损耗；由于阻抗不匹配而从被测器件反射的功率的量度。回波损耗以分贝（dB）表示，表示在每个反射界面上损失了多少dB。通常，在单个频率下测量回波损耗，以确定被测器件是否可能被高功率信号损坏。

反射系数（Г）【Reflection Coefficients】：描述的是传输介质中阻抗不连续处反射的电磁波量描述射频信号的多少功率从被测设备反射。反射系数可以用电压或电流来表示，并告诉你入射（正向）和反射（反向）能量之间的比率。

阻抗【Impedance】：电路或元件对交流电的有效电阻，由欧姆电阻和电抗的综合作用产生

驻波比【Standing Wave Ratio (SWR) 】：总电压的最?幅度与该电压的最小幅度之比。也称为电压驻波比或者VSWR。VSWR=(1+Г)/(1-Г)

插入损耗【Insertion Loss】：当滤波器或放?器等设备插?传输线或电路时，功率或信号强度损失的度量

增益【Gain】：当滤波器或放?器等设备插?传输线或电路时，功率或信号强度增加的度量

传输系数【Transmission Coefficients】：传输粒子电流和入射粒子电流的比值，取决于输入能量。

相位【Phase】：波形周期内某?时间点的波的位置，介于0到360度之间

电长度【Electrical Length】：?个?量纲参数，等于电缆或电线等电导体的物理?度除以通过导体的特定频率交流电的波长

电延迟【Electrical Delay】：电信号通过DUT所需的时间

群延迟【Group Delay】：相位响应，因此?失真系统具有恒定的正群延时

二、VNA构建模块和架构

在整体了解矢量网络分析仪架构之前，重要的是了解基本组成部分和各自发挥的作用。

1.信号源

因为我们想要观察我们的设备如何响应已知的刺激，所以网络分析仪依靠信号源（图3）使用受控功率级在感兴趣的范围内执行重复频率扫描。在对放大器进行增益压缩点测试时，还可以将源配置为使用已知频率或一组频率进行功率扫描。

图 3：射频信号源符号

2.开关

一些多端口网络分析仪拓扑可能使用单个源来驱动所有端口。在这种情况下，开关有助于简化设计并限制成本。图4提供了您可能在任何类型的电路中遇到的不同开关的示例。

图 4：不同的开关外形尺寸 - A) 单刀单掷 (SPST)，B) 单刀双掷 (SPDT)，C) 双刀单掷 (DPST)，和 D) 双刀双掷 (DPDT)

3.耦合器

通过信号分离硬件进行测量，有助于最大限度地减少在入射、反射或传输信号的直接路径上放置传感器的侵入性。这可以通过使用定向耦合器或定向桥来实现，后者不是本文的重点。从图5A中，我们可以看到入射信号如何进入定向耦合器的端口1，然后从端口2退出。

端口3产生的结果信号通常比入射信号低10到20 dB左右，并被VNA用来进行测量。在许多情况下，定向耦合器端口3上的输出会受到某些电阻或衰减的缓冲。

图 5：A) 定向耦合器符号，耦合信号相对于输入信号为 -20 dB。B) 定向耦合器符号，每个电阻符号增加衰减。

在这些情况下，设备的符号将被修改为如图5B所示。

由于即使是单端口网络分析仪也需要能够测量反射信号中的入射光，因此在网络分析仪拓扑中通常会发现多个耦合设备。虽然耦合设备是采样信号的最佳选择，但它们会带来一定程度的插入损耗，并对系统的整体方向性产生影响。任何开关或混频器也存在类似的情况。不过，其中大部分最终可以通过工厂和测量校准来补偿。

如上一段所述，网络分析仪的部分电路专门用于混频器和可调本地振荡器 (LO)（见图 6），这有助于将较高的频率解析为较低的中频 (IF)，然后通过下变频器确定信号通带。有些图表可能会选择不显示通带，而暗示该功能由模数转换 (ADC) 和数字信号处理 (DSP) 阶段来实现。

图 6：A) 混频器、B) 本地 (IF) 振荡器和 C) 通带或低通滤波器的符号

图7显示了组装的所有组件，代表典型的2端口矢量网络分析仪结构。ADC和DSP块处理下变频和滤波等任务，然后将结果传递以供分析。结果和计算（来自标准S参数或数据比较）可以通过集成显示器进行评估，也可以使用可用的输入/输出 (IO) 或通信协议进行访问，常用的选择是USB和LAN。

图 7：2 端口网络分析仪架构的示例

虽然该图捕捉了标量或矢量网络分析仪的基本工作原理，但了解两者之间的区别很重要。标量网络分析仪的功能是仅提供幅度信息，而忽略有关相位的任何信息。在简单的增益/损耗、回波损耗和VSWR测量是主要关注点的情况下，这可能是一个不错的选择，例如在制造业。然而，矢量网络分析仪是研发环境中的最佳选择，因为相位信息不仅对一些更具信息量的测量（即阻抗或群延迟）至关重要，而且还用于通过校准过程应用的系统校正。

网络分析仪的发展已经从具有嵌入式操作系统和集成显示器的独立单元转变为利用个人计算机的功能和灵活性的更分散的解决方案。现代VNA，特别是具有模块化USB或PXI外形尺寸的VNA，旨在与PC无缝集成，成为计算机本身的扩展。这种安排有助于用户从实验室的设计阶段过渡到创建可在生产中部署的自动化设置。此外，由于断电后不会保留任何残留数据，这些VNA可确保敏感的设置和测量信息保留在用户的PC上。这意味着可以轻松共享VNA硬件，并且每个用户都可以保留其独特的配置，而不必担心丢失或覆盖。

三、S参数

简而言之，VNA硬件的作用是通过测量入射、反射和传输信号的幅度和相位来捕获散射参数或S参数数据，然后通过图2中引用的测量结果告知操作员设备性能。为了全面了解所有S参数测量，重要的是要理解，虽然我们在图2中看到入射光沿一个方向通过，但入射光也可能来自透镜的另一侧，并从另一个角度提供信息。图8显示了可以从2端口测试配置中获得的全套S参数。

图 8：通过源信号和测量信号定义 S 参数的概念

S11和S22都与反射有关。S11告诉您发送到设备的信号中有多少被反射回来，这一点至关重要，因为太多的反射意味着设备没有正确吸收信号，从而影响性能。S22的作用相同，但它查看从设备发出的信号。无论哪种情况，都是参考特征阻抗Z0，输入和输出应在某些频率下与该阻抗匹配，以实现最大功率传输条件。测量S11和S22就像检查房子的前门和后门，以确保它们在恶劣天气条件下密封良好。

S21和S12处理传输。有多少信号从一个端口通过设备传输到另一个端口。S21测量从输入到输出的信号，让您了解信号传输的效率。另一方面，S12测量以相反方向通过设备的信号，即从输出返回到输入。虽然S21通常是焦点，因为它告诉我们信号的增益或损失，但S12也同样重要，特别是当隔离信号是关键关注点时。

四、TS-Sanko矢量网络分析仪

TS-BNA系列矢量网络分析仪通过提供先进的射频测试功能，极大地帮助了工程师的工作。其宽频率范围、高动态范围、低迹线噪声和快速测量速度为研发等任务提供了准确的结果。VNA的有效方向性和紧凑的尺寸使其便于现场测量。开放式界面允许工程师为特定项目定制仪器，从而促进创新。支持VISA协议可确保轻松集成到现有系统中，从而节省工作流程时间。

TS-BNA 100系列(6.5GHz/8.5GHz) 双端口

TS-BNA 1000系列 20GHz 双端口

TS-BNA 1000系列(6.5GHz/8.5GHz) 2/4端口

五、总结

总之，VNA不仅仅是测试设备，它们更是RF领域质量和性能的守门人。它们的重要性贯穿产品生命周期的每个阶段，从构思和设计到制造和现场部署。了解如何利用VNA的功能可以解锁工程领域的新可能性，从而带来创新，继续突破电子和通信技术的可能性界限。

S参数是VNA用来衡量设备性能的关键指标。S11和S22是反射参数，分别告诉我们从输入和输出反射回的信号量——这对于了解设备吸收和传输功率的能力至关重要。另一方面，S21和S12是传输参数，揭示了信号从一个端口到另一个端口通过设备传输的效率。S21通常通过指示信号增益或损耗占据中心位置，而S12则提供对信号隔离的洞察，这在复杂的RF系统中尤为重要。

这些测量是通过网络分析仪的内部硬件实现的，其中包括用于频率扫描的信号源、用于信号分离的定向耦合器和用于频率分辨率的混频器。校准在抵消这些内部组件的任何插入损耗方面起着至关重要的作用，确保测量的准确性。当今的VNA通常与PC接口，增强了数据和设置在不同开发和生产阶段之间的可转移性。这种设置还提高了安全性，因为所有敏感信息都驻留在PC上，遵守现有的安全协议。无论是用于反射、传输、阻抗还是延迟测量，VNA都是评估和确保设备和系统功效的关键工具。

审核编辑 黄宇