矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀基礎(chǔ)介紹

今天，術(shù)語(yǔ)“網(wǎng)絡(luò)分析器”用于描述用于各種“網(wǎng)絡(luò)”的工具。例如，當(dāng)今大多數(shù)人都擁有在 4G 或 5G“網(wǎng)絡(luò)”上運(yùn)行的蜂窩電話或移動(dòng)電話。此外，我們的大多數(shù)家庭、辦公室和商業(yè)場(chǎng)所都擁有 Wi-Fi 或無線局域網(wǎng)“網(wǎng)絡(luò)”。此外，許多計(jì)算機(jī)和服務(wù)器都設(shè)置在“網(wǎng)絡(luò)”中，這些網(wǎng)絡(luò)都鏈接到云中。對(duì)于這些“網(wǎng)絡(luò)”中的每一個(gè)，都有一個(gè)特定的網(wǎng)絡(luò)分析器工具，用于驗(yàn)證性能、映射覆蓋區(qū)域和識(shí)別問題區(qū)域。

但是，本文中感興趣的網(wǎng)絡(luò)分析器用于不同類型的網(wǎng)絡(luò)，并且早在這些網(wǎng)絡(luò)存在之前就已定義。第一個(gè) VNA 是在 1950 年左右發(fā)明的，被定義為一種測(cè)量電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的儀器。事實(shí)上，可以說VNA多年來一直在使用，幫助使上述所有網(wǎng)絡(luò)成為可能。從移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)到 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)，再到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和云，當(dāng)今所有最常見的技術(shù)網(wǎng)絡(luò)都是使用 60 多年前發(fā)明的 VNA 實(shí)現(xiàn)的。

誰需要 VNA

所有無線解決方案都有發(fā)射器和接收器，每個(gè)都包含許多射頻和微波組件。這不僅包括智能手機(jī)和 WiFi 網(wǎng)絡(luò)，還包括聯(lián)網(wǎng)汽車和 IoT（物聯(lián)網(wǎng)）設(shè)備。此外，當(dāng)今的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以如此高的頻率運(yùn)行，以至于它們以射頻和微波頻率傳遞信號(hào)。

VNA 用于測(cè)試組件規(guī)格和驗(yàn)證設(shè)計(jì)模擬，以確保系統(tǒng)及其組件正常工作。研發(fā)工程師和制造測(cè)試工程師通常在產(chǎn)品開發(fā)的各個(gè)階段使用 VNA。組件設(shè)計(jì)人員需要驗(yàn)證其組件（例如放大器、濾波器、天線、電纜、混頻器等）的性能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要驗(yàn)證其組件規(guī)格，以確保他們所依賴的系統(tǒng)性能滿足其子系統(tǒng)和系統(tǒng)規(guī)格. 生產(chǎn)線使用 VNA 來確保所有產(chǎn)品在發(fā)貨供客戶使用之前都符合規(guī)格。在某些情況下，VNA 甚至用于現(xiàn)場(chǎng)操作以驗(yàn)證和排除已部署的射頻和微波系統(tǒng)的故障。

例如，圖 4 顯示了 RF 系統(tǒng)前端以及如何使用 VNA 測(cè)試系統(tǒng)的不同組件和部件。對(duì)于天線，重要的是要了解天線在將信號(hào)傳入和傳出空氣方面的效率。正如我們稍后將解釋的，這是通過使用 VNA 測(cè)量天線的回波損耗或 VSWR 來確定的。

查看圖 4 的右側(cè)，上混頻器獲取 IF 信號(hào)并將其與振蕩器 (VCO) 混合以產(chǎn)生 RF 信號(hào)。信號(hào)轉(zhuǎn)換到新頻率的效果如何？是否產(chǎn)生了不需要的信號(hào)？什么功率水平最有效地驅(qū)動(dòng)混頻器？VNA 用于回答這些問題。

從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度來看，有多少信號(hào)通過射頻板并離開天線？在接收端，雙工器在提供發(fā)送和接收信號(hào)之間的隔離方面的效果如何？所有這些問題都可以使用 VNA 來回答。

基本 VNA 操作

VNA 的一個(gè)獨(dú)特功能是它包含一個(gè)用于生成已知激勵(lì)信號(hào)的源和一組接收器，用于確定由被測(cè)設(shè)備或 DUT 引起的激勵(lì)變化。圖 5 突出顯示了 VNA 的基本操作。為簡(jiǎn)單起見，它顯示了來自端口 1 的信號(hào)源，但當(dāng)今大多數(shù) VNA 都是多路徑儀器，可以向任一端口提供激勵(lì)信號(hào)。

激勵(lì)信號(hào)被注入 DUT，VNA 測(cè)量從輸入側(cè)反射的信號(hào)，以及通過 DUT 輸出側(cè)的信號(hào)。VNA 接收器測(cè)量產(chǎn)生的信號(hào)并將它們與已知的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行比較。測(cè)量結(jié)果然后由內(nèi)部或外部 PC 處理并發(fā)送到顯示器。

市場(chǎng)上有多種不同的 VNA，每一種都有不同數(shù)量的端口和激勵(lì)信號(hào)流向的路徑。對(duì)于 1 端口 VNA，DUT 連接到圖 5 的輸入側(cè)，并且只能測(cè)量反射信號(hào)。對(duì)于 2 端口 1 路徑 VNA，可以測(cè)量反射和傳輸信號(hào)（S11 和 S21），但是，必須物理反轉(zhuǎn) DUT 以測(cè)量反向參數(shù)（S22 和 S12）。對(duì)于 2 端口 2 路徑 VNA，DUT 可以在任一方向連接到任一端口，因?yàn)樵搩x器具有反轉(zhuǎn)信號(hào)流的能力，因此兩個(gè)端口（S11 和 S22）的反射以及可以測(cè)量正向和反向傳輸（S21 和 S12）。

主要規(guī)格

在確定您對(duì) VNA 的需求時(shí)，需要考慮幾個(gè)關(guān)鍵規(guī)格。雖然有許多 VNA 規(guī)格，但有四個(gè)頂級(jí)規(guī)格可用于指導(dǎo)您的選擇過程——頻率范圍、動(dòng)態(tài)范圍、跡線噪聲和測(cè)量速度。

頻率范圍是要考慮的第一個(gè)也是最關(guān)鍵的規(guī)格（圖 6a）。為此，不僅要考慮您當(dāng)前的需求，還要考慮未來的潛在需求，這通常是有益的。此外，雖然所有 DUT 都有給定的工作頻率，但對(duì)于某些 DUT，您可能還需要考慮諧波頻率。有源元件，例如放大器、轉(zhuǎn)換器和混頻器，可能需要在其諧波頻率（工作頻率的 2 至 5 倍）下進(jìn)行測(cè)試。濾波器和雙工器也可能需要在其通帶的諧波處進(jìn)行測(cè)試。盡管可能需要更高的頻率范圍，但最大頻率范圍可能是 VNA 的主要成本驅(qū)動(dòng)因素。

動(dòng)態(tài)范圍是指定頻率范圍內(nèi)從最大值到最小值的可測(cè)量衰減范圍（圖 6b）。根據(jù) DUT 所需的性能，您需要確保最大 DUT 衰減規(guī)格的幅度至少比 VNA 動(dòng)態(tài)范圍規(guī)格小 3 到 6 dB。今天的大多數(shù) VNA 都提供非常好的動(dòng)態(tài)范圍 (~ 120 dB)，這對(duì)于許多應(yīng)用來說已經(jīng)足夠了。一些非常高性能的組件可能需要更昂貴的 VNA 解決方案。

跡線噪聲測(cè)量 VNA 產(chǎn)生多少隨機(jī)噪聲并傳遞到測(cè)量中。它通常以毫分貝 (0.001 dB) 為單位進(jìn)行測(cè)量。跡線噪聲可能是確定某些組件精度的關(guān)鍵因素（圖 6c）。一個(gè)例子可能是濾波器通帶中可接受的波紋水平。如果您需要一定的性能水平來確定通過濾波器的信號(hào)的準(zhǔn)確性，則增加的 VNA 跡線噪聲貢獻(xiàn)可能是一個(gè)因素。

最后，要考慮的其他規(guī)格之一是測(cè)量速度（圖 6d）。測(cè)量速度是執(zhí)行單次掃描或測(cè)量所需的時(shí)間。這可能是大批量制造應(yīng)用的最關(guān)鍵要求。如果考慮用于智能手機(jī)的組件，每年可能生產(chǎn)數(shù)十億個(gè)組件。在非常大的容量下減少測(cè)試時(shí)間對(duì)于該組件的成功至關(guān)重要。然而，對(duì)于許多研發(fā)和小批量生產(chǎn)應(yīng)用，VNA 測(cè)量速度不是問題。

網(wǎng)絡(luò)分析儀 VS頻譜分析儀

一些設(shè)計(jì)工程師可能有使用 VNA 或頻譜分析儀的經(jīng)驗(yàn)。其他人可能對(duì) RF 測(cè)試不熟悉，也不熟悉。VNA 和頻譜分析儀是兩種最常用的射頻測(cè)試儀器。但是網(wǎng)絡(luò)分析儀和頻譜分析儀有什么區(qū)別呢？您什么時(shí)候需要一種或兩種儀器？表 1 提供了每種儀器的比較。

首先，重要的是要考慮您需要測(cè)量什么類型的信號(hào)。頻譜分析儀是測(cè)量數(shù)字調(diào)制信號(hào)的首選儀器。例如，如果目標(biāo)是測(cè)量 Wi-Fi 和 LTE 信號(hào)的性能，則只有頻譜分析儀才能執(zhí)行這些測(cè)量。

如前所述，VNA 包含源和接收器。這使其能夠使用已知激勵(lì)來激發(fā) DUT，并使用多個(gè)接收器來測(cè)量其響應(yīng)。VNA 可以有多個(gè)通道和端口，允許其接收器同時(shí)測(cè)量 DUT 的輸入和輸出。

頻譜分析儀通常用于測(cè)量未知信號(hào)，這些信號(hào)可能通過天線或組件的輸出在空中傳輸。它們也往往是單通道儀器，一次只能測(cè)量 DUT 的一個(gè)輸出。另一方面，VNA 不測(cè)量信號(hào)。它們測(cè)量無源或有源設(shè)備的固有射頻特性。

借助已知的激勵(lì)和多個(gè)接收器，VNA 可以準(zhǔn)確測(cè)量 DUT 的幅度和相位特性。該矢量信息允許完整的器件表征。使用矢量誤差校正還可以實(shí)現(xiàn)更高的精度和動(dòng)態(tài)范圍。這種獨(dú)特的用戶校準(zhǔn)功能（稍后將討論）允許 VNA 排除電纜、適配器和固定裝置的影響。

一些頻譜分析儀提供內(nèi)置跟蹤發(fā)生器 (SA w/TG)，因此它們具有與 VNA 大致相同的功能。從根本上說，VNA 的工作方式與帶 TG 的 SA 的工作方式大致相同。但是，這兩種儀器解決方案之間的主要區(qū)別在于 VNA 能夠使用多個(gè)接收器進(jìn)行比例測(cè)量。帶有 TG 的 SA 可以很好地進(jìn)行 1 端口反射測(cè)量，并且還可以執(zhí)行糾錯(cuò)。但是，對(duì)于使用 SA w/TG 進(jìn)行的傳輸測(cè)量，可以進(jìn)行測(cè)量，但不能使用 VNA 的精度。正如我們稍后將討論的，其中大部分是因?yàn)橥暾?2 端口糾錯(cuò)只能在 VNA 上進(jìn)行。最重要的是，大多數(shù)帶有 TG 的 SA 不顯示相位數(shù)據(jù)，這在許多 RF 測(cè)試應(yīng)用中至關(guān)重要。

了解 S 參數(shù)

由于通常很難測(cè)量高頻下的電流或電壓，因此可以測(cè)量散射參數(shù)或 S 參數(shù)。它們用于表征射頻組件或組件網(wǎng)絡(luò)的電氣特性或性能，并與增益、損耗和反射系數(shù)等熟悉的測(cè)量相關(guān)。要了解如何使用 VNA 來表征 DUT，了解 S 參數(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)很重要。圖 7 展示了解釋 S 參數(shù)的簡(jiǎn)單過程。

如果我們從外部視圖開始，VNA 通常有兩個(gè)或多個(gè)端口，可以直接連接到 DUT，也可以使用電纜和適配器。這些端口被標(biāo)記，在本例中為端口 1 和端口 2。

接下來，讓我們考慮內(nèi)部視圖。用于評(píng)估多端口網(wǎng)絡(luò)行為的常見做法是使用入射波作為每個(gè)端口的激勵(lì)，并測(cè)量從施加電源的端口反射或通過設(shè)備傳輸?shù)狡溆喽丝诘某錾洳?。端口。一般來說，進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)或 DUT 的波稱為入射波，而離開網(wǎng)絡(luò)或 DUT 的波稱為反射波，盡管每個(gè)波都可能由來自其他端口的反射和傳輸組合而成。

入射波用 an 表示，反射波用 bn表示，其中 n 是端口號(hào)。a 波和 b 波都是相量，在網(wǎng)口的指定端具有幅值和相位。

兩個(gè) VNA 端口連接器的后面各有一個(gè)定向耦合器（圖 7 中的綠色框）。這些定向耦合器將已知的激勵(lì)信號(hào)傳遞到 DUT 的任一側(cè)（a 1或 a2）。

首先，將一部分刺激信號(hào)作為參考信號(hào)。S 參數(shù)定義為來自不同端口的信號(hào)相對(duì)于該參考的比率。同時(shí)，一些刺激信號(hào)在進(jìn)入 DUT 時(shí)被反射 (b 1)。反射的輸入信號(hào)部分使用連接到 VNA 內(nèi)部端口 1 的接收器進(jìn)行測(cè)量。進(jìn)入 DUT 的輸入信號(hào)部分在通過時(shí)通常會(huì)發(fā)生幅度和相位變化。從端口 2 發(fā)出的部分由端口 2 (b 2)上的 VNA 接收器測(cè)量。

需要注意的是，由于 VNA 是雙向儀器，端口 2 也可能是發(fā)出已知激勵(lì)的地方（在這種情況下為2），并且測(cè)量過程在相反方向上是相同的。

現(xiàn)在我們對(duì) VNA 的工作原理有了更多的了解，讓我們將內(nèi)部視圖轉(zhuǎn)換為 S 參數(shù)理論視圖。通過使用 a（入射）和 b（反射）波，線性網(wǎng)絡(luò)或 DUT 可以通過一組方程來表征，這些方程根據(jù)所有端口的入射波來描述每個(gè)端口的反射波。在這些條件下表征網(wǎng)絡(luò)的常數(shù)稱為 S 參數(shù)。

在正向情況下，如圖 7 所示，端口 1 正在傳輸 a1信號(hào)并且匹配負(fù)載施加到端口 2，導(dǎo)致負(fù)載處的信號(hào)反射為零 (a2= 0)。S 11對(duì)應(yīng)于端口1處的反射系數(shù)，或b1與a1 的比率。S 21是通過DUT的前向傳輸系數(shù)，是b2與a1的比值。

在反向情況下，端口 2 正在傳輸 a2信號(hào)，并且匹配負(fù)載施加到端口 1 (a1= 0)。S22 對(duì)應(yīng)于端口 2 處的反射系數(shù)，或 b2 與 a 2 的比值。S 12是通過DUT的反向傳輸系數(shù)，是b1與a2的比值。

請(qǐng)注意，在 S 參數(shù)命名法 Syx 中，第二個(gè)數(shù)字 (x) 表示始發(fā)端口，而第一個(gè)數(shù)字是目標(biāo)端口 (y)。從理論上講，S 參數(shù)理論可以應(yīng)用于具有無限數(shù)量端口的網(wǎng)絡(luò)。例如，一個(gè) 4 端口 VNA 將有 16 個(gè) S 參數(shù)：來自 S 11、S12、S13、S14、S21...。?44。這些 S 參數(shù)遵循相同的理論，是每個(gè)指定端口之間的比率測(cè)量值。

測(cè)量誤差的類型

在使用 VNA 進(jìn)行任何測(cè)量之前，您必須對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)以減少可能影響測(cè)量的錯(cuò)誤。在繼續(xù)校準(zhǔn) VNA 之前了解測(cè)量誤差很有用，因?yàn)椴⒎撬姓`差都可以通過這種方式最小化。

測(cè)量誤差主要分為三種類型（圖 8）。測(cè)量誤差的類型包括系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和漂移誤差。系統(tǒng)誤差是測(cè)試設(shè)備或測(cè)試設(shè)置中的缺陷，通常是可以預(yù)測(cè)的。一些示例包括 VNA 接收器在其頻率范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)中的輸出功率變化或紋波。同樣重要的是將 DUT 連接到 VNA 的 RF 電纜的功率損耗會(huì)隨著頻率的增加而增加。由于這些誤差是可預(yù)測(cè)的并且是設(shè)備中的缺陷，因此可以通過用戶校準(zhǔn)輕松地將其排除。

測(cè)量誤差的第二個(gè)來源是由隨機(jī)誤差引起的。這是由隨時(shí)間變化的測(cè)試設(shè)備或測(cè)試設(shè)置發(fā)出的噪聲引起的錯(cuò)誤。該誤差量很重要，因?yàn)榧词乖趫?zhí)行用戶校準(zhǔn)后它仍會(huì)保留在測(cè)量結(jié)果中，并且它決定了測(cè)量中可以達(dá)到的準(zhǔn)確度。前面討論過的跡線噪聲是隨機(jī)誤差的一個(gè)例子。

第三個(gè)誤差源是漂移誤差，它與隨時(shí)間的測(cè)量漂移有關(guān)。這些是在執(zhí)行用戶校準(zhǔn)后在測(cè)試設(shè)備和測(cè)試設(shè)置中出現(xiàn)的差異。例如溫度波動(dòng)、濕度波動(dòng)和裝置的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。有時(shí)使用溫度和濕度控制的房間來減少隨時(shí)間推移的漂移誤差。測(cè)試設(shè)置隨時(shí)間漂移的量決定了測(cè)試設(shè)置需要重新校準(zhǔn)的頻率。

校準(zhǔn)技術(shù)

什么是用戶校準(zhǔn)

在射頻和微波測(cè)試設(shè)備中，VNA 具有獨(dú)特的校準(zhǔn)技術(shù)。雖然 VNA 與其他射頻和微波測(cè)試設(shè)備相似，因?yàn)樗鼈冊(cè)诔鰪S時(shí)已校準(zhǔn)并且通常需要每年檢查一次以確保它們?nèi)匀徽＿\(yùn)行，但 VNA 的不同之處在于它們具有額外的“用戶校準(zhǔn)”，可以由用戶在進(jìn)行測(cè)量之前執(zhí)行。圖 9 顯示了工廠和用戶校準(zhǔn)的不同參考平面。

工廠校準(zhǔn)涵蓋了 VNA 在測(cè)試端口連接器上的性能。儀器性能基于滿足一組定義參數(shù)（頻率、功率等）的輸入信號(hào)。就 VNA 而言，它不僅經(jīng)過校準(zhǔn)以從接收器的角度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，還具有工廠校準(zhǔn)，以確保來自 VNA 的已知激勵(lì)被指定并正常運(yùn)行。

基本上，它確保輸出信號(hào)符合規(guī)格并且輸入信號(hào)將被準(zhǔn)確表示。這種工廠校準(zhǔn)類似于在帶有跟蹤發(fā)生器的頻譜分析儀上執(zhí)行的工廠校準(zhǔn)。

在同一臺(tái)儀器中內(nèi)置已知的激勵(lì)和接收器，使 VNA 具有執(zhí)行額外“用戶校準(zhǔn)”的獨(dú)特能力。如前所述，VNA 測(cè)量幅度和相位，這意味著用戶校準(zhǔn)執(zhí)行矢量誤差校正。這就是使 VNA 成為最準(zhǔn)確的射頻測(cè)試儀器之一的原因。用戶校準(zhǔn)使 VNA 能夠排除電纜、適配器和 DUT 連接中使用的大多數(shù)東西的影響。通過消除附件的影響，用戶校準(zhǔn)允許單獨(dú)精確測(cè)量 DUT 性能。這使設(shè)計(jì)人員能夠在將 DUT 放入子系統(tǒng)時(shí)更好地了解 DUT 的性能。

VNA 校準(zhǔn)方法

既然我們了解了“用戶校準(zhǔn)”在排除測(cè)量誤差方面的重要性，我們可以繼續(xù)討論可用的不同用戶校準(zhǔn)方法。有許多不同的 VNA 校準(zhǔn)方法，您需要的復(fù)雜程度取決于您所需的精度，甚至可能是您的預(yù)算（圖 10）。在本節(jié)中，我們將回顧一些更常見的方法。

最簡(jiǎn)單的方法是響應(yīng)校準(zhǔn)。它既快速又簡(jiǎn)單，但不如其他方法準(zhǔn)確。例如，如果您只需要 S 11或反射測(cè)量，您可以使用開路或短路來測(cè)量測(cè)試設(shè)置響應(yīng)。如果只需要 S 21或傳輸測(cè)量，則只能使用直通標(biāo)準(zhǔn)。響應(yīng)校準(zhǔn)很容易執(zhí)行，根據(jù)您需要的準(zhǔn)確度，可能就足夠了。

接下來，還有 2 端口單路徑方法，它更準(zhǔn)確，但連接數(shù)比全 2 端口雙路徑校準(zhǔn)要少。當(dāng)您對(duì)一組有限的 S 參數(shù)（例如 S 11、S21、a2=0）感興趣時(shí)，此方法很有效。在這種情況下，VNA 將僅從端口 1 傳輸。好處是校準(zhǔn)期間連接更少。

2 端口雙路徑校準(zhǔn)方法與 2 端口單路徑校準(zhǔn)基本相同，但增加了端口 2 側(cè)的開路短路負(fù)載測(cè)量。這種方法提供了準(zhǔn)確、完整的 S 參數(shù)測(cè)量能力。缺點(diǎn)是它需要進(jìn)行許多連接。額外的步驟可能會(huì)導(dǎo)致潛在的過程錯(cuò)誤，因?yàn)槟枰啻螠y(cè)量和更換標(biāo)準(zhǔn)。

最后，還有電子校準(zhǔn)方法。只需連接電子校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件，VNA 即可為 S11、S 21、S12和 S22執(zhí)行簡(jiǎn)單、快速且非常準(zhǔn)確的校準(zhǔn)——所有這些都通過一組連接進(jìn)行。這種單一連接很有價(jià)值，因?yàn)樗鼫p少了在校準(zhǔn)過程中插入錯(cuò)誤標(biāo)準(zhǔn)的可能性。通常，電子校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)是可用的最昂貴的校準(zhǔn)方法。然而，它們通過極大地簡(jiǎn)化校準(zhǔn)過程而增加了巨大的價(jià)值，同時(shí)提供了高度準(zhǔn)確的結(jié)果。

校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)校準(zhǔn)方法的類型，有多種類型的 VNA 校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)用于用戶校準(zhǔn)。最常見的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)集稱為短路、開路、負(fù)載和直通 (SOLT)。VNA 用戶校準(zhǔn)是使用這些已知標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的，包括短路、開路、精密負(fù)載（通常為 50 歐姆）和直通連接。校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)最好與 DUT 具有相同的連接器類型和性別。這允許 DUT 或校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)成為校準(zhǔn)和測(cè)量之間的唯一變化。

不幸的是，不可能制作出完美的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。短路總會(huì)有一些電感；開路總會(huì)有一些邊緣電容。VNA 存儲(chǔ)有關(guān)特定校準(zhǔn)套件的數(shù)據(jù)并自動(dòng)糾正這些缺陷。特定校準(zhǔn)套件的標(biāo)準(zhǔn)定義取決于 VNA 的頻率范圍。在某些校準(zhǔn)套件中，公連接器上的數(shù)據(jù)與母連接器不同，因此用戶可能需要在校準(zhǔn)之前在 VNA 的用戶界面中指定連接器的性別。

校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)可以通過幾種不同的方式物理實(shí)現(xiàn)（圖 12）。首先引入了單獨(dú)的機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都是單獨(dú)制造和表征的。個(gè)別標(biāo)準(zhǔn)提供出色的準(zhǔn)確性，并為各種測(cè)試設(shè)置提供靈活性。

今天，可提供帶有開路短路負(fù)載的 4 合 1 機(jī)械校準(zhǔn)套件，并通過集成到單個(gè)機(jī)械設(shè)備中。如前所述，還有由計(jì)算機(jī)和 USB 驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)電子校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。這些通過將校準(zhǔn)減少到一組連接來提供非常準(zhǔn)確且不易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤的自動(dòng)校準(zhǔn)。

典型的 VNA 測(cè)量

VNA 執(zhí)行兩種類型的測(cè)量 - 傳輸和反射（圖 13）。傳輸測(cè)量將 VNA 的激勵(lì)信號(hào)通過 DUT，然后由另一側(cè)的 VNA 接收器進(jìn)行測(cè)量。最常見的傳輸 S 參數(shù)測(cè)量是 S 21和 S12(Sxy大于 2 個(gè)端口）。掃描功率測(cè)量是傳輸測(cè)量的一種形式。傳輸測(cè)量的一些其他示例包括增益、插入損耗/相位、電長(zhǎng)度/延遲和群延遲。相比之下，反射測(cè)量測(cè)量的是 VNA 激勵(lì)信號(hào)中入射到 DUT 但不通過它的部分。相反，反射測(cè)量測(cè)量由于反射而返回到源的信號(hào)。最常見的反射 S 參數(shù)測(cè)量是 S 11和 S22（Sxx用于大于 2 端口）。

掃頻測(cè)量

掃頻測(cè)量特別有用，因?yàn)樗鼈冊(cè)谟脩舳x的一組頻率和步進(jìn)點(diǎn)上掃描內(nèi)部源?？梢杂纱诉M(jìn)行各種測(cè)量，包括 S 參數(shù)、單個(gè)入射和反射波（例如 a 1、b2)、幅度、相位等。圖 14 顯示了無源濾波器的掃頻傳輸測(cè)量示例。這種類型的濾波器測(cè)量顯示信號(hào)通過組件時(shí)會(huì)發(fā)生什么。S21 測(cè)量表明通帶帶寬性能由其 6 dB 響應(yīng)定義。顯示阻帶性能與 60 dB 降低規(guī)格相比。然后可以將測(cè)量結(jié)果與濾波器設(shè)計(jì)目標(biāo)或從系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的角度來看濾波器制造商的規(guī)格進(jìn)行比較。

掃頻測(cè)量還可以測(cè)量入射到 DUT 上的激勵(lì)信號(hào)的反射，但與通過 DUT 傳輸相反的是反射。這些 S 11（或 Sxx）測(cè)量允許用戶檢查和比較 DUT 的性能與其規(guī)格。示例 DUT 包括天線、濾波器和雙工器。圖 15 顯示了天線回波損耗測(cè)量的示例。請(qǐng)注意，在天線通帶中，大部分信號(hào)都在傳輸，因此反射測(cè)量結(jié)果中會(huì)出現(xiàn)可見的零點(diǎn)。

時(shí)域測(cè)量

一些 VNA 能夠使用逆傅立葉變換將掃頻測(cè)量值轉(zhuǎn)換為時(shí)域。通過這種方式，時(shí)域中顯示的數(shù)據(jù)允許使用 VNA 通過檢測(cè)信號(hào)通過 DUT 時(shí)阻抗不匹配或不連續(xù)的位置來發(fā)現(xiàn)電纜和連接中的問題。

對(duì)于時(shí)域測(cè)量，解析兩個(gè)信號(hào)的能力與測(cè)量的頻率跨度成反比。因此，頻率跨度越寬，VNA 區(qū)分緊密間隔的不連續(xù)性的能力就越大。最大頻率跨度由用戶設(shè)置，可由 VNA 的頻率范圍或 DUT 的可用帶寬定義。

頻域采集的數(shù)據(jù)不是連續(xù)的，而是有限個(gè)離散頻點(diǎn)。這會(huì)導(dǎo)致時(shí)域數(shù)據(jù)在頻率采樣間隔的倒數(shù)之后重復(fù)。這種現(xiàn)象稱為混疊。正確設(shè)置頻率采樣間隔以準(zhǔn)確測(cè)量所需距離以在出現(xiàn)混疊之前評(píng)估 DUT 的性能非常重要。

圖 16 顯示了帶有多個(gè)適配器的電纜的 VNA 測(cè)量。這可以是從基站子系統(tǒng)到其天線的基站電纜。時(shí)域測(cè)量可定位到不同適配器的物理距離或電纜中潛在的不連續(xù)性，這有助于定位問題區(qū)域或故障。

掃描功率測(cè)量

VNA 還可以掃描激勵(lì)信號(hào)的輸出功率電平，而不是掃描頻率。對(duì)于這些測(cè)量，頻率保持恒定，而輸出功率在定義的功率范圍內(nèi)逐步增加。這是放大器的常見測(cè)量方法，從低功率電平開始，并以分?jǐn)?shù) dB 步長(zhǎng)增加功率。

在放大器的線性區(qū)域，隨著輸入功率的增加，輸出功率也成比例地增加。放大器輸出偏離線性期望值 1dB 的點(diǎn)稱為 1dB 壓縮點(diǎn)（圖 17）。當(dāng)放大器達(dá)到其壓縮點(diǎn)時(shí)，它不再能夠像以前一樣增加其輸出功率。對(duì)于需要放大器線性性能的應(yīng)用，此測(cè)量有助于定義該規(guī)格。

測(cè)試多端口組件

今天的許多組件都有兩個(gè)以上的端口（圖 18）。它們可能有一個(gè)輸入和多個(gè)輸出，反之亦然。更復(fù)雜的組件可以有多個(gè)輸入和多個(gè)輸出。如果端口之間的交互不是問題，那么這些組件中的一些仍然可以通過一系列 2 端口測(cè)量進(jìn)行測(cè)試。

當(dāng)需要測(cè)量多個(gè)端口之間的交互時(shí)，您可能需要多端口 VNA。真正的多端口測(cè)量將測(cè)量 N 2S 參數(shù)并需要具有 N 端口的 VNA，其中 N 等于 DUT 端口的數(shù)量。代替僅S 11、S21、S12和S22，S 參數(shù)還將包括例如S41或S43或S10 11。真正的多端口 VNA 可以為每個(gè)端口提供激勵(lì)信號(hào)。多端口糾錯(cuò)消除了測(cè)量的系統(tǒng)誤差，但需要復(fù)雜的校準(zhǔn)過程，其中校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)必須連接到所有可能的端口組合。

現(xiàn)在，很容易理解為什么 VNA 有助于使許多現(xiàn)代技術(shù)成為可能。通過向被測(cè)設(shè)備或 DUT 提供已知激勵(lì)信號(hào)，以及多個(gè)接收器來測(cè)量響應(yīng)，VNA 形成了一個(gè)閉環(huán)，使其能夠非常準(zhǔn)確地測(cè)量組件的電氣幅度和相位響應(yīng)。由于其獨(dú)特的用戶校準(zhǔn)，VNA 是最準(zhǔn)確的射頻測(cè)試儀器之一。它允許通過減少電纜、適配器和其他測(cè)試輔助工具的影響來仔細(xì)隔離 DUT 性能。

VNA 測(cè)試組件規(guī)格并驗(yàn)證設(shè)計(jì)模擬。有了這種精確的表征水平，系統(tǒng)工程師就可以研究電路或系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，并放心地知道——從設(shè)計(jì)階段到制造階段——它會(huì)按預(yù)期運(yùn)行。