矢量網(wǎng)絡分析儀的工作原理

今天我們一起來聊一下網(wǎng)分的事情。

網(wǎng)分，全稱就是網(wǎng)絡分析儀（Network Analyzer），根據(jù)其功能又分為矢量網(wǎng)絡分析儀和標量網(wǎng)絡分析儀，顧名思義，矢量網(wǎng)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(wǎng)絡分析儀就只能測試器件的幅頻特性了。因為矢量網(wǎng)絡分析儀的功能完全覆蓋了標量網(wǎng)分，因此在現(xiàn)在的射頻測試中，標量網(wǎng)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(wǎng)絡分析儀，功能少，價錢相對就便宜一些。現(xiàn)在在某些場合還是能用到的。

那么現(xiàn)在我們實驗室常用的網(wǎng)絡分析儀就是矢量網(wǎng)絡分析儀了，簡稱矢網(wǎng)VNA。目前最主要的網(wǎng)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(wǎng)分的基本原理。

微波矢量網(wǎng)絡分析儀，就是用來測量微波器件的網(wǎng)絡參數(shù)，微波網(wǎng)絡我們在之前的文章中曾多次討論，網(wǎng)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(wǎng)絡一文中介紹可知，常用的微波網(wǎng)絡參數(shù)包括阻抗參數(shù)Z，導納參數(shù)Y，轉(zhuǎn)移參數(shù)A，散射參數(shù)S，和傳輸參數(shù)T，這些參數(shù)都可以用來描述微波網(wǎng)絡的性質(zhì)，只是從不同的方面去描述而已，沒有本質(zhì)上的不同，這些網(wǎng)絡參數(shù)之間可以通過公式來互相轉(zhuǎn)換。簡單來說，當我們知道這個網(wǎng)絡的阻抗參數(shù)之后，我們就可以推導出其他幾個參數(shù)，反之也可以推導出阻抗參數(shù)。所以矢量網(wǎng)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(wǎng)絡參數(shù)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(wǎng)絡的參數(shù)特征了。

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

得到S參數(shù)之后，其他參數(shù)也就呼之欲出了。不會轉(zhuǎn)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(wǎng)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(fā)信機，這個收發(fā)信機的發(fā)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(wǎng)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(diào)節(jié)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(chǎn)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(shù)字信號，經(jīng)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(shù)，包含幅度和相位信息。

5，最后經(jīng)過計算機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，得到我們想要的數(shù)據(jù)。計算機主要負責數(shù)據(jù)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(xiàn)在所用的VNA自身就帶有一個Windows系統(tǒng)。

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(wǎng)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(wǎng)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(shù)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(wǎng)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(fā)射信號a1傳輸?shù)蕉丝?，傳輸系數(shù)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(shù)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(shù)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(fā)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(shù)就是b3/a1，就被測試出來了。