矢量網絡分析儀（VNA）是一種極其精密的儀器，能夠對電氣網絡的阻抗進行表征，測量結果可提供幅度和相位細節，從而深入了解其行為。被測設備（DUT）通常用于射頻（RF）應用，涉及了解單個元件、電纜、天線、濾波器、放大器等的響應。

在所有情況下，VNA的工作都是將其源信號與反射和傳輸信號的測量結果進行比較，從而得出阻抗和信號強度。信號進行比較，得出阻抗和散射參數（S參數）數據，從而讓用戶了解設備的功率處理能力。

在所有情況下，VNA的工作是將其源信號與反射和傳輸信號的測量結果進行比較，得出阻抗和散射參數（S參數）數據，以告知用戶設備的功率處理能力。

本應用筆記將提供一些必要主題的粗略見解，幫助您開始理解矢量網絡分析儀。

● 介紹在使用VNA和其他RF設備相關應用的基礎術語

● 概述組成VNA體系結構的硬件生態系統。

● 對S參數的理解。

一、VNA測量概述和常見術語

VNA的工作原理通常與光線通過透鏡時的反應相似。入射光（如圖1所示）是光源或參照物。雖然我們可能希望整個光源都能通過透鏡，但我們知道，透鏡的一些屬性可能會導致入射光強度的增大或減小，還有一些缺陷可能會使信號失真或偏斜。我們將通過透鏡后的信號稱為傳輸信號。

圖 1：光穿過透鏡時響應的一般概念

此外，我們可以理解，當?射光到達透鏡時，不可避免地會有?部分光?法通過，?是沿原點?向反射回來。這被稱為反射信號。

RF系統的目標是實現最大功率傳輸。為了量化這?點，需要測量入射信號、反射信號和傳輸信號。此外，?旦知道了這些值，就可以量化設備或系統的不同比率測量，圖2給出了示例，后?的?本中提供了每個測量的定義。

圖 2：使用來自入射、反射和傳輸信號的測量信息對被測設備進行的 VNA測量

回波損耗【return loss】:也稱為反射損耗；由于阻抗不匹配而從被測器件反射的功率的量度。回波損耗以分貝（dB）表示，表示在每個反射界面上損失了多少dB。通常，在單個頻率下測量回波損耗，以確定被測器件是否可能被高功率信號損壞。

反射系數（Г）【Reflection Coefficients】：描述的是傳輸介質中阻抗不連續處反射的電磁波量描述射頻信號的多少功率從被測設備反射。反射系數可以用電壓或電流來表示，并告訴你入射（正向）和反射（反向）能量之間的比率。

阻抗【Impedance】：電路或元件對交流電的有效電阻，由歐姆電阻和電抗的綜合作用產生

駐波比【Standing Wave Ratio (SWR) 】：總電壓的最?幅度與該電壓的最小幅度之比。也稱為電壓駐波比或者VSWR。VSWR=(1+Г)/(1-Г)

插入損耗【Insertion Loss】：當濾波器或放?器等設備插?傳輸線或電路時，功率或信號強度損失的度量

增益【Gain】：當濾波器或放?器等設備插?傳輸線或電路時，功率或信號強度增加的度量

傳輸系數【Transmission Coefficients】：傳輸粒子電流和入射粒子電流的比值，取決于輸入能量。

相位【Phase】：波形周期內某?時間點的波的位置，介于0到360度之間

電長度【Electrical Length】：?個?量綱參數，等于電纜或電線等電導體的物理?度除以通過導體的特定頻率交流電的波長

電延遲【Electrical Delay】：電信號通過DUT所需的時間

群延遲【Group Delay】：相位響應，因此?失真系統具有恒定的正群延時

二、VNA構建模塊和架構

在整體了解矢量網絡分析儀架構之前，重要的是了解基本組成部分和各自發揮的作用。

1.信號源

因為我們想要觀察我們的設備如何響應已知的刺激，所以網絡分析儀依靠信號源（圖3）使用受控功率級在感興趣的范圍內執行重復頻率掃描。在對放大器進行增益壓縮點測試時，還可以將源配置為使用已知頻率或一組頻率進行功率掃描。

圖 3：射頻信號源符號

2.開關

一些多端口網絡分析儀拓撲可能使用單個源來驅動所有端口。在這種情況下，開關有助于簡化設計并限制成本。圖4提供了您可能在任何類型的電路中遇到的不同開關的示例。

圖 4：不同的開關外形尺寸 - A) 單刀單擲 (SPST)，B) 單刀雙擲 (SPDT)，C) 雙刀單擲 (DPST)，和 D) 雙刀雙擲 (DPDT)

3.耦合器

通過信號分離硬件進行測量，有助于最大限度地減少在入射、反射或傳輸信號的直接路徑上放置傳感器的侵入性。這可以通過使用定向耦合器或定向橋來實現，后者不是本文的重點。從圖5A中，我們可以看到入射信號如何進入定向耦合器的端口1，然后從端口2退出。

端口3產生的結果信號通常比入射信號低10到20 dB左右，并被VNA用來進行測量。在許多情況下，定向耦合器端口3上的輸出會受到某些電阻或衰減的緩沖。

圖 5：A) 定向耦合器符號，耦合信號相對于輸入信號為 -20 dB。B) 定向耦合器符號，每個電阻符號增加衰減。

在這些情況下，設備的符號將被修改為如圖5B所示。

由于即使是單端口網絡分析儀也需要能夠測量反射信號中的入射光，因此在網絡分析儀拓撲中通常會發現多個耦合設備。雖然耦合設備是采樣信號的最佳選擇，但它們會帶來一定程度的插入損耗，并對系統的整體方向性產生影響。任何開關或混頻器也存在類似的情況。不過，其中大部分最終可以通過工廠和測量校準來補償。

如上一段所述，網絡分析儀的部分電路專門用于混頻器和可調本地振蕩器 (LO)（見圖 6），這有助于將較高的頻率解析為較低的中頻 (IF)，然后通過下變頻器確定信號通帶。有些圖表可能會選擇不顯示通帶，而暗示該功能由模數轉換 (ADC) 和數字信號處理 (DSP) 階段來實現。

圖 6：A) 混頻器、B) 本地 (IF) 振蕩器和 C) 通帶或低通濾波器的符號

圖7顯示了組裝的所有組件，代表典型的2端口矢量網絡分析儀結構。ADC和DSP塊處理下變頻和濾波等任務，然后將結果傳遞以供分析。結果和計算（來自標準S參數或數據比較）可以通過集成顯示器進行評估，也可以使用可用的輸入/輸出 (IO) 或通信協議進行訪問，常用的選擇是USB和LAN。

圖 7：2 端口網絡分析儀架構的示例

雖然該圖捕捉了標量或矢量網絡分析儀的基本工作原理，但了解兩者之間的區別很重要。標量網絡分析儀的功能是僅提供幅度信息，而忽略有關相位的任何信息。在簡單的增益/損耗、回波損耗和VSWR測量是主要關注點的情況下，這可能是一個不錯的選擇，例如在制造業。然而，矢量網絡分析儀是研發環境中的最佳選擇，因為相位信息不僅對一些更具信息量的測量（即阻抗或群延遲）至關重要，而且還用于通過校準過程應用的系統校正。

網絡分析儀的發展已經從具有嵌入式操作系統和集成顯示器的獨立單元轉變為利用個人計算機的功能和靈活性的更分散的解決方案。現代VNA，特別是具有模塊化USB或PXI外形尺寸的VNA，旨在與PC無縫集成，成為計算機本身的擴展。這種安排有助于用戶從實驗室的設計階段過渡到創建可在生產中部署的自動化設置。此外，由于斷電后不會保留任何殘留數據，這些VNA可確保敏感的設置和測量信息保留在用戶的PC上。這意味著可以輕松共享VNA硬件，并且每個用戶都可以保留其獨特的配置，而不必擔心丟失或覆蓋。

三、S參數

簡而言之，VNA硬件的作用是通過測量入射、反射和傳輸信號的幅度和相位來捕獲散射參數或S參數數據，然后通過圖2中引用的測量結果告知操作員設備性能。為了全面了解所有S參數測量，重要的是要理解，雖然我們在圖2中看到入射光沿一個方向通過，但入射光也可能來自透鏡的另一側，并從另一個角度提供信息。圖8顯示了可以從2端口測試配置中獲得的全套S參數。

圖 8：通過源信號和測量信號定義 S 參數的概念

S11和S22都與反射有關。S11告訴您發送到設備的信號中有多少被反射回來，這一點至關重要，因為太多的反射意味著設備沒有正確吸收信號，從而影響性能。S22的作用相同，但它查看從設備發出的信號。無論哪種情況，都是參考特征阻抗Z0，輸入和輸出應在某些頻率下與該阻抗匹配，以實現最大功率傳輸條件。測量S11和S22就像檢查房子的前門和后門，以確保它們在惡劣天氣條件下密封良好。

S21和S12處理傳輸。有多少信號從一個端口通過設備傳輸到另一個端口。S21測量從輸入到輸出的信號，讓您了解信號傳輸的效率。另一方面，S12測量以相反方向通過設備的信號，即從輸出返回到輸入。雖然S21通常是焦點，因為它告訴我們信號的增益或損失，但S12也同樣重要，特別是當隔離信號是關鍵關注點時。

四、TS-Sanko矢量網絡分析儀

TS-BNA系列矢量網絡分析儀通過提供先進的射頻測試功能，極大地幫助了工程師的工作。其寬頻率范圍、高動態范圍、低跡線噪聲和快速測量速度為研發等任務提供了準確的結果。VNA的有效方向性和緊湊的尺寸使其便于現場測量。開放式界面允許工程師為特定項目定制儀器，從而促進創新。支持VISA協議可確保輕松集成到現有系統中，從而節省工作流程時間。

TS-BNA 100系列(6.5GHz/8.5GHz) 雙端口

TS-BNA 1000系列 20GHz 雙端口

TS-BNA 1000系列(6.5GHz/8.5GHz) 2/4端口

五、總結

總之，VNA不僅僅是測試設備，它們更是RF領域質量和性能的守門人。它們的重要性貫穿產品生命周期的每個階段，從構思和設計到制造和現場部署。了解如何利用VNA的功能可以解鎖工程領域的新可能性，從而帶來創新，繼續突破電子和通信技術的可能性界限。

S參數是VNA用來衡量設備性能的關鍵指標。S11和S22是反射參數，分別告訴我們從輸入和輸出反射回的信號量——這對于了解設備吸收和傳輸功率的能力至關重要。另一方面，S21和S12是傳輸參數，揭示了信號從一個端口到另一個端口通過設備傳輸的效率。S21通常通過指示信號增益或損耗占據中心位置，而S12則提供對信號隔離的洞察，這在復雜的RF系統中尤為重要。

這些測量是通過網絡分析儀的內部硬件實現的，其中包括用于頻率掃描的信號源、用于信號分離的定向耦合器和用于頻率分辨率的混頻器。校準在抵消這些內部組件的任何插入損耗方面起著至關重要的作用，確保測量的準確性。當今的VNA通常與PC接口，增強了數據和設置在不同開發和生產階段之間的可轉移性。這種設置還提高了安全性，因為所有敏感信息都駐留在PC上，遵守現有的安全協議。無論是用于反射、傳輸、阻抗還是延遲測量，VNA都是評估和確保設備和系統功效的關鍵工具。

審核編輯 黃宇