矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）基礎(chǔ)解析與應(yīng)用指南（二）

上一篇文章介紹了使用VNA和其他RF設(shè)備相關(guān)應(yīng)用的基礎(chǔ)術(shù)語(yǔ)，概述組成VNA體系結(jié)構(gòu)的硬件生態(tài)系統(tǒng)及對(duì)S參數(shù)的理解。本章將繼續(xù)為您介紹微波射頻簡(jiǎn)介、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀原理及測(cè)量對(duì)象。

【上節(jié)回顧】http://www.wenjunhu.com/d/6411748.html?track_id=myCenter&mod=article&share

一、微波射頻簡(jiǎn)介

射頻微波技術(shù)覆蓋了1 GHz到300 GHz的電磁波頻段，這一技術(shù)因其高效的傳播特性和寬頻帶寬度而在通信、雷達(dá)、遙感等領(lǐng)域扮演著核心角色。射頻微波信號(hào)的直射性和穿透能力，使其在長(zhǎng)距離無(wú)線通信中尤為有效，同時(shí)在遇到不同介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的反射和折射現(xiàn)象，也為各種射頻器件的設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。這些射頻器件，如濾波器、放大器、天線等，是無(wú)線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，它們的性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和質(zhì)量。

為了確保這些射頻器件的性能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，工程師們通常需要使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行精確測(cè)量。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠提供關(guān)于器件的幅度、相位、阻抗等關(guān)鍵參數(shù)的詳細(xì)信息，從而幫助工程師們優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升射頻系統(tǒng)的整體性能。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀成為了射頻微波領(lǐng)域研究和開(kāi)發(fā)中不可或缺的工具。

二、微波網(wǎng)絡(luò)表述

在了解矢網(wǎng)原理之前，先介紹一些微波網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的知識(shí)。

微波網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是由很多微波器件組成的，在分析微波系統(tǒng)特性的時(shí)候，為了使分析簡(jiǎn)單化，根據(jù)微波系統(tǒng)的復(fù)雜程度，可將微波系統(tǒng)簡(jiǎn)化為：

單端口（負(fù)載等）

二端口（濾波器，衰減器等）

多端口（多端口天線，環(huán)形器等）

注：由于上期詳細(xì)介紹了S11，S21，S12，S22參數(shù)，本期不再贅述

1、反射系數(shù) (Return Loss)（如S11，S22）

反射是由終端不匹配造成的，反射系數(shù)是指微波網(wǎng)絡(luò)匹配特性的一種衡量方式，如駐波比、回波損耗特性阻抗等形式，其量值可以由下式計(jì)算：

2、傳輸參數(shù)(Insertion Loss)

傳輸參數(shù)反映了微波網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性，如：衰減、插損、隔離度、增益等。

網(wǎng)絡(luò)分析儀能精確測(cè)量入射能量、反射能量和傳輸能量。

三、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀原理

上期有跟大家分享矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀都由哪些設(shè)備組成。這一期跟大家詳細(xì)分享下他的測(cè)試原理。

二端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）是射頻微波領(lǐng)域的關(guān)鍵測(cè)試設(shè)備，其工作原理基于對(duì)微波網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)（散射參數(shù)）的精確測(cè)量。VNA通過(guò)復(fù)雜的內(nèi)部電路和算法，能夠?qū)Υ郎y(cè)器件（DUT）的反射和傳輸特性進(jìn)行深入分析。

1、反射系數(shù)

在反射測(cè)量過(guò)程中，VNA內(nèi)部的一個(gè)信號(hào)源通過(guò)一個(gè)功分器被分為兩路，一路直接作為參考信號(hào)，另一路則通過(guò)一個(gè)定向耦合器。定向耦合器的作用是分離出入射到DUT的信號(hào)和從DUT反射回來(lái)的信號(hào)。端口1發(fā)射的信號(hào)通過(guò)DUT并在其輸入端口產(chǎn)生反射。反射回來(lái)的信號(hào)由端口1的接收機(jī)接收，同時(shí)，定向耦合器提取出參考信號(hào)R1。此時(shí)，VNA會(huì)比較端口1的接收機(jī)捕獲的反射信號(hào)與耦合器提取的參考信號(hào)的幅度和相位差，從而計(jì)算出反射系數(shù)（S11參數(shù)），揭示了DUT輸入端口的反射特性。類似地，端口2的反射系數(shù)（S22參數(shù)）也可以通過(guò)將信號(hào)從端口2輸入并測(cè)量其反射來(lái)獲得。

2、傳輸系數(shù)

傳輸測(cè)量則涉及端口1發(fā)射的信號(hào)通過(guò)DUT，并在端口2被接收。在這個(gè)過(guò)程中，端口2的接收機(jī)會(huì)捕獲傳輸信號(hào)，而VNA會(huì)比較接收機(jī)B捕獲的傳輸信號(hào)與耦合器提取的參考信號(hào)R2的幅度和相位差。通過(guò)分析這兩個(gè)信號(hào)的幅度和相位差異，VNA計(jì)算出傳輸系數(shù)（S21參數(shù)），這代表了DUT的傳輸特性。

VNA采用頻率掃描技術(shù)，通過(guò)改變信號(hào)源的頻率，能夠全面分析DUT在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)的反射和傳輸特性。內(nèi)部的電路和算法不僅負(fù)責(zé)精確控制信號(hào)源，還確保了通過(guò)定向耦合器分離的參考信號(hào)與反射/傳輸信號(hào)的分離和測(cè)量。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)處理后轉(zhuǎn)化為S參數(shù)，并以圖表或數(shù)字形式展示給用戶，為射頻微波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了詳盡的數(shù)據(jù)支持。

而對(duì)于四端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)試原理類似，但包括了更多的S參數(shù)測(cè)量。除了S11、S21、S12和S22，還會(huì)測(cè)量S13、S31、S23和S32等參數(shù)，這些參數(shù)分別代表了不同端口之間的傳輸和反射特性。四端口VNA可以同時(shí)或分別測(cè)量這些參數(shù)，適用于更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)分析，如多端口濾波器、多路復(fù)用器和其他多端口微波組件。這要求VNA具有更多的信號(hào)源、接收機(jī)和定向耦合器，以及更復(fù)雜的內(nèi)部電路和算法來(lái)處理多個(gè)端口之間的相互作用。

四、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量對(duì)象

矢網(wǎng)（矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀）的測(cè)試對(duì)象確實(shí)非常多樣，涵蓋了從簡(jiǎn)單的無(wú)源組件到復(fù)雜的微波系統(tǒng)。

1、單端口測(cè)試對(duì)象

匹配終端：用于確保系統(tǒng)中的反射最小化，通常用于校準(zhǔn)矢網(wǎng)和測(cè)試其他設(shè)備的反射數(shù)。

負(fù)載：用于模擬終端負(fù)載，測(cè)試其反射和吸收特性。

標(biāo)準(zhǔn)傳輸線：用于校準(zhǔn)矢網(wǎng)，確定精確的傳輸特性。

2、雙端口測(cè)試對(duì)象

天線：測(cè)試其駐波比、回波損耗、增益和方向性等參數(shù)。

濾波器：評(píng)估其帶內(nèi)插損、帶外抑制、通帶平坦度和群延遲等特性。

衰減器：測(cè)量其在不同頻率下的衰減程度和一致性。

隔離器：檢查其正向傳輸和反向隔離的性能。

放大器：分析其增益、輸入輸出反射系數(shù)、線性度和穩(wěn)定性等。

電纜：評(píng)估其傳輸損耗、相位穩(wěn)定性以及隨時(shí)間或溫度變化的特性。

其他PCB組件：如開(kāi)關(guān)、移相器、調(diào)制器等，測(cè)試其電氣性能和可靠性。

3、多端口測(cè)試對(duì)象

多工器：用于同時(shí)傳輸多個(gè)信號(hào)，測(cè)試其端口間的隔離度和通道間的干擾。

多端口天線：評(píng)估多個(gè)端口之間的相關(guān)性、隔離度和匹配性能。

定向耦合器：測(cè)量其耦合度、方向性、隔離度和插入損耗。

功分器：檢查其功率分配的均勻性和隔離度。

環(huán)形器：測(cè)試其單向傳輸特性和隔離度。

平衡器件：如平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器（BALUN），評(píng)估其平衡性能和轉(zhuǎn)換效率。

4、復(fù)雜的系統(tǒng)和模塊

通信系統(tǒng)：測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)的鏈路性能，包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的匹配網(wǎng)絡(luò)。

雷達(dá)系統(tǒng)：評(píng)估雷達(dá)組件如合成器、混頻器和接收機(jī)的性能。

衛(wèi)星通信設(shè)備：測(cè)試上/下變頻器、高功率放大器和低噪聲放大器等。

五、德思特BirdRF矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

德思特BNA系列矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通過(guò)提供先進(jìn)的射頻測(cè)試功能，極大地幫助了工程師的工作。

其寬頻率范圍、高動(dòng)態(tài)范圍、低跡線噪聲和快速測(cè)量速度為研發(fā)等任務(wù)提供了準(zhǔn)確的結(jié)果；VNA的有效方向性和緊湊的尺寸使其便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量；開(kāi)放式界面允許工程師為特定項(xiàng)目定制儀器，從而促進(jìn)創(chuàng)新；支持VISA協(xié)議可確保輕松集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中，從而節(jié)省工作流程時(shí)間。

德思特BirdRF TS-BNA100系列(6.5GHz/8.5GHz) 雙端口

德思特BirdRF TS-BNA1000系列 20GHz 雙端口

德思特BirdRF TS-BNA1000系列(6.5GHz/8.5GHz) 2/4端口

審核編輯 黃宇