VNA 深入該領(lǐng)域

作者： MARTIN ROWE 高級(jí)技術(shù)編輯，測(cè)試與測(cè)量，EDN 和 EE Times

射頻 (RF)/微波工程師使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA) 來(lái)表征連接器、電纜、濾波器、放大器、PCB 走線(xiàn)等組件。VNA 也已成為信號(hào)完整性工程師的重要工具。但這些工程師經(jīng)常使用的高端臺(tái)式 VNA 價(jià)格昂貴，運(yùn)行數(shù)十萬(wàn)美元。近年來(lái)，一類(lèi)低成本的手持式和 USB VNA 使散射參數(shù)（S 參數(shù)）測(cè)量可用于新應(yīng)用?，F(xiàn)在的應(yīng)用包括材料表征、雪深和成分、土壤成分、醫(yī)學(xué)成像等。

VNA 本質(zhì)上是一個(gè)高頻源測(cè)量單元。它將物體或電路激發(fā)到一定范圍的射頻頻率，并以 S 參數(shù)的形式測(cè)量響應(yīng)（參考文獻(xiàn) 1、2）。S 參數(shù)提供有關(guān)進(jìn)入、退出和被測(cè)試設(shè)備、對(duì)象或材料反射的信號(hào)功率（幅度和相位）的信息。大多數(shù)便攜式和 USB VNA 提供兩個(gè)端口，其中每個(gè)端口都可以發(fā)送和接收射頻波。這會(huì)產(chǎn)生四次測(cè)量，通常被描述為 2 × 2 矩陣。圖 1 顯示了矩陣和四個(gè) S 參數(shù)。

圖 1：雙端口設(shè)備、系統(tǒng)或被測(cè)對(duì)象連接到雙端口 VNA，產(chǎn)生 2 × 2 的 S 參數(shù)矩陣。

S11 和 S21 被稱(chēng)為前向 S 參數(shù)，因?yàn)槿肷洳ㄔ诙丝?1 進(jìn)入待測(cè)設(shè)備或材料。S11 定義為從端口 1 反射的波與在端口 1 進(jìn)入的入射波的比率（參考文獻(xiàn)3）。S21 定義為從端口 2 出射的波與在端口 1 進(jìn)入的入射波之比。

S12 和 S22 是反向 S 參數(shù)。S22 是從端口 2 反射的波除以從端口 2 進(jìn)入的入射波的比率。S12 是從端口 1 出射的波與進(jìn)入端口 2 的入射波的比率。 S 參數(shù)值（幅度和相位）隨頻率變化。

圖 1中的 DUT 不必是電氣設(shè)備；它幾乎可以是任何東西。您只需要一種向 VNA 發(fā)送信號(hào)和從 VNA 接收信號(hào)的方法。電氣設(shè)備通常具有連接器，可通過(guò)電纜將其連接到 VNA 端口，或者它們可以連接到 PCB。其他物體或物質(zhì)可能需要不同的接口，例如天線(xiàn)。

雪中的天線(xiàn)Jakop Reistad 在他的碩士論文（參考文獻(xiàn) 4）中使用 VNA 來(lái)評(píng)估一種共振探頭（圖 2），該探頭設(shè)計(jì)用于通過(guò)挪威雪發(fā)送和接收信號(hào)以測(cè)量雪的密度和成分。

圖 2：此探頭設(shè)計(jì)用于連接 VNA，以測(cè)量雪的密度和成分。圖片：Jackop Reistad，挪威北極大學(xué)。

Reistad 使用 miniVNA Tiny（來(lái)自 Mini Radio Solutions 的 600 美元以下的 USB VNA）來(lái)發(fā)送和接收信號(hào)。其頻率范圍為 1 MHz 至 3 GHz。

“介電常數(shù)是一個(gè)具有實(shí)部和虛部的復(fù)數(shù)，”Reistad 解釋說(shuō)?！皩?duì)于干雪，介電常數(shù)幾乎完全是實(shí)數(shù)，實(shí)數(shù)部分幾乎隨雪密度線(xiàn)性變化。隨著含水量的增加，復(fù)雜部分占主導(dǎo)地位。因此，兩個(gè)主要的‘物理’參數(shù)是密度和含水量。”

為了計(jì)算介電常數(shù)，進(jìn)而計(jì)算雪密度，Reistad 必須首先找到雪的共振頻率，該頻率可以從 S 參數(shù)測(cè)量中獲得?！肮舱耦l率與介電常數(shù)成反比。我們可以通過(guò)研究諧振探頭的品質(zhì)因數(shù)來(lái)找到濕度。含水量的增加會(huì)降低品質(zhì)因數(shù)并擴(kuò)大共振峰。”

在另一個(gè)雪應(yīng)用中，VNA 被用于測(cè)量極地地區(qū)的冰層深度，方法是向冰層中注入射頻信號(hào)并測(cè)量返回的功率。連續(xù)測(cè)量的相位變化提供了計(jì)算冰厚度變化所需的數(shù)據(jù)。絕對(duì)厚度可以通過(guò)在不同頻率進(jìn)行相位測(cè)量或通過(guò)對(duì)頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉逆變換 (iFFT) 來(lái)計(jì)算。這些測(cè)量結(jié)果讓科學(xué)家們看到了氣候變化對(duì)極地冰的影響。所有這些方法都產(chǎn)生類(lèi)似于雷達(dá)的結(jié)果，其中將射頻脈沖注入冰中（參考文獻(xiàn) 5）。

材料表征Compass Technology Group LLC 開(kāi)發(fā)定制夾具，其客戶(hù)使用這些夾具來(lái)獲得材料的固有特性。“材料的內(nèi)在特性描述了它的行為方式，”Compass Technology 的首席科學(xué)家 John Schultz 說(shuō)。圖 3 顯示了該公司在 2018 年國(guó)際微波研討會(huì)上展示的測(cè)試夾具。

圖 3：Compass Technology 的測(cè)試夾具使用定制天線(xiàn)從 VNA 向被測(cè)材料發(fā)送和接收信號(hào)。圖片：馬丁·羅。

在圖 3中，Copper Mountain Technologies 的 VNA 對(duì)材料進(jìn)行激發(fā)并計(jì)算 S 參數(shù)。專(zhuān)有軟件根據(jù)幅度和相位計(jì)算被測(cè)材料的內(nèi)在特性。

感興趣的參數(shù)是材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的實(shí)部和虛部。Compass Technology 測(cè)試的材料包括低損耗和高損耗材料。低損耗材料通常用于天線(xiàn)，而高損耗材料可能成為吸收體。雖然該公司通常在將材料集成到設(shè)計(jì)中之前對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，但它也測(cè)試了飛機(jī)機(jī)蓋等成品。

其他用途USB VNA 制造商 Pico Technology 的 Mark Ashcroft 看到了該公司 PicoVNA 的不尋常用途。例如，VNA 可用于測(cè)試電流通常為 60 A 至 100 A 的電氣螺栓的完整性。

在本應(yīng)用中，S11 是重要參數(shù)。如果隨著時(shí)間的推移焊接斷裂，S11 將隨著更多的能量反射到傳輸端口而發(fā)生變化。從 S11 和 S21 測(cè)量生成的諧振頻率圖的 iFFT 生成時(shí)域圖，可以指示裂縫的位置。

VNA 已證明其在科學(xué)和工程測(cè)量中的實(shí)用性。他們只需要天線(xiàn)或其他探頭即可將信號(hào)注入被測(cè)材料并提取反射和發(fā)射功率。

審核編輯 黃昊宇