矢量网络分析

矢量网络分析

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矢量网络分析（Vector Network Analyzer ，VNA）是通过测量元件对频率扫描和功率扫描测试信号的幅度和相位的影响来精确表征元件特征的一种方法。网络分析是指对较复杂系统中所用元件和电路的电器性能进行测量的过程。这些系统传送具有信息内容的信号时，我们最关心的是如何以最高效率和最小失真使信号从一处传到另一处。矢量网络分析仪是微波毫米波测试仪器领域中最为重要、应用最为广泛的一种高精度智能化测试仪器，在业界享有“微波/毫米波测试仪器之王”的美誉，主要用于被测网络散射参量双向S参数的幅频、相频及群时延等特性信息的测量，广泛应用于以相控阵雷达为代表的新一代军用电子装备研制、生产、维修和计量等领域，还可以应用于精确制导、隐身及反隐身、航空航天、卫星通信、雷达侦测和监视、教学实验以及天线与RCS测试、元器件测试、材料测试等诸多领域。国内生产矢量网络分析仪的厂家主要有：中国电子科技集团41所、天津德力、成都天大仪器等单位。国产矢量网络分析仪中，仅41所有与国外同类先进产品相对应的频率上限覆盖至170GHz的系列化产品。在世界范围内矢量网络分析仪生产厂商主要有美国安捷伦、日本安立和德国罗德施瓦茨等，其中以美国安捷伦代表着最高水平，其推出产品最高频率上限已达500GHz。

矢量网络分析仪可测量的器件：

无源器件（滤波器）

有源器件（放大器）

单端口器件（天线）

双端口器件（衰减器）

多端口器件（混频器，耦合器，功分器）

平衡器件（平衡滤波器等）

网络分析仪有标量网络分析仪和矢量网络分析仪之分。

标量网络分析仪：只测量幅度信息，不支持相位的测量。接收机采用二极管检波，没有选频特性，动态范围小。

矢量网络分析仪：可同时测量被测网络的幅度信息和相位信息。接收机采用调谐接收，具有选频特性，能够有效抑制干扰和杂散，动态范围大。通过测量被测网络（被测件）对频率扫描和功率扫描测试信号的幅度与相位的影响，来表征被测网络的特性。

网络分析的基本原理

网络有很多种定义，就网络分析而言，网络指一组内部相互关联的电子元器件。网络分析仪的功能之一就是量化两个射频元件间的阻抗不匹配，最大限度地提高功率效率和信号的完整性。每当射频信号由一个元件进入另一个时，总会有一部分信号被反射，而另一部分被传输，这就好比光源发出的光射向某种光学器件，例如透

镜。其中，透镜就类似于一个电子网络。根据透镜的属性，一部分光将反射回光源，而另一部分光被传输过去。根据能量守恒定律，被反射的信号和传输信号的能量总和等于原信号或入射信号的能量。在这个例子中，由于热量产生的损耗通常是微不足道的，所以忽略不计。

我们可以定义参数反射系数（G），它是一个包含幅值和相位的矢量，代表被反射的光占总（入射）光的比例。同样，定义传输系数（T）代表传输的光占入射光的矢量比。

通过反射系数和传输系数，你可以更深入地了解被测器件（DUT）的性能。回顾光的类比，如果DUT是一面镜子，你会希望得到高反射系数。如果DUT是一个镜头，你会希望得到高传输系数。而太阳镜可能同时具有反射和透射特性。

电子网络的测量方式与测量光器件的方式类似。网络分析仪产生一个正弦信号，通常是一个扫频信号。DUT响应时，会传输并且反射入射信号。传输和反射信号的强度通常随着入射信号的频率发生变化。

DUT对于入射信号的响应是DUT性能以及系统特性阻抗不连续性的表征。例如，带通滤波器的带外具有很高的反射系数，带内则具有较高的传输系数。如果DUT 略微偏离特性阻抗则会造成阻抗失配，产生额外的非期望响应信号。我们的目标是建立一个精确的测量方法，测量DUT响应，同时最大限度的减少或消除不确定性。反射系数（G）和传输系数（T）分别对应入射信号中反射信号和传输信号所占的比例。现代网络分析基于散射参数或S-参数扩充了这种思想。

S-参数是一种复杂的向量，它们代表了两个射频信号的比值。S-参数包含幅值和相位，在笛卡尔形式下表现为实和虚。S-参数用S坐标系表示，X 代表DUT被测量的输出端，Y代表入射RF信号激励的DUT输入端。

表征传输的S-参数，如S21，类似于增益，插入损耗，衰减等其它常见术语。表征反射的S-参数，如S11，对应于电压驻波比（VSWR），回波损耗，或反射系数。S-参数还具有其他优点。它们被广泛认可并应用于现代射频测量。你可以很容易地将S-参数转换成H、Z或其他参数。你也可以对多个设备进行S-参数级联，表征复合系统的RF特性。更重要的是，S参数用比率表示。因此，你不需要把入射源功率设置为精确值。DUT的响应会反映出入射信号的任何微小差别，但通过比率方式表征传输信号或反射信号相对于入射信号的比率关系时，差别就会被消去。

矢量网络分析仪基本结构

信号源，用于产生入射信号，既支持连续扫频也支持离散频点，并且功率可调。信号源通过信号分离模块馈入DUT输入端，信号分离模块可看作一个测试装置。在这里，将反射信号和传输信号分离进不同的组件测量。对于每一个频点，处理器测量信号并计算参数值（例如S21或驻波比）。当对被测件（DUT）进行测试时，信号源模块产生的宽带激励信号经S参数测试模块分离出被测件的正向入射信号R1、反射信号A和传输信号B或者反向入射信号R2、反射信号B和传输信号A，在四通道混频接收机模块中进行混频产生中频信号，中频信号经过调理后进入中频处理模块进行取样、保持，直接进行高速数据采集A/D量化转换变为数字信号，最后在嵌

入式计算机的控制下经宽带数字中频处理滤波得到信号的幅度与相位信息，进而通过比值运算得出被测件的双向S参数并显示出测试曲线。

dBm: Milliwatt decibel 毫瓦分贝，

用于表示功率大小的绝对值，公式为：

10lg（p／1mW),

p为功率值单位为W

括号内是指先换算为mW,如1W=10^3mW，

然后进行log10()运算再乘以10，得到30dBm

即30dBm=10lg(1W/1mW)