原標題：矢量網絡分析儀原理

矢量網絡分析儀（Vector Network Analyzer, VNA）是一種用于精確測量射頻（RF）和微波頻段電路網絡參數（如阻抗、反射系數、傳輸系數等）的高精度儀器。其核心原理是通過發射已知信號并分析反射和傳輸信號的幅度與相位，從而提取被測設備（DUT）的復數散射參數（S參數），進而表征網絡的頻率響應特性。以下是矢量網絡分析儀原理的詳細解析：

一、矢量網絡分析儀的核心功能

VNA的主要功能是測量網絡的散射參數（S參數），包括：

• S??（輸入反射系數）：反映端口1的反射特性（如輸入阻抗匹配）。

• S??（正向傳輸系數）：反映信號從端口1到端口2的傳輸特性（如增益、損耗）。

• S??（反向傳輸系數）：反映信號從端口2到端口1的傳輸特性（如隔離度）。

• S??（輸出反射系數）：反映端口2的反射特性（如輸出阻抗匹配）。

通過S參數，可推導出其他關鍵參數：

• 阻抗（Z）：通過S??計算輸入/輸出阻抗。

• 電壓駐波比（VSWR）：反映阻抗匹配程度。

• 群延遲（Group Delay）：反映信號相位失真。

• 回波損耗（Return Loss）：反映反射功率損耗。

二、矢量網絡分析儀的工作原理

VNA的工作流程可分為三個階段：信號生成、信號分析與參數計算。

1. 信號生成：源模塊

• 頻率合成器：生成高穩定度、低相位噪聲的射頻信號，頻率范圍通常從幾kHz到數百GHz（取決于VNA型號）。

• 功率控制：通過可變衰減器調整輸出信號功率（典型范圍：-120dBm至+20dBm），以適應不同DUT的動態范圍需求。

• 掃頻模式：支持單頻點測量或連續掃頻測量（如線性掃頻、對數掃頻），以獲取頻域響應。

2. 信號分離與接收：測試端口與定向耦合器

• 測試端口：通常為2端口（S??/S??測量）或4端口（支持多端口網絡測量）。

• 定向耦合器：

• 位于每個測試端口，用于分離入射波（ai）和反射波（bi）。

• 通過耦合臂將反射信號引導至接收機，同時隔離入射信號以避免干擾。

• 典型耦合度：20dB~40dB（平衡信號分離與插入損耗）。

3. 信號接收與處理：接收機模塊

• 雙通道接收機架構：

• 參考接收機（R）：測量入射信號幅度與相位（ai），作為相位參考。

• 測量接收機（A/B）：分別測量端口1和端口2的反射/傳輸信號（b1/b2）。

• 下變頻與采樣：

• 接收信號與本振（LO）信號混頻，下變頻至中頻（IF）或基帶。

• 通過模數轉換器（ADC）采樣，獲取數字信號。

• 矢量測量：

• 通過數字信號處理（DSP）提取信號的幅度和相位信息。

• 計算復數比值 Sij=aibj，得到S參數。

4. 參數計算與顯示

• 校準補償：通過校準件（如Open、Short、Load、Thru）消除測試系統誤差（如方向性誤差、源匹配誤差、傳輸跟蹤誤差）。

• 數據轉換：將S參數轉換為其他參數（如阻抗、VSWR、群延遲）。

• 顯示與存儲：以史密斯圓圖、對數幅度、相位、極坐標等形式顯示測量結果，并支持數據導出。

三、矢量網絡分析儀的關鍵技術

1. 相位測量技術

• 相位鎖定環（PLL）：確保本振信號與參考信號同步，減少相位噪聲。

• 同相/正交（I/Q）解調：通過正交混頻器將信號分解為I（同相）和Q（正交）分量，精確提取相位信息。

• 相位展開算法：解決相位模糊問題（如從-180°到+180°的跳變），確保連續相位測量。

2. 動態范圍優化

• 接收機靈敏度：通過低噪聲放大器（LNA）提高接收機靈敏度（典型值：-140dBm）。

• 大動態范圍：支持高功率反射信號測量（如+20dBm輸入信號下的-120dBm反射信號）。

• 自動電平控制（ALC）：動態調整源功率以避免接收機飽和。

3. 時域分析（TDR/TDT）

• 時域反射計（TDR）：通過逆傅里葉變換將頻域S參數轉換為時域沖激響應，定位傳輸線中的不連續點（如開路、短路、阻抗失配）。

• 時域傳輸計（TDT）：測量信號通過DUT的時延，分析傳輸路徑特性。

4. 多端口擴展技術

• 開關矩陣：通過多路開關擴展端口數量（如4端口、8端口），支持復雜網絡測量（如天線陣列、濾波器組）。

• 平衡測量：支持差分模式測量（如Sdd、Scc參數），用于高速數字電路分析。

四、矢量網絡分析儀的校準原理

校準是消除系統誤差的關鍵步驟，常用方法包括：

1. SOLT校準（Short-Open-Load-Thru）

• 步驟：

1. Short：測量短路標準件，確定端口反射系數。

2. Open：測量開路標準件，確定端口開路電容。

3. Load：測量匹配負載（50Ω），確定端口匹配誤差。

4. Thru：測量直通連接，確定傳輸跟蹤誤差。

• 適用場景：同軸系統、波導系統。

2. TRL校準（Thru-Reflect-Line）

• 步驟：

1. Thru：測量直通連接，確定傳輸跟蹤誤差。

2. Reflect：測量反射標準件（如短路板），確定方向性誤差。

3. Line：測量已知延時傳輸線，確定相位和幅度誤差。

• 優勢：無需知道標準件絕對值，適用于非同軸系統（如片上網絡、PCB測試）。

3. 自動校準技術

• 電子校準件（ECal）：通過內置存儲器的智能校準件，自動完成校準步驟，減少人為誤差。

• 快速校準：支持單端口、雙端口快速校準，縮短測試時間。

五、矢量網絡分析儀的應用場景

1. 射頻與微波組件測試

• 濾波器（插入損耗、帶外抑制）。

• 放大器（增益、噪聲系數、1dB壓縮點）。

• 天線（駐波比、方向圖、阻抗匹配）。

• 電纜與連接器（損耗、回波損耗）。

2. 高速數字電路設計

• 信號完整性分析（如串擾、阻抗不連續）。

• 眼圖測試（通過時域反射計定位信號劣化點）。

3. 材料測量

• 介電常數（?r）和磁導率（μr）測量。

• 復數介電常數提取（如通過傳輸線法、諧振腔法）。

4. 生物醫學應用

• 組織介電特性測量（如癌癥檢測）。

• 微波成像（如乳腺癌篩查）。

六、矢量網絡分析儀的技術發展趨勢

1. 高頻段擴展

• 支持太赫茲（THz）頻段測量（如110GHz以上），滿足6G通信、量子計算需求。

• 采用擴展器（如倍頻器、混頻器）實現高頻覆蓋。

2. 多通道與并行測量

• 支持多通道同步測量（如4通道、8通道），提高測試效率。

• 并行接收機架構減少掃頻時間。

3. 集成化與便攜化

• 模塊化設計（如PXIe總線），便于系統集成。

• 手持式VNA（如USB VNA）滿足現場測試需求。

4. 人工智能與自動化

• AI算法優化校準過程（如自動識別校準件類型）。

• 自動化測試腳本（如LabVIEW、Python集成）支持批量測試。

七、總結

矢量網絡分析儀通過精確測量射頻信號的幅度與相位，提取網絡的S參數，為射頻/微波設計提供關鍵數據。其核心原理基于信號生成、分離、接收與矢量處理，結合校準技術消除系統誤差。隨著高頻段、多通道、集成化技術的發展，VNA正朝著更高精度、更廣頻段、更智能化的方向演進，成為射頻研發、生產測試和材料科學領域不可或缺的工具。