矢量网络分析仪基础介绍

eefocus_3923837

现如今，术语“网络分析器”用于描述用于各种“网络”的工具。例如，当今大多数人都拥有在 4G 或 5G“网络”上运行的蜂窝电话或移动电话。此外，我们的大多数家庭、办公室和商业场所都拥有 Wi-Fi 或无线局域网“网络”。此外，许多计算机和服务器都设置在“网络”中，这些网络都链接到云中。对于这些“网络”中的每一个，都有一个特定的网络分析器工具，用于验证性能、映射覆盖区域和识别问题区域。

但是，本文中感兴趣的网络分析器用于不同类型的网络，并且早在这些网络存在之前就已定义。第一个 VNA 是在 1950 年左右发明的，被定义为一种测量电网网络参数的仪器。事实上，可以说VNA多年来一直在使用，帮助使上述所有网络成为可能。从移动电话网络到 Wi-Fi 网络，再到计算机网络和云，当今所有最常见的技术网络都是使用 60 多年前发明的 VNA 实现的。

谁需要 VNA

所有无线解决方案都有发射器和接收器，每个都包含许多射频和微波组件。这不仅包括智能手机和 WiFi 网络，还包括联网汽车和 IoT（物联网）设备。此外，当今的计算机网络以如此高的频率运行，以至于它们以射频和微波频率传递信号。

VNA 用于测试组件规格和验证设计模拟，以确保系统及其组件正常工作。研发工程师和制造测试工程师通常在产品开发的各个阶段使用 VNA。组件设计人员需要验证其组件（例如放大器、滤波器、天线、电缆、混频器等）的性能。系统设计人员需要验证其组件规格，以确保他们所依赖的系统性能满足其子系统和系统规格. 生产线使用 VNA 来确保所有产品在发货供客户使用之前都符合规格。在某些情况下，VNA 甚至用于现场操作以验证和排除已部署的射频和微波系统的故障。

例如，图 4 显示了 RF 系统前端以及如何使用 VNA 测试系统的不同组件和部件。对于天线，重要的是要了解天线在将信号传入和传出空气方面的效率。正如我们稍后将解释的，这是通过使用 VNA 测量天线的回波损耗或 VSWR 来确定的。

查看下图的右侧，上混频器获取 IF 信号并将其与振荡器 (VCO) 混合以产生 RF 信号。信号转换到新频率的效果如何？是否产生了不需要的信号？什么功率水平最有效地驱动混频器？VNA 用于回答这些问题。

从系统设计的角度来看，有多少信号通过射频板并离开天线？在接收端，双工器在提供发送和接收信号之间的隔离方面的效果如何？所有这些问题都可以使用 VNA 来回答。

基本 VNA 操作

VNA 的一个独特功能是它包含一个用于生成已知激励信号的源和一组接收器，用于确定由被测设备或 DUT 引起的激励变化。下图 突出显示了 VNA 的基本操作。为简单起见，它显示了来自端口 1 的信号源，但当今大多数 VNA 都是多路径仪器，可以向任一端口提供激励信号。

激励信号被注入 DUT，VNA 测量从输入侧反射的信号，以及通过 DUT 输出侧的信号。VNA 接收器测量产生的信号并将它们与已知的激励信号进行比较。测量结果然后由内部或外部 PC 处理并发送到显示器。

市场上有多种不同的 VNA，每一种都有不同数量的端口和激励信号流向的路径。对于 1 端口 VNA，DUT 连接到图 5 的输入侧，并且只能测量反射信号。对于 2 端口 1 路径 VNA，可以测量反射和传输信号（S11 和 S21），但是，必须物理反转 DUT 以测量反向参数（S22 和 S12）。对于 2 端口 2 路径 VNA，DUT 可以在任一方向连接到任一端口，因为该仪器具有反转信号流的能力，因此两个端口（S11 和 S22）的反射以及可以测量正向和反向传输（S21 和 S12）。

主要规格

在确定您对 VNA 的需求时，需要考虑几个关键规格。虽然有许多 VNA 规格，但有四个顶级规格可用于指导您的选择过程——频率范围、动态范围、迹线噪声和测量速度。

频率范围是要考虑的第一个也是最关键的规格。为此，不仅要考虑您当前的需求，还要考虑未来的潜在需求，这通常是有益的。此外，虽然所有 DUT 都有给定的工作频率，但对于某些 DUT，您可能还需要考虑谐波频率。有源元件，例如放大器、转换器和混频器，可能需要在其谐波频率（工作频率的 2 至 5 倍）下进行测试。滤波器和双工器也可能需要在其通带的谐波处进行测试。尽管可能需要更高的频率范围，但最大频率范围可能是 VNA 的主要成本驱动因素。

动态范围是指定频率范围内从最大值到最小值的可测量衰减范围。根据 DUT 所需的性能，您需要确保最大 DUT 衰减规格的幅度至少比 VNA 动态范围规格小 3 到 6 dB。今天的大多数 VNA 都提供非常好的动态范围 (~ 120 dB)，这对于许多应用来说已经足够了。一些非常高性能的组件可能需要更昂贵的 VNA 解决方案。

迹线噪声测量 VNA 产生多少随机噪声并传递到测量中。它通常以毫分贝 (0.001 dB) 为单位进行测量。迹线噪声可能是确定某些组件精度的关键因素。一个例子可能是滤波器通带中可接受的波纹水平。如果您需要一定的性能水平来确定通过滤波器的信号的准确性，则增加的 VNA 迹线噪声贡献可能是一个因素。

最后，要考虑的其他规格之一是测量速度。测量速度是执行单次扫描或测量所需的时间。这可能是大批量制造应用的最关键要求。如果考虑用于智能手机的组件，每年可能生产数十亿个组件。在非常大的容量下减少测试时间对于该组件的成功至关重要。然而，对于许多研发和小批量生产应用，VNA 测量速度不是问题。

网络分析仪 VS 频谱分析仪

一些设计工程师可能有使用 VNA 或频谱分析仪的经验。其他人可能对 RF 测试不熟悉，也不熟悉。VNA 和频谱分析仪是两种最常用的射频测试仪器。但是网络分析仪和频谱分析仪有什么区别呢？您什么时候需要一种或两种仪器？表 1 提供了每种仪器的比较。

首先，重要的是要考虑您需要测量什么类型的信号。频谱分析仪是测量数字调制信号的首选仪器。例如，如果目标是测量 Wi-Fi 和 LTE 信号的性能，则只有频谱分析仪才能执行这些测量。

如前所述，VNA 包含源和接收器。这使其能够使用已知激励来激发 DUT，并使用多个接收器来测量其响应。VNA 可以有多个通道和端口，允许其接收器同时测量 DUT 的输入和输出。

频谱分析仪通常用于测量未知信号，这些信号可能通过天线或组件的输出在空中传输。它们也往往是单通道仪器，一次只能测量 DUT 的一个输出。另一方面，VNA 不测量信号。它们测量无源或有源设备的固有射频特性。

借助已知的激励和多个接收器，VNA 可以准确测量 DUT 的幅度和相位特性。该矢量信息允许完整的器件表征。使用矢量误差校正还可以实现更高的精度和动态范围。这种独特的用户校准功能（稍后将讨论）允许 VNA 排除电缆、适配器和固定装置的影响。

一些频谱分析仪提供内置跟踪发生器 (SA w/TG)，因此它们具有与 VNA 大致相同的功能。从根本上说，VNA 的工作方式与带 TG 的 SA 的工作方式大致相同。但是，这两种仪器解决方案之间的主要区别在于 VNA 能够使用多个接收器进行比例测量。带有 TG 的 SA 可以很好地进行 1 端口反射测量，并且还可以执行纠错。但是，对于使用 SA w/TG 进行的传输测量，可以进行测量，但不能使用 VNA 的精度。正如我们稍后将讨论的，其中大部分是因为完整的 2 端口纠错只能在 VNA 上进行。最重要的是，大多数带有 TG 的 SA 不显示相位数据，这在许多 RF 测试应用中至关重要。

了解 S 参数

由于通常很难测量高频下的电流或电压，因此可以测量散射参数或 S 参数。它们用于表征射频组件或组件网络的电气特性或性能，并与增益、损耗和反射系数等熟悉的测量相关。要了解如何使用 VNA 来表征 DUT，了解 S 参数的基础知识很重要。

如果我们从外部视图开始， VNA 通常有两个或多个端口，可以直接连接到 DUT，也可以使用电缆和适配器。这些端口被标记，在本例中为端口 1 和端口 2。

接下来，让我们考虑内部视图。用于评估多端口网络行为的常见做法是使用入射波作为每个端口的激励，并测量从施加电源的端口反射或通过设备传输到其余端口的出射波。端口。一般来说，进入网络或 DUT 的波称为入射波，而离开网络或 DUT 的波称为反射波，尽管每个波都可能由来自其他端口的反射和传输组合而成。

入射波用 a n 表示，反射波用 b n表示，其中 n 是端口号。a 波和 b 波都是相量，在网口的指定端具有幅值和相位。

两个 VNA 端口连接器的后面各有一个定向耦合器。这些定向耦合器将已知的激励信号传递到 DUT 的任一侧（a 1或 a 2）。

首先，将一部分刺激信号作为参考信号。S 参数定义为来自不同端口的信号相对于该参考的比率。同时，一些刺激信号在进入 DUT 时被反射 (b 1 )。反射的输入信号部分使用连接到 VNA 内部端口 1 的接收器进行测量。进入 DUT 的输入信号部分在通过时通常会发生幅度和相位变化。从端口 2 发出的部分由端口 2 (b 2 )上的 VNA 接收器测量。

需要注意的是，由于 VNA 是双向仪器，端口 2 也可能是发出已知激励的地方（在这种情况下为2），并且测量过程在相反方向上是相同的。

现在我们对 VNA 的工作原理有了更多的了解，让我们将内部视图转换为 S 参数理论视图。通过使用 a（入射）和 b（反射）波，线性网络或 DUT 可以通过一组方程来表征，这些方程根据所有端口的入射波来描述每个端口的反射波。在这些条件下表征网络的常数称为 S 参数。

在正向情况下，如图 7 所示，端口 1 正在传输 a 1信号并且匹配负载施加到端口 2，导致负载处的信号反射为零 (a 2 = 0)。S 11对应于端口1处的反射系数，或b 1与a 1 的比率。S 21是通过DUT的前向传输系数，是b 2与a 1的比值。

在反向情况下，端口 2 正在传输 a 2信号，并且匹配负载施加到端口 1 (a 1 = 0)。S22 对应于端口 2 处的反射系数，或 b2 与 a 2 的比值。S 12是通过DUT的反向传输系数，是b 1与a 2的比值。

请注意，在 S 参数命名法 Syx 中，第二个数字 (x) 表示始发端口，而第一个数字是目标端口 (y)。从理论上讲，S 参数理论可以应用于具有无限数量端口的网络。例如，一个 4 端口 VNA 将有 16 个 S 参数：来自 S 11、S 12、S 13、S 14、S 21 ...。Ş 44。这些 S 参数遵循相同的理论，是每个指定端口之间的比率测量值。

测量误差的类型

在使用 VNA 进行任何测量之前，您必须对其进行校准以减少可能影响测量的错误。在继续校准 VNA 之前了解测量误差很有用，因为并非所有误差都可以通过这种方式最小化。

测量误差主要分为三种类型。测量误差的类型包括系统误差、随机误差和漂移误差。系统误差是测试设备或测试设置中的缺陷，通常是可以预测的。一些示例包括 VNA 接收器在其频率范围内的频率响应中的输出功率变化或纹波。同样重要的是将 DUT 连接到 VNA 的 RF 电缆的功率损耗会随着频率的增加而增加。由于这些误差是可预测的并且是设备中的缺陷，因此可以通过用户校准轻松地将其排除。

测量误差的第二个来源是由随机误差引起的。这是由随时间变化的测试设备或测试设置发出的噪声引起的错误。该误差量很重要，因为即使在执行用户校准后它仍会保留在测量结果中，并且它决定了测量中可以达到的准确度。前面讨论过的迹线噪声是随机误差的一个例子。

第三个误差源是漂移误差，它与随时间的测量漂移有关。这些是在执行用户校准后在测试设备和测试设置中出现的差异。例如温度波动、湿度波动和装置的机械运动。有时使用温度和湿度控制的房间来减少随时间推移的漂移误差。测试设置随时间漂移的量决定了测试设置需要重新校准的频率。

什么是用户校准

在射频和微波测试设备中，VNA 具有独特的校准技术。虽然 VNA 与其他射频和微波测试设备相似，因为它们在出厂时已校准并且通常需要每年检查一次以确保它们仍然正常运行，但 VNA 的不同之处在于它们具有额外的“用户校准”，可以由用户在进行测量之前执行。

工厂校准涵盖了 VNA 在测试端口连接器上的性能。仪器性能基于满足一组定义参数（频率、功率等）的输入信号。就 VNA 而言，它不仅经过校准以从接收器的角度进行准确测量，还具有工厂校准，以确保来自 VNA 的已知激励被指定并正常运行。

基本上，它确保输出信号符合规格并且输入信号将被准确表示。这种工厂校准类似于在带有跟踪发生器的频谱分析仪上执行的工厂校准。

在同一台仪器中内置已知的激励和接收器，使 VNA 具有执行额外“用户校准”的独特能力。如前所述，VNA 测量幅度和相位，这意味着用户校准执行矢量误差校正。这就是使 VNA 成为最准确的射频测试仪器之一的原因。用户校准使 VNA 能够排除电缆、适配器和 DUT 连接中使用的大多数东西的影响。通过消除附件的影响，用户校准允许单独精确测量 DUT 性能。这使设计人员能够在将 DUT 放入子系统时更好地了解 DUT 的性能。

VNA 校准方法

既然我们了解了“用户校准”在排除测量误差方面的重要性，我们可以继续讨论可用的不同用户校准方法。有许多不同的 VNA 校准方法，您需要的复杂程度取决于您所需的精度，甚至可能是您的预算。在本节中，我们将回顾一些更常见的方法。

最简单的方法是响应校准。它既快速又简单，但不如其他方法准确。例如，如果您只需要 S 11或反射测量，您可以使用开路或短路来测量测试设置响应。如果只需要 S 21或传输测量，则只能使用直通标准。响应校准很容易执行，根据您需要的准确度，可能就足够了。

接下来，还有 2 端口单路径方法，它更准确，但连接数比全 2 端口双路径校准要少。当您对一组有限的 S 参数（例如 S 11、S 21、a 2 =0）感兴趣时，此方法很有效。在这种情况下，VNA 将仅从端口 1 传输。好处是校准期间连接更少。

2 端口双路径校准方法与 2 端口单路径校准基本相同，但增加了端口 2 侧的开路短路负载测量。这种方法提供了准确、完整的 S 参数测量能力。缺点是它需要进行许多连接。额外的步骤可能会导致潜在的过程错误，因为您需要多次测量和更换标准。

最后，还有电子校准方法。只需连接电子校准标准件，VNA 即可为 S11、S 21、S 12和 S 22执行简单、快速且非常准确的校准——所有这些都通过一组连接进行。这种单一连接很有价值，因为它减少了在校准过程中插入错误标准的可能性。通常，电子校准标准是可用的最昂贵的校准方法。然而，它们通过极大地简化校准过程而增加了巨大的价值，同时提供了高度准确的结果。

校准标准

根据校准方法的类型，有多种类型的 VNA 校准标准用于用户校准。最常见的校准标准集称为短路、开路、负载和直通 (SOLT)。VNA 用户校准是使用这些已知标准进行的，包括短路、开路、精密负载（通常为 50 欧姆）和直通连接。校准标准最好与 DUT 具有相同的连接器类型和性别。这允许 DUT 或校准标准成为校准和测量之间的唯一变化。

不幸的是，不可能制作出完美的校准标准。短路总会有一些电感；开路总会有一些边缘电容。VNA 存储有关特定校准套件的数据并自动纠正这些缺陷。特定校准套件的标准定义取决于 VNA 的频率范围。在某些校准套件中，公连接器上的数据与母连接器不同，因此用户可能需要在校准之前在 VNA 的用户界面中指定连接器的性别。

校准标准可以通过几种不同的方式物理实现。首先引入了单独的机械标准，每个标准都是单独制造和表征的。个别标准提供出色的准确性，并为各种测试设置提供灵活性。

今天，可提供带有开路短路负载的 4 合 1 机械校准套件，并通过集成到单个机械设备中。如前所述，还有由计算机和 USB 驱动的自动电子校准标准。这些通过将校准减少到一组连接来提供非常准确且不易出现人为错误的自动校准。

典型的 VNA 测量

VNA 执行两种类型的测量 - 传输和反射。传输测量将 VNA 的激励信号通过 DUT，然后由另一侧的 VNA 接收器进行测量。最常见的传输 S 参数测量是 S 21和 S 12 (S xy大于 2 个端口）。扫描功率测量是传输测量的一种形式。传输测量的一些其他示例包括增益、插入损耗/相位、电长度/延迟和群延迟。相比之下，反射测量测量的是 VNA 激励信号中入射到 DUT 但不通过它的部分。相反，反射测量测量由于反射而返回到源的信号。最常见的反射 S 参数测量是 S 11和 S 22（S xx用于大于 2 端口）。

扫频测量

扫频测量特别有用，因为它们在用户定义的一组频率和步进点上扫描内部源。可以由此进行各种测量，包括 S 参数、单个入射和反射波（例如 a 1、b 2)、幅度、相位等。下图  显示了无源滤波器的扫频传输测量示例。这种类型的滤波器测量显示信号通过组件时会发生什么。S21 测量表明通带带宽性能由其 6 dB 响应定义。显示阻带性能与 60 dB 降低规格相比。然后可以将测量结果与滤波器设计目标或从系统设计者的角度来看滤波器制造商的规格进行比较。

扫频测量还可以测量入射到 DUT 上的激励信号的反射，但与通过 DUT 传输相反的是反射。这些 S 11（或 S xx）测量允许用户检查和比较 DUT 的性能与其规格。示例 DUT 包括天线、滤波器和双工器。 显示了天线回波损耗测量的示例。请注意，在天线通带中，大部分信号都在传输，因此反射测量结果中会出现可见的零点。

时域测量

一些 VNA 能够使用逆傅立叶变换将扫频测量值转换为时域。通过这种方式，时域中显示的数据允许使用 VNA 通过检测信号通过 DUT 时阻抗不匹配或不连续的位置来发现电缆和连接中的问题。

对于时域测量，解析两个信号的能力与测量的频率跨度成反比。因此，频率跨度越宽，VNA 区分紧密间隔的不连续性的能力就越大。最大频率跨度由用户设置，可由 VNA 的频率范围或 DUT 的可用带宽定义。

频域采集的数据不是连续的，而是有限个离散频点。这会导致时域数据在频率采样间隔的倒数之后重复。这种现象称为混叠。正确设置频率采样间隔以准确测量所需距离以在出现混叠之前评估 DUT 的性能非常重要。

扫描功率测量

VNA 还可以扫描激励信号的输出功率电平，而不是扫描频率。对于这些测量，频率保持恒定，而输出功率在定义的功率范围内逐步增加。这是放大器的常见测量方法，从低功率电平开始，并以分数 dB 步长增加功率。

在放大器的线性区域，随着输入功率的增加，输出功率也成比例地增加。放大器输出偏离线性期望值 1dB 的点称为 1dB 压缩点。当放大器达到其压缩点时，它不再能够像以前一样增加其输出功率。对于需要放大器线性性能的应用，此测量有助于定义该规格。

测试多端口组件

今天的许多组件都有两个以上的端口。它们可能有一个输入和多个输出，反之亦然。更复杂的组件可以有多个输入和多个输出。如果端口之间的交互不是问题，那么这些组件中的一些仍然可以通过一系列 2 端口测量进行测试。

当需要测量多个端口之间的交互时，您可能需要多端口 VNA。真正的多端口测量将测量 N 2 S 参数并需要具有 N 端口的 VNA，其中 N 等于 DUT 端口的数量。代替仅S 11、S 21、S 12和S 22，S 参数还将包括例如S 41或S 43或S 10 11。真正的多端口 VNA 可以为每个端口提供激励信号。多端口纠错消除了测量的系统误差，但需要复杂的校准过程，其中校准标准必须连接到所有可能的端口组合。

现在，很容易理解为什么 VNA 有助于使许多现代技术成为可能。通过向被测设备或 DUT 提供已知激励信号，以及多个接收器来测量响应，VNA 形成了一个闭环，使其能够非常准确地测量组件的电气幅度和相位响应。由于其独特的用户校准，VNA 是最准确的射频测试仪器之一。它允许通过减少电缆、适配器和其他测试辅助工具的影响来仔细隔离 DUT 性能。

VNA 测试组件规格并验证设计模拟。有了这种精确的表征水平，系统工程师就可以研究电路或系统级设计，并放心地知道——从设计阶段到制造阶段——它会按预期运行。

阅读全文