下载文档原格式
网络分析仪工作原理及使用要点本文简要介绍41所生产的AV362O矢量网络分析的测量基本工作原理以及正确使用矢量网络分析测量电缆传输及反射性能的注意事项。
1.DUT对射频信号的响应矢量网络分析仪信号源产生一测试信号，当测试信号通过待测件时，一部分信号被反射，另一部分则被传输。
图１说明了测试信号通过被测器件（DUT）后的响应。
图１ DUT 对信号的响应2.整机原理：矢量网络分析仪用于测量器件和网络的反射特性和传输特性，主要包括合成信号源、S 参数测试装置、幅相接收机和显示部分。
合成信号源产生30k～6GHz的信号，此信号与幅相接收机中心频率实现同步扫描；S参数测试装置用于分离被测件的入射信号R、反射信号A 和传输信号B；幅相接收机将射频信号转换成频率固定的中频信号，为了真实测量出被测网络的幅度特性、相位特性，要求在频率变换过程中，被测信号幅度信息和相位信息都不能丢失，因此必须采用系统锁相技术；显示部分将测量结果以各种形式显示出来。
其原理框图如图２所示：图２ 矢量网络分析仪整机原理框图矢量网络分析内置合成信号源产生30k～6GHz的信号，经过S参数测试装置分成两路，一路作为参考信号R，另一路作为激励信号，激励信号经过被测件后产生反射信号A和传输信号B，由S参数测试装置进行分离，R、A、B三路射频信号在幅相接收机中进行下变频，产生4kHz的中频信号，由于采用系统锁相技术，合成扫频信号源和幅相接收机同在一个锁相环路中，共用同一时基，因此被测网络的幅度信息和相位信息包含在4kHz的中频信号中，此中频信号经过A/D模拟数字变换器转换为数字信号，嵌入式计算机和数字信号处理器（DSP）从数字信号中提取被测网络的幅度信息和相位信息，通过比值运算求出被测网络的S参数，最后把测试结果以图形或数据的形式显示在液晶屏幕上。
◆ 合成信号源：由3～6GHz YIG振荡器、3.8GHz介质振荡器、源模块组件、时钟参考和小数环组成。
矢量网络分析仪矢量网络分析仪是一种广泛应用于通信、无线电设备和电子电路实验的精密测试仪器。
它可以测量电路中各种参数，如反射系数、传输系数和阻抗等，并为分析电路的性能提供数学模型。
本文将对矢量网络分析仪的原理、结构和应用进行详尽介绍。
一、矢量网络分析仪的原理矢量网络分析仪的原理是基于麦克斯韦方程组和电磁场理论。
在基础电磁理论的基础上，矢量网络分析仪将电信号分为正弦波和相位两部分进行测量，通过计算这些部分的幅度和相位差异，可以确定电路中各种参数的值。
这里简单介绍一下矢量网络分析仪的基本工作原理。
1.1 反射系数的测量反射系数是指信号在电路中反射时与源信号之间的关系。
在矢量网络分析仪的测量中，反射系数的测量可以通过向电路输入一个特定频率的正弦信号，并在电路的接收端检测到其反射信号，然后测量两个信号之间的相位和振幅差异，来计算反射系数的值。
1.2 传输系数的测量传输系数是指信号从电路的输入端到输出端的传输效率。
在矢量网络分析仪的测量中，传输系数可以通过在电路的输入端和输出端分别加入正弦信号，并测量两个信号之间的相位和振幅差异，来计算传输系数的值。
1.3 阻抗的测量阻抗是指电路对电流和电势差的响应，其强度和方向受到电路的各种参数的影响。
在矢量网络分析仪的测量中，阻抗可以通过向电路输入一个特定频率的正弦信号，并通过测量电路中的电流和电势差，来计算阻抗的值。
二、矢量网络分析仪的结构矢量网络分析仪的结构主要分为三部分：源信号、接收器和计算机控制系统。
源信号负责向电路中输入正弦信号，接收器负责检测电路中的反射和传输信号，计算机控制系统则负责数据处理和分析。
下面将对这些部分的结构和功能进行详细介绍。
2.1 源信号源信号是矢量网络分析仪的核心部分之一。
它主要通过向电路中输入不同频率和振幅的信号来测量电路的性能。
源信号通常由射频信号发生器（RF signal generator）或特定的示波器（oscilloscope）提供，其输出功率和波形必须具有高度稳定性和可控制性。
矢量网络分析仪简单操作手册矢量网络分析仪是现代测试仪器的重要组成部分，它能够对电路、天线系统、微波元器件等进行频率域分析，并且能够有效地对电路进行仿真与优化。
但是对于初学者来说，操作起来可能会有些困难。
本文将为大家介绍矢量网络分析仪的简单操作手册，方便大家更好地掌握这一设备的使用方法。
一、矢量网络分析仪基本原理矢量网络分析仪（Vector Network Analyzer，VNA）是用于测量高频电磁信号传输、反射、损耗等特性的测试仪器。
矢量网络分析仪将测试信号分为两路，一路称为正向信号，一路称为反向信号，通过正反两路信号的相位差和幅度差，可以准确地测量出样品在频率范围内的反射系数、传输系数、阻抗等参数。
矢量网络分析仪的工作频率通常在几千兆赫至数十吉赫之间，是一种高频仪器。
二、矢量网络分析仪的基本操作方法矢量网络分析仪的基本操作方法分为以下几步：1、打开电源：启动仪器时，需要首先打开电源开关，待仪器自检过程完成后，可以进入相关测试操作。
2、连接测试样品：将测试样品接入机器测试接口，最好选用高质量的测试线缆，并确保线缆的末端没有过长，以保证测试的精度。
3、设置测试参数：在进行测试前，需要设定相应的测试参数，例如频率范围、增益、测量模式、环境温度等，以便仪器能够对测试样品进行正确的测试。
4、执行测试：按下测试按钮开始测试，矢量网络分析仪会通过正反两路信号的相位差和幅度差计算出测试样品的反射系数、传输系数、阻抗等参数。
5、记录测试结果：测试完成后，需要记录测试结果，并根据测试结果进行分析及优化。
三、矢量网络分析仪的应用场景矢量网络分析仪广泛应用于电磁场测量、微波元器件测试、天线系统测试、电子设备测试、通信系统测试等领域。
在电路设计和测试中，矢量网络分析仪可以帮助工程师精确地分析、优化和改进电路性能，提高电路设计的可靠性和稳定性；在通信领域，矢量网络分析仪可以用于测试天线系统的性能，优化信号传输效果，提高通信的可靠性和稳定性。
矢网分析仪原理目录1.一类独一无二的仪器2.网络分析仪的发展3.网络分析理论4.网络分析仪测量方法5.网络分析仪架构6.误差和不确定度7.校准8.工序要求9.一台仪器，多种应用10.其它资源:1. 一类独一无二的仪器网络分析仪是一类功能强大的仪器，正确使用时，可以达到极高的精度。
它的应用也十分广泛，在很多行业都不可或缺，尤其对测量射频(RF)元件和设备的线性特性方面非常有用。
现代网络分析仪还可用于更具体的应用，例如，信号完整性和材料测量。
随着NI PXIe - 5632的问世，用户可轻松地将网络分析仪应用于设计验证和生产线测试中，完全摆脱传统网络分析仪成本高、占地面积大的束缚。
2. 网络分析仪的发展矢量网络分析仪，比如图1所示的NI PXIe-5632可用于测量设备的幅度、相位和阻抗。
由于网络分析仪是一种封闭的激励-响应系统，因此可在测量RF特性时实现绝佳的精度。
而充分理解网络分析仪的基本原理对于最大限度地受益于网络分析仪至关重要。
图1.NI PXIe-5632矢量网络分析仪在过去的十年中，矢量网络分析仪由于其较低的成本和高效的制造技术受到越来越多业内人士的青睐，其风头已经盖过标量网络分析仪。
虽然网络分析理论已经存在了数十年，但是直到20世纪80年代初期第一台现代独立台式分析仪才诞生。
在此之前，网络分析仪身形庞大复杂，由众多仪器和外部器件组合而成，且功能有限。
NI PXIe-5632的推出标志着网络分析仪发展的又一个里程碑，它将矢量网络分析功能成功地添加到软件定义的灵活PXI模块化仪器平台。
通常我们需要大量的测量实践，才能精确地测量幅值和相位参数，避免重大错误。
在部分射频仪器中，由于测量的不确定性，小误差很可能会被忽略不计，而对于网络分析仪等精确的仪器，这些小误差却是不容忽视的。
3. 网络分析理论网络是一个高频率使用术语，具有很多种现代的定义。
就网络分析而言，网络指一组内部相互关联的电子元器件。
矢量信号分析仪原理
矢量信号分析仪是一种广泛应用于电信、无线通信、雷达等领域的测试仪器，用于对复杂信号进行分析和测量。
它可以同时测量信号的幅度和相位，并绘制在频率域上的频谱图。
矢量信号分析仪的原理是基于频谱分析和时域采样的原理。
当输入信号进入仪器时，它首先被分成一系列时域采样的数据点。
然后利用傅里叶变换将这些数据点转换为频域上的频谱图，显示出信号在不同频率上的能量分布。
在分析过程中，矢量信号分析仪通过对信号进行幅度和相位的解调，得到信号在不同频率上的相对强度和相位信息。
这些信息可以帮助工程师了解信号的特性和性能，并进行相应的优化和调整。
此外，矢量信号分析仪还可以通过多种数学运算和滤波器对信号进行进一步的处理和分析。
例如，可以对信号进行包络检测、频率偏移检测、调制深度检测等，以获取更全面的信号特性信息。
总的来说，矢量信号分析仪通过将信号转换为频域上的频谱图，并解调信号的幅度和相位信息，实现对复杂信号的分析和测量。
它在无线通信系统和其他领域中具有重要的应用价值，可以帮助工程师进行信号调优和系统优化。
矢量网络分析仪矢量网络分析仪是一种用于测量电路参数并分析信号传输性能的仪器。
它通常用于测试无线电频率器件、天线和电缆等。
工作原理矢量网络分析仪通过在设备端口发送测试信号并测量信号在设备输入端口处的幅度和相位响应来评估设备性能。
该仪器能够测量设备的反射损耗、传输损耗、驻波比等参数，从而帮助工程师优化电路设计。
矢量网络分析仪通过控制测试频率和功率等参数，可以测量各种射频和微波设备的性能。
应用领域矢量网络分析仪在通信、雷达、卫星通信等领域都得到广泛应用。
在通信系统中，矢量网络分析仪可用于评估天线性能、分析信号传输特性，从而提高系统性能和稳定性。
在雷达系统中，矢量网络分析仪可以用于测试反射损耗、驻波比等参数，帮助工程师调试和优化系统。
在卫星通信系统中，矢量网络分析仪可以用于测试信号传输质量，确保通信系统正常运行。
常见类型根据测试频率范围不同，矢量网络分析仪可以分为LF、HF、VHF、UHF、SHF、EHF等不同类型。
同时，根据测试端口数量，还可以分为单口和多口矢量网络分析仪。
一般来说，多口矢量网络分析仪可同时测量多个端口之间的相互作用，适用于复杂系统的测试和分析。
矢量网络分析仪的发展趋势随着通信技术的发展和射频微波领域的不断创新，矢量网络分析仪的性能要求也越来越高。
未来，矢量网络分析仪将更加智能化，具有更高的测量精度和频率覆盖范围，以满足日益复杂的电路设计和测试需求。
同时，随着5G技术的广泛应用，矢量网络分析仪在通信系统中的重要性将进一步提升。
总结矢量网络分析仪作为一种重要的电子测量仪器，在射频微波领域有着广泛的应用。
它可以帮助工程师评估设备性能，优化电路设计，提高系统性能和稳定性。
随着技术的不断进步，矢量网络分析仪将不断演化，更好地满足工程师对电路测试的需求。
矢量信号分析仪原理矢量信号分析仪是常用的进行雷达和无线通讯信号分析的仪器。
模拟扫描调谐式频谱分析仪使用超外差技术覆盖广泛的频率范围; 从音频、微波直到毫米波频率。
快速傅立叶变换(FFT) 分析仪使用数字信号处理(DSP) 提供高分辨率的频谱和网络分析。
如今宽带的矢量调制( 又称为复调制或数字调制) 的时变信号从FFT 分析和其他DSP 技术上受益匪浅。
VSA 提供快速高分辨率的频谱测量、解调以及高级时域分析功能，特别适用于表征复杂信号，如通信、视频、广播、雷达和软件无线电应用中的脉冲、瞬时或调制信号。
图1 显示了一个简化的VSA 方框图。
VSA 采用了与传统扫描分析截然不同的测量方法; 融入FFT 和数字信号处理算法的数字中频部分替代了模拟中频部分。
传统的扫描调谐式频谱分析是一个模拟系统; 而VSA 基本上是一个使用数字数据和数学算法来进行数据分析的数字系统。
VSA 软件可以接收并分析来自许多测量前端的数字化数据，使您的故障诊断可以贯穿整个系统框图。
图1. 矢量信号分析过程要求输入信号是一个被数字化的模拟信号，然后使用DSP 技术处理并提供数据输出; FFT 算法计算出频域结果，解调算法计算出调制和码域结果。
VSA 的一个重要特性是它能够测量和处理复数数据，即幅度和相位信息。
实际上，它之所以被称为“矢量信号分析”正是因为它采集复数输入数据，分析复数数据，并输出包含幅度和相位信息的复数数据结果。
矢量调制分析执行测量接收机的基本功能。
在下一篇“矢量调制分析基础”中，您将了解到矢量调制与检波的概念。
在使用适当前端的情况下，VSA 可以覆盖射频和微波频段，并能提供额外的调制域分析能力。
这些改进可以通过数字技术来实现，例如模拟- 数字转换，以及包含数字中频(IF) 技术和快速傅立叶变换(FFT) 分析的DSP。
因为要分析的信号变得越来越复杂，最新一代的信号分析仪已经过渡到数字架构，并且往往具有许多矢量信号分析和调制分析的能力。
有些分析仪在对信号进行放大，或进行一次或多次下变频之后，就在仪器的输入端数字化信号。
在大部分现代分析仪中，相位连同幅度信息都被保留以进行真正的矢量测量。
另一方面，其它的前端如示波器和逻辑分析仪等对整个信号进行数字化，同时也保留了相位和幅度信息。
VSA 无论作为合成的测量前端的一部分，还是单独在内部运行或在与前端相连的计算机上运行的软件，它的分析能力都依赖于前端的处理能力，无论前端是综合测量专用软件，还是矢量分析测量动态信号并产生复数数据结果。
VSA 相比模拟扫描调谐分析有着独特的优势。
一个主要的优势是它能够更好地测量动态信号。
动态信号通常分为两大类: 时变信号或复数调制信号。
时变信号是指在单次测量扫描过程中，被测特性发生变化的信号( 例如突发、门限、脉冲或瞬时信号)。
复数调制信号不能用简单的AM、FM 或PM 调制单独描述，包含了数字通信中大多数调制方案，例如正交幅度调制(QAM)。
图2. 扫描调谐分析显示了一个窄带IF 滤波器对输入信号的瞬时响应。
矢量分析使用FFT 将大量时域采样转换到频域频谱。
传统的扫描频谱分析实际上是让一个窄带滤波器扫过一系列频率，按顺序每次测量一个频率。
对于稳定或重复信号，这种扫描输入的方法是可行的，然而对扫描期间发生变化的信号，扫描结果就不能精确地代表信号了。
还有，这种技术只能提供标量( 仅有幅度) 信息，不过有些信号特征可以通过进一步分析频谱测量结果推导得出。
VSA 测量过程通过信号“快照”或时间记录，然后同时处理所有频率，以仿真一系列并联滤波器从而克服了扫描局限。
例如，如果输入的是瞬时信号，那么整个信号事件被捕获( 意味着该时刻信号的所有信息都被捕获和数字化); 然后经过FFT 运算，得出“瞬时”复数频谱对频率的关系。
这一过程是实时进行的，所以就不会丢失输入信号的任何部分。
基于这些，VSA 有时又称为“动态信号分析”或“实时信号分析”。
不过，VSA 跟踪快速变化的信号的能力并不是无限制的。
它取决于VSA 所具有的计算能力。
并行处理为高分辨率( 窄分辨率带宽) 测量带来另一个潜在的优势：那就是更短的测量时间。
如果你曾经使用过扫描调谐频谱分析仪，就会知道在较小小频率扫宽下的窄分辨率带宽(RBW) 测量可能非常耗时。
扫描调谐分析仪对逐点频率进行扫描的速度要足够慢以使模拟分辨率带宽滤波器有足够的建立时间。
与之相反，VSA 可以一次性测量整个频率扫宽。
不过，由于数字滤波器和DSP 的影响，VSA 也有类似的建立时间。
与模拟滤波器相比，VSA 的扫描速度主要受限于数据采集和数字处理的时间。
但是，VSA 的建立时间与模拟滤波器的建立时间相比通常是可以忽略不计的。
对于某些窄带测量，VSA 的测量速度可以比传统的扫描调谐分析快1000 倍。
在扫描调谐频谱分析中，扫描滤波器的物理带宽限制了频率分辨率。
VSA 没有这一限制。
VSA 能够分辨间隔小于100 μHz 的信号。
VSA 的分辨率通常受限于信号和测量前端的频率稳定度，以及在测量上希望花费的时间的限制。
分辨率越高，测量信号所需要的时间( 获得要求的时间记录长度) 就越长。
另一个极为有用的特性是时间捕获能力。
它使你可以完整无缺地记录下实际信号并在以后重放，以便进行各种数据分析。
捕获的信号可用于各种测量。
例如，捕捉一个数字通信的发射信号，然后既进行频谱分析也进行矢量调制分析，以测量信号质量或识别信号缺损。
使用数字信号处理(DSP) 还带来其它优势；它可以同时提供时域、频域、调制域和码域的测量分析。
集这些能力于一身的仪器更有价值，它可改善测量质量。
VSA 的FFT 分析使你可以轻松和准确地查看时域和频域数据。
DSP提供了矢量调制分析，其中包括模拟和数字调制分析。
模拟解调算法可提供与调制分析仪类似的AM、FM 和PM 解调结果，使您可以看到幅度、频率和相位随时间变化的曲线图。
数字解调算法可适用于许多数字通信标准( 例如GSM、cdma2000®、WiMAXTM、LTE 等) 的广泛的测量，并获得许多有用的测量显示和信号质量数据。
很明显VSA 提供了许多重要的优势，当配合使用合适的前端时，还可以提供更多、更大的优势。
例如，当VSA 与传统的模拟扫描调谐分析仪结合使用时，可提供更高的频率覆盖率和更大的动态范围测量能力; 与示波器结合使用时，可提供宽带分析; 与逻辑分析仪结合使用时，可探测无线系统中的FPGA 和其它数字基带模块。
如前所述，VSA 本质上是一个数字系统，它使用DSP 进行FFT 频谱分析，使用解调算法进行矢量调制分析。
FFT 是一种数学算法，它对时间采样数据提供时域－频域的转换。
模拟信号必须在时域中被数字化，再执行FFT 算法计算出频谱。
从概念上说，VSA 的实施是非常简单直接的: 捕获数字化的输入信号，再计算测量结果。
参见图3。
不过在实际中，必须考虑许多因素，才能获得有意义和精确的测量结果。
图3. 1 kHz FFT 分析举例: 先数字化时域信号，再使用FFT 将其转换到频域如果你熟悉FFT 分析，就知道FFT 算法针对所处理的信号有几点假设条件。
算法不校验对于所给输入这些假设是否成立，这就有可能产生无效的结果，除非用户或仪器可以验证这些假设。
图1 为一般的VSA 系统方框图。
在DSP 过程中，不同的环节可能使用不同的功能。
图4 显示了安捷伦一般使用的技术图。
VSA 测量过程包括这些基本阶段:测量前端1. 包括频率转换的信号调整。
基于所使用的前端硬件，可能需要和/ 或可以使用不同的信号调整步骤。
2. 模数转换器3. 正交检波VSA 软件4. 数字滤波和重采样5. 数据窗口6. FFT 分析( 对于矢量调制，由解调模块替代模块5 和6)测量过程的第一个阶段称为信号调整。
这个阶段包括几个重要的功能，对信号进行调整和优化，以便于模拟- 数字转换和FFT 分析。
第一个功能是AC 和DC 耦合。
如果您需要移除测量装置中无用的DC 偏置，就必须使用这一项。
接下来信号被放大或衰减，以达到混频器输入的最佳信号电平。
混频器阶段提供信号频率的转换或射频到中频的下变频，并将信号最后混频为中频。
这一操作与扫描调谐分析中的超外差功能相同，将FFT 分析能力扩展到微波频段。
实际上，要获得最后的中频频率，可能需要经过多个下变频阶段。
有些信号分析仪提供外部IF 输入能力; 你可以通过提供自己的IF，延展VSA 的频率上限范围，从而与自己提供的接收机相匹配。
图4. 简化的方框图显示了射频硬件前端和矢量信号分析软件。
信号调整过程的最后阶段是预防信号混叠，它对于采样系统和FFT 分析极为重要。
抗混叠滤波执行这一功能。
如果VSA 测量没有对混叠做出足够的预防，那么它可能会显示不属于原始信号的频率分量。
采样定律告诉我们，如果信号采样速率大于信号中最高频率分量的两倍，被采样的信号就可以被准确重建。
最低的可接受的采样率称为奈奎斯特(Nyquist) 采样率。
因此，ƒs > 2 (ƒmax)其中ƒs = 采样率ƒmax = 最高频率分量如果违反了采样定律，就会得到“混叠的”错误分量。
因此，为了预防所给最大频率出现混叠结果，在1/2 采样率以上不能有太大的信号能量。
图5 显示了一组采样点，适合两种不同的波形。
频率较高的波形违反了采样定律。
除非使用抗混叠滤波器，否则这两个频率在进行数字处理时将会混淆。
为了预防混叠，必须满足两个条件:1. 进入数字转换器/ 采样器的输入信号必须是带限的。
换句话说，必须存在一个最大频率(ƒmax)，没有任何频率分量高于这个频率。
2. 必须以符合采样定律的速率对输入信号进行采样。
解决混叠问题的方案看起来很简单。
首先选择前端硬件将要测量的最大频率(ƒmax)，然后确保采样频率(ƒs) 是该最大频率的两倍。
这个步骤满足了条件2，并确保SA 软件能够对感兴趣的频率进行精确分析。
接下来插入低通滤波器( 抗混叠滤波器)，以去除高于ƒmax 的所有频率，从而确保除了感兴趣的频率进行测量以为，其它频率都被排除。
这个步骤满足条件1，并确保对信号的带宽进行了限制。
图5. 混叠分量出现在信号进行欠采样时。
无用的频率出现在其它( 基带) 频率的混叠下。
有两个因素会导致简单的抗混叠方法复杂化。
第一个也是最容易解决的因素是，抗混叠滤波器的滚降(roll off) 速率是有限的。
如图6 所示，在实际滤波器的通带和截止带之间有一个过渡带。
这个过渡带中的频率可能产生混叠。
为了避免这些混叠分量，滤波器的截止频率必须低于理论频率上限ƒs/2 。
解决这个问题的简单办法是使用过采样( 以高于Nyquist 采样率的速率进行采样)。
使采样频率略高于ƒmax 的两倍，也就是截止带实际开始频率的两倍，而不是要测量的频率的两倍。
