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![矢量网络分析仪的原理及测试方法[专业知识]](https://img.taocdn.com/s1/m/2442a05b763231126edb11da.png)
矢量网络分析仪工作原理矢网（高清版）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。
矢量网络分析仪学习矢量网络分析仪（Vector Network Analyzer，VNA）是一种用来测量网络参数的仪器，主要用于研究和设计微波和射频电路。
它能够精确测量反射系数、传输系数、相位和群延时等参数，为电路设计和信号分析提供重要的工具。
本文将对矢量网络分析仪的原理、应用和使用方法进行详细介绍。
一、矢量网络分析仪的原理矢量网络分析仪的信号源产生高度稳定的射频信号，并通过测试通道将信号发送给被测设备。
测试通道通常由方向耦合器和同轴、微带线等传输线组成，用于控制和分配信号。
接收器接收来自被测设备的反射和透射信号，并将其转换为电压或功率信号。
计算机对接收到的信号进行处理和分析，通过数学算法计算出被测试设备的网络参数。
二、矢量网络分析仪的应用1.网络分析：矢量网络分析仪可以测量和分析被测试设备的频率响应、增益和相位等参数，帮助工程师设计和优化电路。
2.频率响应测试：矢量网络分析仪可以测量被测设备在特定频率范围内的频率响应，帮助工程师分析和解决信号衰减、失真和干扰等问题。
3.滤波器设计：矢量网络分析仪可以通过测量和分析滤波器的传输系数和反射系数，帮助工程师设计和调整滤波器的性能。
4.天线测试：矢量网络分析仪可以测量天线的增益、驻波比和波束宽度等参数，帮助工程师优化天线设计和性能。
5.信号分析：矢量网络分析仪可以测量和分析信号的相位、群延时和频率特性，帮助工程师了解信号的传播和失真情况。
三、矢量网络分析仪的使用方法1.设备连接：将测试端口与被测试设备连接，并确保连接可靠和稳定。
2.仪器校准：在进行测量之前，需要对矢量网络分析仪进行校准。
常见的校准方法包括开路校准、短路校准和负载校准等。
校准操作将确定参考平面和参考电阻等参数，确保测量的准确性。
3.参数设置：根据具体需求，设置待测设备的频率范围、功率级别和测量模式等参数。
4.数据采集：通过控制软件或前面板操作，启动测量并收集数据。
矢量网络分析仪将发送射频信号，并接收被测设备的反射和透射信号。
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。
第五章矢量网络分析仪的原理5.1 引言微波矢量网络分析仪是对微波网络参数进行全面测量的一种装置。
其早期产品是阻抗图示仪，随着扫频信号源和取样混频器技术上的突破，微波网络分析仪得到了迅速发展。
但其出现初期一段相当长的时间内一直处于手动状态。
直到20世纪60年代，将计算机应用于测量技术，才出现了全自动的网络分析仪---自动网络分析仪。
自动矢量网络分析仪是一种多功能的测量装置，它既能测量反射参数和传输参数，也能自动转换为其他需要的参数；既能测量无源网络，也能测量有源网络；既能点频测量，也能扫频测量；既能手动也能自动；既能荧光屏显示也能保存数据或打印输出。
它是当前较为成熟而全面的一种微波网络参数测量仪器。
微波元器件性能的描述，一般采用散射参数，如双口网络有S11、S21、S12和S22四个参数，它们通常都是复量。
而网络分析仪正是直接测量这些参数的一种仪器，又能方便地转换为其它多种形式的特性参数。
因此网络分析仪大大扩展了微波测量的功能和提高了工作效率。
由于自动网络分析仪采用点频步进式“扫频”测量，因而能逐点修正误差，使扫频测量精确度达到甚至超过手动测量的水平。
因此，自动网络分析仪既能实现高速、宽频带测量，又能达到一般标准计量设备的精确度。
5.2 微波矢量网络分析仪组成与测量原理将微波标量网络分析仪的检波器和比值计改为幅相接收机便组成微波网络分析仪。
其测量原理如下。
5.2-1 幅相接收机框图幅相接收机的方案很多，有外差混频式，取样变频式，单边带式和调制副载波式等。
这里介绍取样变频式幅相接收机的基本原理。
幅相接收机的方框图示于图5.2-1。
由定向耦合器取样的入射波和反射波，分别送入幅相接收机的参考通道和测试通道。
经取样变频器向下变换到恒定不变的中频f IF(20.278MHz)，再经过第二混频器，变换到低频(278kHz)，得到待显示信号。
要求频率变换过程是线性的，即不能改变原来微波信号的相位信息和振幅信息。
矢量网络分析仪的原理介绍矢量网络分析仪（Vector Network Analyzer，简称VNA）是用于测量微波电路参数的一种测试仪器。
它可以同时测量幅度和相位，由此可以得到电路的S参数，进而确定电路的电学特性。
原理VNA的核心是一组相互独立的大功率信号源和敏感的接收器，它们分别通过大量的各向异性元件、耦合器以及各种整流器、差分与单端平衡器和放大器等等电路连接起来。
VNA中最基本的组件是频率控制单元，它使用一个可变频率信号源来生成一个宽频信号作为输入信号，并令它经过电路中的传输诸元、非线性元件、各种过渡网络等，从而获得电路的各种参数。
VNA的工作原理可以简单地分为以下几个步骤：1.VNA内置的信号源生成一个可变频率的信号，并将该信号通过耦合器输入待测电路中；2.信号在待测电路中进行传播，经过一些变化，并从待测电路中输出；3.输出信号再通过耦合器进入VNA中的接收器，接收器将输出的信号与输入的信号进行比较，以测量待测电路的各种参数；4.VNA将测量所得的各种参数进行处理，即可确定待测电路的S参数。
优点VNA具有以下几个优点：1.高精度和高灵敏度：VNA的测量精度通常可达到0.1 dB，接近于理论计算值，测试范围也非常宽；2.测量速度快：VNA的测量速度通常可以达到数毫秒，节省了大量的时间；3.大量的参数：VNA可以测量电路的各种参数，如S参数、Y参数、Z参数等等；4.多功能应用：VNA不仅可以测量微波电路，也可以用于其他领域如光学、无线通信等。
应用VNA的主要应用领域有以下几个：1.无线通信：VNA可以测量各种无线通信设备的电学特性，如天线、滤波器、变频器等等；2.微波电路设计和生产：VNA可以帮助设计人员快速准确地了解电路的性能，并帮助改进电路设计；3.光学：VNA可以用于测量光学器件的特性，并对光学器件进行性能评估；4.材料研究：VNA可以帮助研究人员了解各种特性材料的电学特性。
总结矢量网络分析仪是一种常用的微波测试仪器，它可以测量电路的各种参数，具有高精度和高灵敏度等优点，已经成为无线通信、微波电路设计和生产、光学、材料研究等领域必备的测试仪器。
矢网分析仪原理解析目录一、矢网分析仪概述 (2)1. 定义与功能介绍 (2)2. 常见应用场景 (4)3. 发展历程及现状 (5)二、矢网分析仪基本原理 (6)1. 信号传输与接收原理 (8)2. 信号分析与处理技术 (9)3. 矢量调制与解调原理 (10)三、矢网分析仪主要组成部分 (12)1. 信号输入与输出模块 (13)2. 信号处理与分析模块 (14)3. 控制与显示模块 (16)四、矢网分析仪工作流程解析 (17)1. 信号接收与处理流程 (18)2. 数据分析与处理流程 (19)3. 结果展示与输出流程 (20)五、矢网分析仪关键技术探讨 (21)1. 矢量校准技术 (22)2. 动态范围与灵敏度技术 (24)3. 实时分析处理技术 (25)六、矢网分析仪应用实例分析 (26)1. 通信系统测试应用实例 (27)2. 雷达系统测试应用实例 (28)3. 电子对抗应用实例 (30)七、矢网分析仪发展趋势与展望 (31)1. 技术发展趋势分析 (32)2. 市场发展与应用前景展望 (34)八、实验与操作指导 (35)1. 实验环境与设备介绍 (36)2. 实验操作流程介绍 (37)3. 实验数据处理与分析方法介绍 (38)九、常见问题与解决方案 (39)1. 常见故障类型及排查方法介绍 (39)2. 常见误差来源及校正方法介绍 (40)3. 用户操作注意事项及维护保养建议 (41)一、矢网分析仪概述矢网分析仪，又称为网络分析仪或微波网络分析仪，是一种用于测量和模拟复杂电磁波信号的强大工具。
它结合了频谱分析、网络分析和信号分析的功能，广泛应用于雷达、通信、电子对抗、航空航天等领域。
矢网分析仪的基本工作原理是通过发送和接收信号，测量信号的幅度、相位、频率等参数，以及信号在传输过程中的衰减、反射、传输损耗等特性。
通过对这些参数的分析，可以评估系统的性能，优化设计方案，提高系统的可靠性和稳定性。
第五章矢量网络分析仪的原理5.1 引言微波矢量网络分析仪是对微波网络参数进行全面测量的一种装置。
其早期产品是阻抗图示仪，随着扫频信号源和取样混频器技术上的突破，微波网络分析仪得到了迅速发展。
但其出现初期一段相当长的时间内一直处于手动状态。
直到20世纪60年代，将计算机应用于测量技术，才出现了全自动的网络分析仪---自动网络分析仪。
自动矢量网络分析仪是一种多功能的测量装置，它既能测量反射参数和传输参数，也能自动转换为其他需要的参数；既能测量无源网络，也能测量有源网络；既能点频测量，也能扫频测量；既能手动也能自动；既能荧光屏显示也能保存数据或打印输出。
它是当前较为成熟而全面的一种微波网络参数测量仪器。
微波元器件性能的描述，一般采用散射参数，如双口网络有S11、S21、S12和S22四个参数，它们通常都是复量。
而网络分析仪正是直接测量这些参数的一种仪器，又能方便地转换为其它多种形式的特性参数。
因此网络分析仪大大扩展了微波测量的功能和提高了工作效率。
由于自动网络分析仪采用点频步进式“扫频”测量，因而能逐点修正误差，使扫频测量精确度达到甚至超过手动测量的水平。
因此，自动网络分析仪既能实现高速、宽频带测量，又能达到一般标准计量设备的精确度。
5.2 微波矢量网络分析仪组成与测量原理将微波标量网络分析仪的检波器和比值计改为幅相接收机便组成微波网络分析仪。
其测量原理如下。
5.2-1 幅相接收机框图幅相接收机的方案很多，有外差混频式，取样变频式，单边带式和调制副载波式等。
这里介绍取样变频式幅相接收机的基本原理。
幅相接收机的方框图示于图5.2-1。
由定向耦合器取样的入射波和反射波，分别送入幅相接收机的参考通道和测试通道。
经取样变频器向下变换到恒定不变的中频f IF(20.278MHz)，再经过第二混频器，变换到低频(278kHz)，得到待显示信号。
要求频率变换过程是线性的，即不能改变原来微波信号的相位信息和振幅信息。
为了扩展频段，用窄脉冲发生器代替常规本振，用取样门代替常规混频器(取样变频器)。
窄脉冲发生器产生一系列宽度很窄的脉冲。
如果每个窄脉冲的宽度窄到与所用信号的周期可以比较，则取样门就等效为谐波混频器。
因此，一个单独系统就能工作在110MHz 到l2.4GHz 的信号带宽以上。
一般谐波混频器有较低的噪声系数和较大的动态范围。
扫频工作中，锁相环路使本振频率同步地调谐到参考通道的信号频率上。
当未被锁定时，它前后调谐可以跨越倍频程。
当nf 本振-f 参考=20.278MHz 时，锁相环停止搜索处锁定状态(约用20μs)，保持中频恒定不变。
锁相环维持锁定的扫描速率可高达220GHz/s(在8~12.4GHz 的范围，每秒可扫30次)。
由于频率的变换过程是线性的，所以两条通道的中频 (20.278MHz)保持着测试信号与参考信号之间的振幅和相位的相对关系。
自动增益控制(AGC)放大器使参考通道电平稳定，并能防止两条通道电平共模变化时，所引起测试通道的改变，而使测试通道电平归一到参考通道电平上。
变换到第二中频的待测信号经过相位检波和幅度检波，分别指示出测试通道与参考通道之间的相位差和振幅比值，并显示出相位-频率和幅度-频率特性。
5.2-2 反射参数测量原理一、校准与测量图5.2-2a 、b 示出双定向耦合器式和单定向耦合器式两种测量反射参数电路。
测量之前先要校准。
校准方法是在端口T1接短路板(πj L e Γ⋅=1)，记录扫频范围内每个频点幅相接收机的幅度和相位输出，以此作为幅度1=L Γ和相位πϕ=的基准。
直到扫完整个频段，校准结束。
测试时，换接待测负载，测出扫频范围内每个频点幅相接收机的幅度和相位输出，并图5.2-1 取样变频式幅相接收机方框图模值输出与校准阶段所得对应频率上的幅度和相位比较，即可得)(2211s s L 、Γ的测量结果。
二、反射参数的误差模型及其校正方法测量单口网络反射系数的误差源主要有三项：(1) 如果在端口T1接上全匹配负载(L Γ=0)，仍能测出反射。
其原因是：(a) 在接收机中参考通道的信号泄漏到测试通道中去；(b) 测试通道定向耦合器的有限方向性。
这两种误差称为串话误差(E DF )。
一般的泄漏项总在80dB 以上，而同轴定向耦合器的方向性一般不优于40dB ，所以测试通道定向耦合器对串话误差贡献最大，它的方向性越差，这个误差的数值越大。
(2) 如果定向耦合器耦合臂的振幅和相位的频率响应不跟踪或接收机的两个通道不跟踪，则频率改变时测量数据会出现明显的起伏。
由这个起伏引起的误差称为跟踪误差(E RF )。
(3) 等效源失配误差(E SF )。
它是由于测试装置的端口T 1不完全匹配(含信号源失配)而多次反射引起的误差。
综上得出:E DF ≈测试通道定向耦合器的有限方向性; E RF ≈定向耦合器、接收器的频率跟踪误差； E SF ≈等效源失配误差。
把这三项误差用信号流图的形式表示出来称为误差模型(图5.2-3)。
由信号流图解出反射系数的测量值为LSF L RF DF MΓE ΓE E a b Γ-+==100 (5.2-1) 上式说明，如果待测元件的反射系数L Γ很大，E DF 产生的影响小，E RP 和E SF 产生的影响大；反之，E SF 产生一定的百分比误差，而E DF 成为主要的。
在测量中，这些误差项可以通过多次校准的方法校正。
(a)双定向耦合器式 (b)单定向耦合器式图5.2-2 网络分析仪反射参数测量线路串话误差E DF 可以用一个匹配负载分离出来。
方法是：把匹配负载接在测试装置的输出口T 1，这时式(5.2-1)近似为ΓM ≈E DF ，故此时测出的反射系数就是E DF 。
关于E SF 和E RF 的求法，可采用在T 1面分别接以短路器和开路器的方法求出。
即短路时，测量值为SFRFDF M E E E Γ)1(1)1(2---+= (5.2-2)开路时，测量值为SFRFDF M E E E Γ)1(1)1(2+-++= (5.2-3)由式（5.2-2）和（5.2-3）解出E RF 和E SF 。
把求出的E DF ，E RF 和E SF 代入式（5.2-1），求出待测反射系数的校正值为RFDF M SF DFM L E E ΓE E ΓΓ+--=)( (5.2-4a)测量双口网络反射参数S 11（或S 22）的误差源，除上述三项之外，还有匹配负载的剩余反射一项，称为失配误差(E LF )。
其误差模型于图5.2-3b 。
由信号流图求出S 11（或S 22）的测量值S 11M 为LFSF LF SF RFLF LF RF DF M E E S S E S E S E E S S E S E S E S 122122111221221111)1)(1()1(---+-+= (5.2-4b)当1221S S 很小时，匹配负载失配误差是个小量，可以忽略，则式（5.2-4b ）简化为SFRF DFM E S E S E S 1111111-+≈ (5.2-4b) 如果1221S S 接近于1，E LF 的影响较大。
点频测量时，可接入调配器减小之。
若已知E LF ，则可按式（5.2-4b ）进行校正。
(a)测量的误差模型 (b)测量S 11(S 22)的误差模型图5.2-3 测量反射参数时的误差模型 (端口T 0是虚设的)LΓLM T 0a 0b 0入射信号S 11MLF125.2-3 传输参数测量原理一、校准与测量测量电路示于图5.2-4。
校准时，把测试通道接待测网络的两个端口对接。
记录扫频范围内每个频点幅相接收机的幅度和相位输出，以此作为幅度121=s 和相位o 210=ϕ的基准。
直到扫完整个频段，校准结束。
测量时，在测试通道中插入待测元件，记录扫频范围内每个频点幅相接收机的幅度和相位输出，并与校准阶段所得对应频率上的幅度和相位比较，即可得21s 的测量结果。
二、传输参数的误差模型测量传输参数的误差源有三项：(1) 隔离误差(串话误差)E XF ：如果在测试装置的端口T 1和T 2分别接入匹配负载，而在接收机上仍测出某一传输信号，称为该系统的隔离误差(串话误差)E XF 。
(2) 跟踪误差E TF ：如果输出振幅和两条通道的电长度随频率变化，而又不能跟踪，在传输测量中将出现明显波纹，称为跟踪误差E TF 。
(3) 失配误差E SF 、E LF ：分别是测量装置的端口T 1、T 2不匹配引起的测量误差。
传输参数误差模型的信流图示于5.2-5。
(a) 单定向耦合器式 (b) 功分器式图5.2-4 用网络分析仪测量传输参数S 21(或S 12)的连接线路图5.2-5 传输参数的误差模型 (端口T 0和T 3是虚设的)a 1T 1T 203求出传输参数的测量值为LFSF LF SF LF SF TFXF M E E S S E E S S E S E S E S E a b S 2211122121112103211+---+==(5.2-8) 隔离误差E XF 通常是很小的，一般小于-80dB ，约如系统噪声一样的低电平，所以只有在测量高衰减时才产生大的影响。
跟踪误差E TF 在传输测量中产生百分比误差。
关于失配误差E SF 、E LF ，如果待测器件的S 11和S 22都很小。
由E SF 、E LE 引入的误差也小。
反之，失配误差就大。
上述误差在点频测量时可以减小或校正，方法是：首先在端口T 1、T 2分别接匹配负载，使S 12=S 21=0代入式(5.2-8)，有S 21M =E XF ，测出隔离误差E XF (有时它和噪声混在一起难于分辨)。
然后校准跟踪误差E TF ，把T 1和T 2对接，S 12=S 21=1，由(5.2-8)得S 21M ≈E XF +E TF ，即可解出E TF 。
5.2-4 四个S 参数的测量装置及误差模型图5.2-12示出四个S 参数(S 11、S 21、S 12、和S 22)的测量装置，通过转换开关SW 1和SW 2来选择欲测之量。
图5.2-12所示测量装置是由三个定向耦合器、两个匹配负载和两个衰减器组成的。
中间的定向耦合器作为功分器之用。
在测量S 11时，双口网络的端口T 2经过开关SW 2接匹配负载。
微波信号经过左面定向耦合器送到待测网络，同时经过中间定向耦合器送到参考通道，待测网络的反射信号经由开关SW 2送入测试通道。
当测量S 12时，微波信号经过开关SW 1和右面的定向耦合器送到待测网络的端口T 2，通过待测网络的传输信号再经过SW 2图5.2-12 测量S 11、S 12、S 21、S 22的测量装置送到测试通道。
衰减器是用来减小系统失配误差的。
依同理可测量S 22和S 21。
测量四个S 参数的另一种装置示于图5.2-13。
