一、概述

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種常見的射頻測量儀器，主要用來測量高頻器件、電路及系統(tǒng)的性能參數(shù)，如線性參數(shù)、非線性參數(shù)、變頻參數(shù)等。

1.1 分類

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀一般以頻率來劃分，截止頻率越高，價格也越貴;

根據(jù)測試端口的數(shù)量可分為：雙端口、 3 端口、 4 端口、 6 端口;

常見的廠家有：美國的安捷倫( Agilent)、德國的羅德與施瓦茨( R&S) ， 國內(nèi)的有南京普納和中電 41 所。

1.2 常用功能

常用的測試器件有：功分器、合路器、濾波器、衰減器、天線、電纜、放大器、混頻器、雙工器、耦合器、隔離器、環(huán)行器、適配器、波導(dǎo)、差分器件等

常用的測試功能有：駐波比、回波損耗、插入損耗、平坦度、帶外抑制、衰減、增益、隔離度、特性阻抗、輸入輸出阻抗、相位、延時、 1dB 壓縮點(diǎn)、 噪聲系數(shù)、差分參數(shù)、共模參數(shù)、共模抑制比

CMRR 等。

二、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的組成及工作原理

上圖所示為典型的雙端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部組成框圖， 網(wǎng)絡(luò)分析儀包含以下四個部分：

1、 信號源： 提供被測器件激勵輸入信號;

2、信號分離裝置： 含功分器和定向耦合器件，分別完成對被測器件輸入和反射信號提取;

3、接收機(jī)： (R1、 R2、 A、 B)對被測器件的反射、傳輸和輸入信號進(jìn)行測試、比較和分析;

4、處理顯示單元： 完成對測試結(jié)果進(jìn)行處理和顯示。

2.1 信號源

信號源提供被測器件的激勵信號，由于網(wǎng)絡(luò)分析儀要測試被測器件傳輸、 反射特性與工作頻率和功率的關(guān)系。 所以，網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)信號源需具備頻率掃描和功率掃描功能。

被測器件通過傳輸和反射對激勵波作出響應(yīng)，被測器件的頻率響應(yīng)可以通過信號源掃頻來獲取，由于測試結(jié)構(gòu)需要考慮多種不同的信號源參數(shù)對系統(tǒng)造成的影響，故一般我們采用合成掃頻信號源。

當(dāng)掃描的頻率范圍設(shè)置為零( Span=0Hz) 時， 網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出信號為點(diǎn)頻 CW 信號。

網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出功率控制依靠 ALC( Automatic Level Control 自動電平控制) 和衰減器兩個部分完成， ALC 保證輸入信號功率的穩(wěn)定和功率掃描控制，由于 ALC 控制范圍有限，因此需要衰減器完成大范圍功率。

2.2 信號分離裝置

網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部功分器和定向耦合器分別完成對被測件輸入信號和反射信號的提取。這兩部分統(tǒng)稱為信號分離裝置， 這部分硬件也通常被測試為“ 測試座” ，在一些特殊測試場合(大功率測試等)可不使用網(wǎng)絡(luò)分析儀表一體化的內(nèi)置測試座，而使用外置測試座設(shè)備。

網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部功分器將信號源的輸出功率分配給兩個參考接收機(jī) R1、 R2 以及作為兩個端口的輸入信號。而定向耦合器直接連接到測試端口上，用于提取反射信號，進(jìn)行反射特性的測量。

定向耦合器的方向性( Directivity)，用來反映定向耦合器分離兩個相反傳輸方向信號的能力。

方向性的計(jì)算如下式所示。

方向性( dB) =隔離度( dB) - 耦合系數(shù)( dB) - 衰減( dB)

2.3 接收機(jī)

接收機(jī)完成對參考信號、 反射信號、 傳輸信號的幅度和相位參數(shù)的測試分析。

接收機(jī)性能影響了網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試精度、 動態(tài)范圍和測試速度。 為了具有良好的測試靈敏度和動態(tài)范圍，采用調(diào)諧接收機(jī)， 還能抑制諧波和寄生信號。

上圖為調(diào)諧接收機(jī)工作原理圖，調(diào)諧接收機(jī)使用一個本振信號( LO)去混頻射頻信號，得到一個較為低頻的中頻信號( IF) 。中頻信號被帶通濾波后，可以使接收機(jī)帶寬變窄且能顯著提高靈敏度及動態(tài)范圍。最后網(wǎng)分使用 ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換)和 DSP(數(shù)字信號處理)從中頻信號中提取幅度與相位信息。調(diào)諧接收機(jī)普遍用于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀以及頻譜分析儀。

動態(tài)范圍 = 最大接收功率 - 接收噪聲電平

如下圖所示，左右兩圖的最大接收功率一致，都在 0dB 附近。但左圖的接收噪聲電平小于-120dB，而右圖的噪聲電平為-90dB 左右，因此左圖的動態(tài)范圍大于 120dB，而右圖的動態(tài)范圍僅為90dB 左右。

圖2-1 網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機(jī)帶寬對測試動態(tài)范圍的影響

接收機(jī)掃頻測試過程通過鎖相環(huán)保證與激勵源的頻率同步掃描， 4 個通道接收機(jī)射頻處理和基帶處理的同步控制，保持相位相參關(guān)系。

2.4 處理顯示單元

網(wǎng)絡(luò)分析儀的顯示處理部分完成對測試結(jié)果的處理并按照需要的方式顯示測試結(jié)果。 顯示功能很強(qiáng)大并且靈活，如對測試結(jié)果進(jìn)行合格判斷、 極限判斷( limit line) 、 標(biāo)識測試結(jié)果( marker) 、 文件處理(歸一化、儲存讀取等) 、 內(nèi)置 VBA 編程等功能測試數(shù)據(jù)的處理(嵌入處理、 去嵌入處理、差分參數(shù)轉(zhuǎn)換、 阻抗轉(zhuǎn)換、 時域轉(zhuǎn)換等) 等。

三、測試原理分析

1、傳統(tǒng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 VNA 包含一個給被測器件(DUT)和多測量接收機(jī)提供激勵的射頻信號發(fā)生器，以測量信號在正向傳輸和反向傳輸時入射、反射和傳輸信號。信號源在固定功率電平進(jìn)行掃頻以測量 S 參數(shù)，而在固定頻率上對其功率掃描，可以測量放大器的增益壓縮和 AM-PM 轉(zhuǎn)換。這些測量能測定線性和簡單非線性器件的性能。

2、對于基本的 S 參數(shù)和壓縮測試，信號源和接收機(jī)調(diào)諧到相同的頻率。不過，通過使信號源和接收機(jī)頻率偏移，將接收機(jī)調(diào)諧至激勵頻率的整數(shù)倍，也能測出放大器的諧波性能。使信號源和接收機(jī)頻率偏移的能力同樣可以測量頻率轉(zhuǎn)換器件(如混頻器和變頻器)的幅度、相位和群延遲性能。

3、 VNA 只需一個射頻源就可以測量元件的 S 參數(shù)、壓縮和諧波，但增加第二內(nèi)部信號源則可以對更為復(fù)雜的非線性特性，如 IMD，進(jìn)行測量，特別是當(dāng)這兩個源與網(wǎng)絡(luò)儀內(nèi)部的信號合路器配合使用時尤其如此。對于 IMD 測量，使用信號合路器將兩個信號合并，然后送到被測放大器(AUT)的輸入端。 AUT 的非線性會引起與被放大的輸入信號一道出現(xiàn)的互調(diào)分量。在通信系統(tǒng)中，這些多余的分量將進(jìn)入工作頻帶且不能通過濾波去除。實(shí)踐中，只測三階分量，因?yàn)樗鼈兪窃斐上到y(tǒng)性能下降的最重要因素。

4、平衡電路測試原理：它能降低對電磁干擾的敏感度和又能降低電磁干擾的產(chǎn)生。平衡元件可以是有三個端口的平衡-單端器件或有四個端口的平衡-平衡器件。用四端口 VNA 很容易對這些元件進(jìn)行測試，可以測量差模響應(yīng)和共模響應(yīng)以及模式變換項(xiàng)。這些測試可以用單端激勵或真實(shí)模式激勵來完成。單端法是每次只測試一個 DUT 端口并對差模響應(yīng)和共模響應(yīng)以及交叉模式特性進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算。這是最快且精確的技術(shù)，條件是外加功率電平應(yīng)使 AUT 保持在線性或適度壓縮的工作區(qū)。