一文了解矢量网络分析仪

大家好,我是RF小木匠

今天我们一起来聊一下网分的事情。

网分,全称就是网络分析仪(Network Analyzer),根据其功能又分为矢量网络分析仪和标量网络分析仪,顾名思义,矢量网络分析仪就是能测器件的矢量性能,包括幅频特性和相位特性,标量网络分析仪就只能测试器件的幅频特性了。因为矢量网络分析仪的功能完全覆盖了标量网分,因此在现在的射频测试中,标量网络分析仪用的很少了,可能很多小伙伴见都没见过。

早期的Agilent8757D就是一款标量网络分析仪,功能少,价钱相对就便宜一些。现在在某些场合还是能用到的。

那么现在我们实验室常用的网络分析仪就是矢量网络分析仪了,简称矢网VNA。目前最主要的网分厂家就是美国的是德科技keysight和德国的罗德与施瓦茨Rohde & Schwarz了,还有日本的安立Anritsu,去年华为入股的中电科思仪Ceyear,不知道大家有没有用过。当然还有Tek,就不一一列举了。

对于我们射频工程师来说,我们最离不开的一个是仿真软件,一个是测试仪器。就仿佛我们自己的左膀右臂一样,离开这两样东西,还真不知道自己能干什么?我们每天都和它打交道,怎么能不了解它呢?今天我们一起来聊一下网分的基本原理。微波矢量网络分析仪,就是用来测量微波器件的网络参数,微波网络我们在之前的文章中曾多次讨论,网络作为微波的基础,我觉得学习再多次都不为过。我们在微波网络一文中介绍可知,常用的微波网络参数包括阻抗参数Z,导纳参数Y,转移参数A,散射参数S,和传输参数T,这些参数都可以用来描述微波网络的性质,只是从不同的方面去描述而已,没有本质上的不同,这些网络参数之间可以通过公式来互相转换。简单来说,当我们知道这个网络的阻抗参数之后,我们就可以推导出其他几个参数,反之也可以推导出阻抗参数。所以矢量网络分析仪的原理就比较简单了,我们只要测试出其某一个网络参数就可以了,其他的完全可以通过公式推导出来。类似下图所示,我们只要测试出入射波反射波和投射波就可以得到微波网络的参数特征了。

大家想起来这是那个参数了吗?就是下图定义的散射参数S。所以说,S参数太重要了,S11就是端口1的回波损耗RL/反射系数/VSWR,S21就是从端口1到端口2的传输系数/插入损耗．

得到S参数之后,其他参数也就呼之欲出了。不会转化,查《微波工程》那本书就可以了。

原理是不是很简单?那真要做出来就比较费劲了。下图给出了一个N端口的矢量网络分析仪的简单示意图。我们看到VNA的每一个端口都有一个收发信机,这个收发信机的发射机把入射波输出到待测微波器件,然后反射波进入到接收机。这样就可以得到每一个端口处的入射和反射特性。VNA通常通过一系列桥或耦合器来测量入射波和反射波。这些在VNA中称为信号分离设备。这些被称为定向设备。VNA测量中的缺陷在于耦合因子以及定向设备的方向性。

观察上图,我们可以看到,矢量网络分析仪主要有四个部分组成:信号源RF Generator,测试端Test Set,接收通道Receivers和计算机Computer。

1,在每一个测试端口把信号分解成入射波和反射波,入射信号进入到参考路径或者测试路径。并且在输出路径上有一个电子衰减器来调节输出信号的强弱,这个电子衰减器就决定了输出信号的功率范围,也就是我们通常设置的输出电平。

2,信号源产生的信号通过一个Switch切换到工作(激活)端口,我们通常能观察到激活端口的指示灯闪烁。

3,每个test set 接收到的信号传输给两个接收机通道,测量通道和参考通道。

4,接收到的参考信号和测试信号通过A/D变换为数字信号,经过DSP处理之后,可以得到初始的测试值,一般情况下,测量值是复数,包含幅度和相位信息。

5,最后经过计算机系统进行数据处理,得到我们想要的数据。计算机主要负责数据的处理,显示。当然远程控制等也是由计算机来完成的。所以,我们现在所用的VNA自身就带有一个Windows系统。

这样,我们所设计的射频器件的性能就测量出来了。

下图是一个测试图例

上文给出了矢网的测试原理,实际中每一个部件的设计都相当精密。

我们以测试一个单端口射频器件为例,看一下矢网到底是怎么工作的。

如果我们需要测试这个单端口射频器件的反射系数Γ,我们需要知道这个单端口器件的入射信号和反射信号。我们需要有一个定向器件来描述这个单端口入射波和反射波。这个定向器件是一个三端口网络,如下图所示,我们用不同颜色的箭头表示反射波和入射波信号。信号源发射信号a1传输到端口2,传输系数是S21,进入到端口2 的信号b2。那么这个单端口器件的反射系数Γ就是反射波bDUT和入射波aDUT的比值,其实也就是a2/b2． 反射信号a2以S32作为传输系数进入到端口3,被测量接收机接收到。在理想匹配无耗情况下,定向器件的S21和S32都等于1。这样在理想情况下,发射机输出信号a1是已知的,接收到的信号b3也是已知的(被测量出的),那么这个单端口器件的反射系数就是b3/a1, 就被测试出来了。

但是在实际设计中,不可能存在理想的匹配无耗,S31也很难做到完全隔离,这就用到了参考接收机来进行处理了。

当然,这也不能完全消除测试误差,所以每次使用前的校准,和矢网仪器的校准都是至关重要的。即使这样,在实际测试中还有一个不确定度存在。

今天就到这吧。

后面有时间,我们一起来学习一下,不确定度和校准相关的原理。

路很长,射频学堂陪你慢慢走。。。。。

【参考文献】

1,矢量网络分析仪教程| VNA教程

2,标量网络分析仪与矢量网络分析仪的基础知识

3． Fundamentals of Vector Network Analysis Primer