在微波和射频领域，工程师们需要精确测量各种器件和网络的性能参数，以确保系统的正常运行。矢量网络分析仪（Vector Network Analyzer，简称VNA）就是这样一种不可或缺的测试仪器，它能够全面、准确地表征微波网络的特性，是微波工程师的“瑞士军刀”。
矢量网络分析仪（VNA）技术介绍
VNA是一种测量微波网络散射参数（S参数）的仪器。S参数描述了微波网络对入射信号的反射和传输特性，是评估微波器件和系统性能的关键参数。
与标量网络分析仪只测量信号幅度不同，VNA同时测量信号的幅度和相位，因此被称为“矢量”网络分析仪。
VNA的基本工作原理是：
- 信号产生：VNA内部的信号源产生一个已知频率和功率的激励信号。
- 信号分离：激励信号通过定向耦合器或桥路，一部分作为参考信号，一部分输入到被测网络（Device Under Test, DUT）。
- 信号测量：VNA的接收机测量DUT的反射信号和传输信号的幅度和相位。
- 数据处理：根据测得的反射信号和传输信号，VNA计算出DUT的S参数。
对于一个双端口网络，常用的S参数包括：
- S11：输入反射系数，表示输入端口的反射信号与入射信号的比值，反映了输入端口的匹配情况。
- S21：正向传输系数，表示输出端口的传输信号与输入端口的入射信号的比值，反映了网络的增益或插入损耗。
- S12：反向传输系数，表示输入端口的传输信号与输出端口的入射信号的比值，反映了网络的反向隔离度。
- S22：输出反射系数，表示输出端口的反射信号与入射信号的比值，反映了输出端口的匹配情况。
在使用VNA之前，需要进行校准，以消除系统误差，确保测量结果的准确性。常用的校准方法包括SOLT（Short-Open-Load-Thru）、TRL（Thru-Reflect-Line）等。
矢量网络分析仪（VNA）的应用领域
- 微波器件测试：
- 滤波器：测量滤波器的插入损耗、回波损耗、带宽、带外抑制等参数。
- 放大器：测量放大器的增益、输入输出驻波比、1dB压缩点、三阶交调截点等参数。
- 混频器：测量混频器的变频损耗、隔离度、本振泄漏等参数。
- 天线：测量天线的方向图、增益、驻波比、极化等参数。
- 衰减器, 功分器, 耦合器等.
- 材料特性测量：
- 测量材料的介电常数、磁导率、损耗角正切等参数。
- 电缆和连接器测试：
- 测量电缆的插入损耗、回波损耗、阻抗等参数。
- 检测连接器的接触不良、开路、短路等故障。
- 雷达系统测试：
- 测量雷达系统的发射功率、接收灵敏度、频率响应等参数。
- 电路板测试:
- 测量高速电路板的信号完整性, 如阻抗, 串扰, 损耗等.
矢量网络分析仪（VNA）的样品/器件要求
- 连接器：被测器件（DUT）需要有合适的连接器或测试夹具，以便与VNA的测试端口连接。常用的连接器类型包括SMA、N型、3.5mm、2.4mm、2.92mm（K型）等。
- 阻抗匹配：被测器件的输入输出阻抗应与VNA的系统阻抗（通常为50欧姆）匹配，以减少反射，获得准确的测量结果。
- 功率承受能力：被测器件应能承受VNA的激励信号功率。
- 测试环境: 对于某些测量, 可能需要将被测器件放置在特定的测试环境中, 例如温箱, 屏蔽箱等.
矢量网络分析仪（VNA）测试的常见问题及解答
- Q：VNA测试前为什么要校准？ A：VNA的校准是为了消除系统误差，包括测试端口的连接器、电缆、适配器等引入的误差。校准后，测量的参考面会移到被测器件的端口，从而获得准确的S参数。
- Q：如何选择合适的校准方法？ A：校准方法的选择取决于测试频率范围、精度要求、可用的校准件等因素。SOLT校准是最常用的校准方法，适用于大多数情况。TRL校准适用于更高频率和更高精度的测量。
- Q：连接器接触不良会对测量结果有什么影响？ A：连接器接触不良会导致反射增大、损耗增加，影响S参数测量的准确性。在测试前，应仔细检查连接器，确保连接可靠。
- Q：测试环境不稳定会对测量结果有什么影响？ A：温度、湿度、振动等环境因素的变化可能会影响VNA的性能和测量结果的稳定性。在测试过程中，应尽量保持测试环境稳定。
- Q: 如何判断测量结果是否可靠? A: 可以重复测量几次, 观察结果是否一致. 也可以使用已知性能的器件进行验证.
- Q: VNA可以测哪些参数? A: 除了S参数外, VNA还可以测量群延迟, 相位, 史密斯圆图, 驻波比(VSWR), 阻抗等参数