RF工程師使用矢量網絡分析儀（VNA）來表征連接器，電纜，濾波器，放大器，PCB走線等組件。VNA也成為信號完整性工程師的重要工具。但是，這些工程師經常使用的高端工作臺VNA價格昂貴，運行數十萬美元。低成本的手持式和USB VNA使散射參數（S參數）測量可用于新的應用?，F在的應用包括材料表征，積雪深度和成分，土壤成分，醫學成像等。 VNA本質上是一種高頻源測量單元。它將一個物體或電路激發到一系列RF頻率，并測量離開被測電路或材料或反射回源的響應幅度和相位。大多數便攜式和USB VNA提供兩個端口，每個端口都可以發送和接收RF波。這導致四次測量，通常被描述為2x2矩陣。圖1顯示了矩陣和四個S參數以及它們與雙端口器件或被測材料的關系。高端工作臺VNA可能有兩個以上的端口。 圖1雙端口器件，系統或測試對象連接到雙端口VNA，當連接到雙端口VNA（VNA未顯示）時，產生2×2矩陣的S參數。 如果您熟悉S參數，則跳轉到第2頁以尋找不尋常的VNA應用程序。 S11和S21被稱為前向S參數，因為入射波在端口1處進入被測設備或材料。S11定義為在端口1反射的波與在端口1進入的入射波的比率（參考文獻1）。 S21定義為在端口2處出射的波與在端口1處進入的入射波的比率。 S22和S21是反向S參數。S22是端口2反射的波除以進入端口2的入射波的比率。 S12是波輸出端口1與進入端口2的入射波的比率。S參數值（幅度和相位）隨頻率而變化。 圖1中 的DUT 不必是電氣設備。實際上，它可以是任何事情。但是，您需要一種向VNA發送信號和從VNA接收信號的方法。電氣設備通常具有連接器以通過電纜將其連接到VNA端口，或者它們可以連接到PCB。其他物體或物質可能需要不同的接口，例如天線。 VNA探測到雪地Jakop Reistad使用VNA作為他的碩士學位論文的一部分，他在那里評估了一個用于通過挪威雪發送和接收信號的共振探頭（圖2）。 圖2此探頭插入雪中并連接到VNA，用于測量雪的深度和密度。資料來源：挪威北極大學Jakop Reistad。 Reistad使用了一個 miniVNATiny，迷你無線解決方案的低于600美元的USB VNA。它的頻率范圍是1 MHz至3 GHz（圖3）。 圖3 Mini Radio Solutions的miniVNATiny可讓您以低于600美元的價格對設備和物體進行表征。它的頻率范圍是1 MHz至3 GHz。 “介電常數是一個復雜的數量，”Reistad解釋說，“有一個實部和虛部。對于干雪，介電常數幾乎完全是真實的，真實部分幾乎與雪密度線性變化。隨著含水量的增加，因此，感興趣的兩個主要“物理”參數是密度和含水量。這些是雪崩預測和其他可能用途的最重要參數?！?為了計算介電常數并從中計算出雪密度，Reistad必須首先找到雪的共振頻率，這是他從S參數測量得到的?！肮舱耦l率與介電常數成反比，”他在給EDN的電子郵件中解釋道。“我們可以通過研究共振探頭的品質因數來發現濕度。增加水含量會降低品質因數并擴大頻率圖上的共振峰。探頭設計為在VNA的頻率范圍內產生共振。” 材料特性 Compass Technology開發定制夾具，客戶使用這些夾具在材料設計到產品之前獲得材料的固有特性?！安牧系膬仍谔匦悦枋隽怂谋憩F，”John Schultz說。該公司還使用自己的燈具提供射頻特性描述服務。圖4顯示了該公司在2018年國際微波研討會上展示的一個這樣的夾具。 圖4 Compass Technology的測試夾具使用定制天線，可以從VNA發送和接收信號到被測材料。攝影：Martin Rowe。 在圖4中，Copper Mountain Technologies的VNA提供了用于計算S參數（幅度和相位）的信號源和接收器。根據這些參數，專有軟件計算被測材料的固有特性。 感興趣的參數是材料介電常數和磁導率的實部和虛部。在Compass Technology測試的材料包括低損耗和高損耗材料。低損耗材料通常用于天線，而高損耗材料可能成為吸收器，例如那些連接RF測試室的吸收器。雖然該公司通常在將材料集成到設計之前對其進行測試，但它也測試了成品，如飛機頂篷。 其他用途USB VNA制造商Pico Technology的Mark Ashcroft已經看到該公司PicoVNA的不尋常用途。例如，VNA可用于測試通常為60 A至100 A電流的電氣螺栓的完整性。 在本申請中，S11是重要參數。如果焊縫隨時間破裂，S11將隨著更多能量反射回端口1而改變。由S11和S21測量產生的諧振頻率圖的快速傅里葉逆變換（iFFT）產生時域圖，其可以指示骨折的位置。 在另一場雪應用中，VNA用于測量極地區域的冰深通過將射頻信號注入冰中并測量返回的功率。連續測量的相位變化提供了計算冰厚變化所需的數據。絕對厚度可以通過在不同頻率下進行相位測量或通過采用頻域數據的iFFT來計算。這些測量讓科學家們看到氣候變化對極地冰的影響。所有這些方法都產生類似于雷達的結果，其中RF脈沖注入冰中。在這個應用程序中，賓夕法尼亞州立大學學生布萊恩亞歷山大Herrold甚至建立了自己的VNA和天線探測器。 有些應用程序測量雪，而其他應用程序進入土壤。2017年，來自波蘭三所大學的團隊使用Anritsu MS4640A系列VNA 測量土壤鹽分通過執行低頻（1 MHz至3 GHz）阻抗測量。在該應用中，將土壤樣品帶入實驗室進行測量。校準需要一組定制的標準，團隊使用多車道直通反射線（TRL）校準方法。 VNA在科學和工程測量中非常有用。他們只需要一個天線或其他探頭將信號注入被測材料并提取反射和發射功率

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