今天，術語“網絡分析器”用于描述用于各種“網絡”的工具。例如，當今大多數人都擁有在 4G 或 5G“網絡”上運行的蜂窩電話或移動電話。此外，我們的大多數家庭、辦公室和商業場所都擁有 Wi-Fi 或無線局域網“網絡”。此外，許多計算機和服務器都設置在“網絡”中，這些網絡都鏈接到云中。對于這些“網絡”中的每一個，都有一個特定的網絡分析器工具，用于驗證性能、映射覆蓋區域和識別問題區域。

但是，本文中感興趣的網絡分析器用于不同類型的網絡，并且早在這些網絡存在之前就已定義。第一個 VNA 是在 1950 年左右發明的，被定義為一種測量電網網絡參數的儀器。事實上，可以說VNA多年來一直在使用，幫助使上述所有網絡成為可能。從移動電話網絡到 Wi-Fi 網絡，再到計算機網絡和云，當今所有最常見的技術網絡都是使用 60 多年前發明的 VNA 實現的。

誰需要 VNA

所有無線解決方案都有發射器和接收器，每個都包含許多射頻和微波組件。這不僅包括智能手機和 WiFi 網絡，還包括聯網汽車和 IoT（物聯網）設備。此外，當今的計算機網絡以如此高的頻率運行，以至于它們以射頻和微波頻率傳遞信號。

VNA 用于測試組件規格和驗證設計模擬，以確保系統及其組件正常工作。研發工程師和制造測試工程師通常在產品開發的各個階段使用 VNA。組件設計人員需要驗證其組件（例如放大器、濾波器、天線、電纜、混頻器等）的性能。系統設計人員需要驗證其組件規格，以確保他們所依賴的系統性能滿足其子系統和系統規格. 生產線使用 VNA 來確保所有產品在發貨供客戶使用之前都符合規格。在某些情況下，VNA 甚至用于現場操作以驗證和排除已部署的射頻和微波系統的故障。

例如，圖 4 顯示了 RF 系統前端以及如何使用 VNA 測試系統的不同組件和部件。對于天線，重要的是要了解天線在將信號傳入和傳出空氣方面的效率。正如我們稍后將解釋的，這是通過使用 VNA 測量天線的回波損耗或 VSWR 來確定的。

查看圖 4 的右側，上混頻器獲取 IF 信號并將其與振蕩器 (VCO) 混合以產生 RF 信號。信號轉換到新頻率的效果如何？是否產生了不需要的信號？什么功率水平最有效地驅動混頻器？VNA 用于回答這些問題。

從系統設計的角度來看，有多少信號通過射頻板并離開天線？在接收端，雙工器在提供發送和接收信號之間的隔離方面的效果如何？所有這些問題都可以使用 VNA 來回答。

基本 VNA 操作

VNA 的一個獨特功能是它包含一個用于生成已知激勵信號的源和一組接收器，用于確定由被測設備或 DUT 引起的激勵變化。圖 5 突出顯示了 VNA 的基本操作。為簡單起見，它顯示了來自端口 1 的信號源，但當今大多數 VNA 都是多路徑儀器，可以向任一端口提供激勵信號。

激勵信號被注入 DUT，VNA 測量從輸入側反射的信號，以及通過 DUT 輸出側的信號。VNA 接收器測量產生的信號并將它們與已知的激勵信號進行比較。測量結果然后由內部或外部 PC 處理并發送到顯示器。

市場上有多種不同的 VNA，每一種都有不同數量的端口和激勵信號流向的路徑。對于 1 端口 VNA，DUT 連接到圖 5 的輸入側，并且只能測量反射信號。對于 2 端口 1 路徑 VNA，可以測量反射和傳輸信號（S11 和 S21），但是，必須物理反轉 DUT 以測量反向參數（S22 和 S12）。對于 2 端口 2 路徑 VNA，DUT 可以在任一方向連接到任一端口，因為該儀器具有反轉信號流的能力，因此兩個端口（S11 和 S22）的反射以及可以測量正向和反向傳輸（S21 和 S12）。

主要規格

在確定您對 VNA 的需求時，需要考慮幾個關鍵規格。雖然有許多 VNA 規格，但有四個頂級規格可用于指導您的選擇過程——頻率范圍、動態范圍、跡線噪聲和測量速度。

頻率范圍是要考慮的第一個也是最關鍵的規格（圖 6a）。為此，不僅要考慮您當前的需求，還要考慮未來的潛在需求，這通常是有益的。此外，雖然所有 DUT 都有給定的工作頻率，但對于某些 DUT，您可能還需要考慮諧波頻率。有源元件，例如放大器、轉換器和混頻器，可能需要在其諧波頻率（工作頻率的 2 至 5 倍）下進行測試。濾波器和雙工器也可能需要在其通帶的諧波處進行測試。盡管可能需要更高的頻率范圍，但最大頻率范圍可能是 VNA 的主要成本驅動因素。

動態范圍是指定頻率范圍內從最大值到最小值的可測量衰減范圍（圖 6b）。根據 DUT 所需的性能，您需要確保最大 DUT 衰減規格的幅度至少比 VNA 動態范圍規格小 3 到 6 dB。今天的大多數 VNA 都提供非常好的動態范圍 (~ 120 dB)，這對于許多應用來說已經足夠了。一些非常高性能的組件可能需要更昂貴的 VNA 解決方案。

跡線噪聲測量 VNA 產生多少隨機噪聲并傳遞到測量中。它通常以毫分貝 (0.001 dB) 為單位進行測量。跡線噪聲可能是確定某些組件精度的關鍵因素（圖 6c）。一個例子可能是濾波器通帶中可接受的波紋水平。如果您需要一定的性能水平來確定通過濾波器的信號的準確性，則增加的 VNA 跡線噪聲貢獻可能是一個因素。

最后，要考慮的其他規格之一是測量速度（圖 6d）。測量速度是執行單次掃描或測量所需的時間。這可能是大批量制造應用的最關鍵要求。如果考慮用于智能手機的組件，每年可能生產數十億個組件。在非常大的容量下減少測試時間對于該組件的成功至關重要。然而，對于許多研發和小批量生產應用，VNA 測量速度不是問題。

網絡分析儀 VS頻譜分析儀

一些設計工程師可能有使用 VNA 或頻譜分析儀的經驗。其他人可能對 RF 測試不熟悉，也不熟悉。VNA 和頻譜分析儀是兩種最常用的射頻測試儀器。但是網絡分析儀和頻譜分析儀有什么區別呢？您什么時候需要一種或兩種儀器？表 1 提供了每種儀器的比較。

首先，重要的是要考慮您需要測量什么類型的信號。頻譜分析儀是測量數字調制信號的首選儀器。例如，如果目標是測量 Wi-Fi 和 LTE 信號的性能，則只有頻譜分析儀才能執行這些測量。

如前所述，VNA 包含源和接收器。這使其能夠使用已知激勵來激發 DUT，并使用多個接收器來測量其響應。VNA 可以有多個通道和端口，允許其接收器同時測量 DUT 的輸入和輸出。

頻譜分析儀通常用于測量未知信號，這些信號可能通過天線或組件的輸出在空中傳輸。它們也往往是單通道儀器，一次只能測量 DUT 的一個輸出。另一方面，VNA 不測量信號。它們測量無源或有源設備的固有射頻特性。

借助已知的激勵和多個接收器，VNA 可以準確測量 DUT 的幅度和相位特性。該矢量信息允許完整的器件表征。使用矢量誤差校正還可以實現更高的精度和動態范圍。這種獨特的用戶校準功能（稍后將討論）允許 VNA 排除電纜、適配器和固定裝置的影響。

一些頻譜分析儀提供內置跟蹤發生器 (SA w/TG)，因此它們具有與 VNA 大致相同的功能。從根本上說，VNA 的工作方式與帶 TG 的 SA 的工作方式大致相同。但是，這兩種儀器解決方案之間的主要區別在于 VNA 能夠使用多個接收器進行比例測量。帶有 TG 的 SA 可以很好地進行 1 端口反射測量，并且還可以執行糾錯。但是，對于使用 SA w/TG 進行的傳輸測量，可以進行測量，但不能使用 VNA 的精度。正如我們稍后將討論的，其中大部分是因為完整的 2 端口糾錯只能在 VNA 上進行。最重要的是，大多數帶有 TG 的 SA 不顯示相位數據，這在許多 RF 測試應用中至關重要。

了解 S 參數

由于通常很難測量高頻下的電流或電壓，因此可以測量散射參數或 S 參數。它們用于表征射頻組件或組件網絡的電氣特性或性能，并與增益、損耗和反射系數等熟悉的測量相關。要了解如何使用 VNA 來表征 DUT，了解 S 參數的基礎知識很重要。圖 7 展示了解釋 S 參數的簡單過程。

如果我們從外部視圖開始，VNA 通常有兩個或多個端口，可以直接連接到 DUT，也可以使用電纜和適配器。這些端口被標記，在本例中為端口 1 和端口 2。

接下來，讓我們考慮內部視圖。用于評估多端口網絡行為的常見做法是使用入射波作為每個端口的激勵，并測量從施加電源的端口反射或通過設備傳輸到其余端口的出射波。端口。一般來說，進入網絡或 DUT 的波稱為入射波，而離開網絡或 DUT 的波稱為反射波，盡管每個波都可能由來自其他端口的反射和傳輸組合而成。

入射波用 an 表示，反射波用 bn表示，其中 n 是端口號。a 波和 b 波都是相量，在網口的指定端具有幅值和相位。

兩個 VNA 端口連接器的后面各有一個定向耦合器（圖 7 中的綠色框）。這些定向耦合器將已知的激勵信號傳遞到 DUT 的任一側（a 1或 a2）。

首先，將一部分刺激信號作為參考信號。S 參數定義為來自不同端口的信號相對于該參考的比率。同時，一些刺激信號在進入 DUT 時被反射 (b 1)。反射的輸入信號部分使用連接到 VNA 內部端口 1 的接收器進行測量。進入 DUT 的輸入信號部分在通過時通常會發生幅度和相位變化。從端口 2 發出的部分由端口 2 (b 2)上的 VNA 接收器測量。

需要注意的是，由于 VNA 是雙向儀器，端口 2 也可能是發出已知激勵的地方（在這種情況下為2），并且測量過程在相反方向上是相同的。

現在我們對 VNA 的工作原理有了更多的了解，讓我們將內部視圖轉換為 S 參數理論視圖。通過使用 a（入射）和 b（反射）波，線性網絡或 DUT 可以通過一組方程來表征，這些方程根據所有端口的入射波來描述每個端口的反射波。在這些條件下表征網絡的常數稱為 S 參數。

在正向情況下，如圖 7 所示，端口 1 正在傳輸 a1信號并且匹配負載施加到端口 2，導致負載處的信號反射為零 (a2= 0)。S 11對應于端口1處的反射系數，或b1與a1 的比率。S 21是通過DUT的前向傳輸系數，是b2與a1的比值。

在反向情況下，端口 2 正在傳輸 a2信號，并且匹配負載施加到端口 1 (a1= 0)。S22 對應于端口 2 處的反射系數，或 b2 與 a 2 的比值。S 12是通過DUT的反向傳輸系數，是b1與a2的比值。

請注意，在 S 參數命名法 Syx 中，第二個數字 (x) 表示始發端口，而第一個數字是目標端口 (y)。從理論上講，S 參數理論可以應用于具有無限數量端口的網絡。例如，一個 4 端口 VNA 將有 16 個 S 參數：來自 S 11、S12、S13、S14、S21...。?44。這些 S 參數遵循相同的理論，是每個指定端口之間的比率測量值。

測量誤差的類型

在使用 VNA 進行任何測量之前，您必須對其進行校準以減少可能影響測量的錯誤。在繼續校準 VNA 之前了解測量誤差很有用，因為并非所有誤差都可以通過這種方式最小化。

測量誤差主要分為三種類型（圖 8）。測量誤差的類型包括系統誤差、隨機誤差和漂移誤差。系統誤差是測試設備或測試設置中的缺陷，通常是可以預測的。一些示例包括 VNA 接收器在其頻率范圍內的頻率響應中的輸出功率變化或紋波。同樣重要的是將 DUT 連接到 VNA 的 RF 電纜的功率損耗會隨著頻率的增加而增加。由于這些誤差是可預測的并且是設備中的缺陷，因此可以通過用戶校準輕松地將其排除。

測量誤差的第二個來源是由隨機誤差引起的。這是由隨時間變化的測試設備或測試設置發出的噪聲引起的錯誤。該誤差量很重要，因為即使在執行用戶校準后它仍會保留在測量結果中，并且它決定了測量中可以達到的準確度。前面討論過的跡線噪聲是隨機誤差的一個例子。

第三個誤差源是漂移誤差，它與隨時間的測量漂移有關。這些是在執行用戶校準后在測試設備和測試設置中出現的差異。例如溫度波動、濕度波動和裝置的機械運動。有時使用溫度和濕度控制的房間來減少隨時間推移的漂移誤差。測試設置隨時間漂移的量決定了測試設置需要重新校準的頻率。

校準技術

什么是用戶校準

在射頻和微波測試設備中，VNA 具有獨特的校準技術。雖然 VNA 與其他射頻和微波測試設備相似，因為它們在出廠時已校準并且通常需要每年檢查一次以確保它們仍然正常運行，但 VNA 的不同之處在于它們具有額外的“用戶校準”，可以由用戶在進行測量之前執行。圖 9 顯示了工廠和用戶校準的不同參考平面。

工廠校準涵蓋了 VNA 在測試端口連接器上的性能。儀器性能基于滿足一組定義參數（頻率、功率等）的輸入信號。就 VNA 而言，它不僅經過校準以從接收器的角度進行準確測量，還具有工廠校準，以確保來自 VNA 的已知激勵被指定并正常運行。

基本上，它確保輸出信號符合規格并且輸入信號將被準確表示。這種工廠校準類似于在帶有跟蹤發生器的頻譜分析儀上執行的工廠校準。

在同一臺儀器中內置已知的激勵和接收器，使 VNA 具有執行額外“用戶校準”的獨特能力。如前所述，VNA 測量幅度和相位，這意味著用戶校準執行矢量誤差校正。這就是使 VNA 成為最準確的射頻測試儀器之一的原因。用戶校準使 VNA 能夠排除電纜、適配器和 DUT 連接中使用的大多數東西的影響。通過消除附件的影響，用戶校準允許單獨精確測量 DUT 性能。這使設計人員能夠在將 DUT 放入子系統時更好地了解 DUT 的性能。

VNA 校準方法

既然我們了解了“用戶校準”在排除測量誤差方面的重要性，我們可以繼續討論可用的不同用戶校準方法。有許多不同的 VNA 校準方法，您需要的復雜程度取決于您所需的精度，甚至可能是您的預算（圖 10）。在本節中，我們將回顧一些更常見的方法。

最簡單的方法是響應校準。它既快速又簡單，但不如其他方法準確。例如，如果您只需要 S 11或反射測量，您可以使用開路或短路來測量測試設置響應。如果只需要 S 21或傳輸測量，則只能使用直通標準。響應校準很容易執行，根據您需要的準確度，可能就足夠了。

接下來，還有 2 端口單路徑方法，它更準確，但連接數比全 2 端口雙路徑校準要少。當您對一組有限的 S 參數（例如 S 11、S21、a2=0）感興趣時，此方法很有效。在這種情況下，VNA 將僅從端口 1 傳輸。好處是校準期間連接更少。

2 端口雙路徑校準方法與 2 端口單路徑校準基本相同，但增加了端口 2 側的開路短路負載測量。這種方法提供了準確、完整的 S 參數測量能力。缺點是它需要進行許多連接。額外的步驟可能會導致潛在的過程錯誤，因為您需要多次測量和更換標準。

最后，還有電子校準方法。只需連接電子校準標準件，VNA 即可為 S11、S 21、S12和 S22執行簡單、快速且非常準確的校準——所有這些都通過一組連接進行。這種單一連接很有價值，因為它減少了在校準過程中插入錯誤標準的可能性。通常，電子校準標準是可用的最昂貴的校準方法。然而，它們通過極大地簡化校準過程而增加了巨大的價值，同時提供了高度準確的結果。

校準標準

根據校準方法的類型，有多種類型的 VNA 校準標準用于用戶校準。最常見的校準標準集稱為短路、開路、負載和直通 (SOLT)。VNA 用戶校準是使用這些已知標準進行的，包括短路、開路、精密負載（通常為 50 歐姆）和直通連接。校準標準最好與 DUT 具有相同的連接器類型和性別。這允許 DUT 或校準標準成為校準和測量之間的唯一變化。

不幸的是，不可能制作出完美的校準標準。短路總會有一些電感；開路總會有一些邊緣電容。VNA 存儲有關特定校準套件的數據并自動糾正這些缺陷。特定校準套件的標準定義取決于 VNA 的頻率范圍。在某些校準套件中，公連接器上的數據與母連接器不同，因此用戶可能需要在校準之前在 VNA 的用戶界面中指定連接器的性別。

校準標準可以通過幾種不同的方式物理實現（圖 12）。首先引入了單獨的機械標準，每個標準都是單獨制造和表征的。個別標準提供出色的準確性，并為各種測試設置提供靈活性。

今天，可提供帶有開路短路負載的 4 合 1 機械校準套件，并通過集成到單個機械設備中。如前所述，還有由計算機和 USB 驅動的自動電子校準標準。這些通過將校準減少到一組連接來提供非常準確且不易出現人為錯誤的自動校準。

典型的 VNA 測量

VNA 執行兩種類型的測量 - 傳輸和反射（圖 13）。傳輸測量將 VNA 的激勵信號通過 DUT，然后由另一側的 VNA 接收器進行測量。最常見的傳輸 S 參數測量是 S 21和 S12(Sxy大于 2 個端口）。掃描功率測量是傳輸測量的一種形式。傳輸測量的一些其他示例包括增益、插入損耗/相位、電長度/延遲和群延遲。相比之下，反射測量測量的是 VNA 激勵信號中入射到 DUT 但不通過它的部分。相反，反射測量測量由于反射而返回到源的信號。最常見的反射 S 參數測量是 S 11和 S22（Sxx用于大于 2 端口）。

掃頻測量

掃頻測量特別有用，因為它們在用戶定義的一組頻率和步進點上掃描內部源。可以由此進行各種測量，包括 S 參數、單個入射和反射波（例如 a 1、b2)、幅度、相位等。圖 14 顯示了無源濾波器的掃頻傳輸測量示例。這種類型的濾波器測量顯示信號通過組件時會發生什么。S21 測量表明通帶帶寬性能由其 6 dB 響應定義。顯示阻帶性能與 60 dB 降低規格相比。然后可以將測量結果與濾波器設計目標或從系統設計者的角度來看濾波器制造商的規格進行比較。

掃頻測量還可以測量入射到 DUT 上的激勵信號的反射，但與通過 DUT 傳輸相反的是反射。這些 S 11（或 Sxx）測量允許用戶檢查和比較 DUT 的性能與其規格。示例 DUT 包括天線、濾波器和雙工器。圖 15 顯示了天線回波損耗測量的示例。請注意，在天線通帶中，大部分信號都在傳輸，因此反射測量結果中會出現可見的零點。

時域測量

一些 VNA 能夠使用逆傅立葉變換將掃頻測量值轉換為時域。通過這種方式，時域中顯示的數據允許使用 VNA 通過檢測信號通過 DUT 時阻抗不匹配或不連續的位置來發現電纜和連接中的問題。

對于時域測量，解析兩個信號的能力與測量的頻率跨度成反比。因此，頻率跨度越寬，VNA 區分緊密間隔的不連續性的能力就越大。最大頻率跨度由用戶設置，可由 VNA 的頻率范圍或 DUT 的可用帶寬定義。

頻域采集的數據不是連續的，而是有限個離散頻點。這會導致時域數據在頻率采樣間隔的倒數之后重復。這種現象稱為混疊。正確設置頻率采樣間隔以準確測量所需距離以在出現混疊之前評估 DUT 的性能非常重要。

圖 16 顯示了帶有多個適配器的電纜的 VNA 測量。這可以是從基站子系統到其天線的基站電纜。時域測量可定位到不同適配器的物理距離或電纜中潛在的不連續性，這有助于定位問題區域或故障。

掃描功率測量

VNA 還可以掃描激勵信號的輸出功率電平，而不是掃描頻率。對于這些測量，頻率保持恒定，而輸出功率在定義的功率范圍內逐步增加。這是放大器的常見測量方法，從低功率電平開始，并以分數 dB 步長增加功率。

在放大器的線性區域，隨著輸入功率的增加，輸出功率也成比例地增加。放大器輸出偏離線性期望值 1dB 的點稱為 1dB 壓縮點（圖 17）。當放大器達到其壓縮點時，它不再能夠像以前一樣增加其輸出功率。對于需要放大器線性性能的應用，此測量有助于定義該規格。

測試多端口組件

今天的許多組件都有兩個以上的端口（圖 18）。它們可能有一個輸入和多個輸出，反之亦然。更復雜的組件可以有多個輸入和多個輸出。如果端口之間的交互不是問題，那么這些組件中的一些仍然可以通過一系列 2 端口測量進行測試。

當需要測量多個端口之間的交互時，您可能需要多端口 VNA。真正的多端口測量將測量 N 2S 參數并需要具有 N 端口的 VNA，其中 N 等于 DUT 端口的數量。代替僅S 11、S21、S12和S22，S 參數還將包括例如S41或S43或S10 11。真正的多端口 VNA 可以為每個端口提供激勵信號。多端口糾錯消除了測量的系統誤差，但需要復雜的校準過程，其中校準標準必須連接到所有可能的端口組合。

現在，很容易理解為什么 VNA 有助于使許多現代技術成為可能。通過向被測設備或 DUT 提供已知激勵信號，以及多個接收器來測量響應，VNA 形成了一個閉環，使其能夠非常準確地測量組件的電氣幅度和相位響應。由于其獨特的用戶校準，VNA 是最準確的射頻測試儀器之一。它允許通過減少電纜、適配器和其他測試輔助工具的影響來仔細隔離 DUT 性能。

VNA 測試組件規格并驗證設計模擬。有了這種精確的表征水平，系統工程師就可以研究電路或系統級設計，并放心地知道——從設計階段到制造階段——它會按預期運行。