矢量网络分析仪概述与测试原理分析

一、概述

矢量网络分析仪是一种常见的射频测量仪器，主要用来测量高频器件、电路及系统的性能参数，如线性参数、非线性参数、变频参数等。

1.1 分类

矢量网络分析仪一般以频率来划分，截止频率越高，价格也越贵;

根据测试端口的数量可分为：双端口、 3 端口、 4 端口、 6 端口;

常见的厂家有：美国的安捷伦( Agilent)、德国的罗德与施瓦茨( R&S) ， 国内的有南京普纳和中电 41 所。

1.2 常用功能

常用的测试器件有：功分器、合路器、滤波器、衰减器、天线、电缆、放大器、混频器、双工器、耦合器、隔离器、环行器、适配器、波导、差分器件等

常用的测试功能有：驻波比、回波损耗、插入损耗、平坦度、带外抑制、衰减、增益、隔离度、特性阻抗、输入输出阻抗、相位、延时、 1dB 压缩点、 噪声系数、差分参数、共模参数、共模抑制比

CMRR 等。

二、矢量网络分析仪的组成及工作原理

上图所示为典型的双端口矢量网络分析仪内部组成框图， 网络分析仪包含以下四个部分：

1、 信号源： 提供被测器件激励输入信号;

2、信号分离装置： 含功分器和定向耦合器件，分别完成对被测器件输入和反射信号提取;

3、接收机： (R1、 R2、 A、 B)对被测器件的反射、传输和输入信号进行测试、比较和分析;

4、处理显示单元： 完成对测试结果进行处理和显示。

2.1 信号源

信号源提供被测器件的激励信号，由于网络分析仪要测试被测器件传输、 反射特性与工作频率和功率的关系。 所以，网络分析仪内信号源需具备频率扫描和功率扫描功能。

被测器件通过传输和反射对激励波作出响应，被测器件的频率响应可以通过信号源扫频来获取，由于测试结构需要考虑多种不同的信号源参数对系统造成的影响，故一般我们采用合成扫频信号源。

当扫描的频率范围设置为零( Span=0Hz) 时， 网络分析仪输出信号为点频 CW 信号。

网络分析仪的输出功率控制依靠 ALC( Automatic Level Control 自动电平控制) 和衰减器两个部分完成， ALC 保证输入信号功率的稳定和功率扫描控制，由于 ALC 控制范围有限，因此需要衰减器完成大范围功率。

2.2 信号分离装置

网络分析仪内部功分器和定向耦合器分别完成对被测件输入信号和反射信号的提取。这两部分统称为信号分离装置， 这部分硬件也通常被测试为“ 测试座” ，在一些特殊测试场合(大功率测试等)可不使用网络分析仪表一体化的内置测试座，而使用外置测试座设备。

网络分析仪内部功分器将信号源的输出功率分配给两个参考接收机 R1、 R2 以及作为两个端口的输入信号。而定向耦合器直接连接到测试端口上，用于提取反射信号，进行反射特性的测量。

定向耦合器的方向性( Directivity)，用来反映定向耦合器分离两个相反传输方向信号的能力。

方向性的计算如下式所示。

方向性( dB) =隔离度( dB) - 耦合系数( dB) - 衰减( dB)

2.3 接收机

接收机完成对参考信号、 反射信号、 传输信号的幅度和相位参数的测试分析。

接收机性能影响了网络分析仪的测试精度、 动态范围和测试速度。 为了具有良好的测试灵敏度和动态范围，采用调谐接收机， 还能抑制谐波和寄生信号。

上图为调谐接收机工作原理图，调谐接收机使用一个本振信号( LO)去混频射频信号，得到一个较为低频的中频信号( IF) 。中频信号被带通滤波后，可以使接收机带宽变窄且能显著提高灵敏度及动态范围。最后网分使用 ADC(模数转换)和 DSP(数字信号处理)从中频信号中提取幅度与相位信息。调谐接收机普遍用于矢量网络分析仪以及频谱分析仪。

动态范围 = 最大接收功率 - 接收噪声电平

如下图所示，左右两图的最大接收功率一致，都在 0dB 附近。但左图的接收噪声电平小于-120dB，而右图的噪声电平为-90dB 左右，因此左图的动态范围大于 120dB，而右图的动态范围仅为90dB 左右。

图2-1 网络分析仪接收机带宽对测试动态范围的影响

接收机扫频测试过程通过锁相环保证与激励源的频率同步扫描， 4 个通道接收机射频处理和基带处理的同步控制，保持相位相参关系。

2.4 处理显示单元

网络分析仪的显示处理部分完成对测试结果的处理并按照需要的方式显示测试结果。 显示功能很强大并且灵活，如对测试结果进行合格判断、 极限判断( limit line) 、 标识测试结果( marker) 、 文件处理(归一化、储存读取等) 、 内置 VBA 编程等功能测试数据的处理(嵌入处理、 去嵌入处理、差分参数转换、 阻抗转换、 时域转换等) 等。

三、测试原理分析

1、传统矢量网络分析仪 VNA 包含一个给被测器件(DUT)和多测量接收机提供激励的射频信号发生器，以测量信号在正向传输和反向传输时入射、反射和传输信号。信号源在固定功率电平进行扫频以测量 S 参数，而在固定频率上对其功率扫描，可以测量放大器的增益压缩和 AM-PM 转换。这些测量能测定线性和简单非线性器件的性能。

2、对于基本的 S 参数和压缩测试，信号源和接收机调谐到相同的频率。不过，通过使信号源和接收机频率偏移，将接收机调谐至激励频率的整数倍，也能测出放大器的谐波性能。使信号源和接收机频率偏移的能力同样可以测量频率转换器件(如混频器和变频器)的幅度、相位和群延迟性能。

3、 VNA 只需一个射频源就可以测量元件的 S 参数、压缩和谐波，但增加第二内部信号源则可以对更为复杂的非线性特性，如 IMD，进行测量，特别是当这两个源与网络仪内部的信号合路器配合使用时尤其如此。对于 IMD 测量，使用信号合路器将两个信号合并，然后送到被测放大器(AUT)的输入端。 AUT 的非线性会引起与被放大的输入信号一道出现的互调分量。在通信系统中，这些多余的分量将进入工作频带且不能通过滤波去除。实践中，只测三阶分量，因为它们是造成系统性能下降的最重要因素。

4、平衡电路测试原理：它能降低对电磁干扰的敏感度和又能降低电磁干扰的产生。平衡元件可以是有三个端口的平衡-单端器件或有四个端口的平衡-平衡器件。用四端口 VNA 很容易对这些元件进行测试，可以测量差模响应和共模响应以及模式变换项。这些测试可以用单端激励或真实模式激励来完成。单端法是每次只测试一个 DUT 端口并对差模响应和共模响应以及交叉模式特性进行数学计算。这是最快且精确的技术，条件是外加功率电平应使 AUT 保持在线性或适度压缩的工作区。