微波网络分析仪VNA原理详解：电磁波测量基础

 

微波网络分析仪（Vector Network Analyzer，简称VNA）是一种用于测试和测量微波频段元件和网络特性的电子测试设备。

一、电磁波

电磁波是由电场和磁场相互垂直并相互依赖振荡传播的波动现象，在微波频段，电磁波的频率范围大约在1 GHz到300 GHz之间；微波元件和网络的特性测量，本质上是对电磁波的反射、传输、衰减和相位变化的量化分析。

二、工作原理

VNA的核心功能是测量微波元件的S参数（散射参数），这些参数全面描述了网络在微波频段的性能；S参数包括S11（反射系数）、S21（传输系数）等，它们分别表示输入和输出端口处的反射和传输特性。

1. 双端口网络测量：VNA通常采用双端口网络进行测量；测量时，一个端口作为激励源，另一个端口作为响应接收器。

2. 频率扫描：VNA通过内置的信号源发出连续变化的频率信号，这个信号通过待测网络（DUT），然后由接收器捕获反射和传输的信号。

3. 矢量分析：VNA不仅测量信号的幅度，还测量信号的相位，因此称为“矢量”网络分析仪；通过矢量分析，可以准确地计算出S参数。

三、测量过程

a. 激励源：VNA内置的信号源产生一个已知频率和幅度的信号，该信号通过一个定向耦合器部分地发送到待测件的一个端口。

b. 反射和传输测量：反射测量：信号源发出的部分信号被待测件的输入端口反射回来，通过定向耦合器被VNA的接收路径捕获，用于计算S11。

传输测量：信号通过待测件后，从另一个端口输出，这部分信号同样通过另一个定向耦合器被接收器捕获，用于计算S21。

c. 信号处理：接收到的信号经过放大、滤波和下变频处理，转换成基带信号，然后通过数字信号处理（DSP）技术进行进一步分析。

d. S参数计算：DSP单元根据接收到的信号的幅度和相位信息，计算出S参数；这些参数随后被显示在VNA的屏幕上，或者存储起来以供后续分析。

四、关键技术和性能指标

1. 精度和稳定性：VNA的精度和稳定性取决于其内部校准的准确性；通常，VNA会使用开路、短路和负载等校准标准件进行校准，以确保测量的准确性。

2. 动态范围：动态范围是指VNA能够同时测量非常小的反射系数（如-60 dB）和非常大的传输系数（如0 dB）的能力；一个高的动态范围意味着更好的测量分辨率。

3. 系统动态：系统动态是指VNA在整个频率范围内保持稳定测量性能的能力；这包括线性度、相位稳定性等。

五、应用

VNA广泛应用于微波电路、天线、滤波器、传输线等的设计和制造过程中；它们对于确保微波系统的性能至关重要。