标签: 矢量网络分析仪

​ 天线是众多技术应用中的关键组件，包括电信和广播、导航和无线网络。天线的有效性取决于其发射和接收电磁波的能力，这些电磁波经过调整以匹配天线预期工作的射频波长。如果天线未调整或不匹配，则会导致传输和接收不良，从而缩小其范围并导致数据丢失和功耗增加。此外，阻抗不平衡会大大增加反射功率，在某些情况下可能会导致发射器损坏。因此，使用矢量网络分析仪 (VNA) 等精密工具表征天线的性能对于确保其满足预期应用所需的规格至关重要。本应用说明概述了基本天线特性分析过程，重点关注回波损耗、电压驻波比 (VSWR) 和阻抗等关键性能指标，每个指标在确定天线性能是“好”还是“坏”方面都起着关键作用。在下文中，我们将使用德思特Bird BNA100 VNA来说明每项测量。 测量校准说明 在进行天线特性分析之前，确保VNA经过正确校准至关重要。 准确校准是获得可靠测量的基础。校准应使用连接器和电缆进行，以反映测量装置相对于被测设备(DUT)的真实特性。在需要适配器将天线连接到VNA的情况下，应使用端口扩展来解释适配器引入的任何其他差异。这有助于保持适配接口上测量的准确性。 图1.AMTF模块试验台功率测量框图 有关VNA校准的重要性的详细讨论以及如何执行校准的全面步骤，请参阅题为“确保精度：矢量网络分析仪校准的重要性”的应用说明。 回波损耗 回波损耗测量天线与其所连接的传输线的匹配程度，并用VNA进行的S参数测量S11表示（图2）。它表示由于阻抗不匹配而返回到源的功率量。 图2：S11散射参数可用于帮助确定设备的回波损耗 高回波损耗值（通常大于10dB，15-20dB左右的值非常好）表示匹配更好，这意味着反射的功率更少，天线辐射的功率更多。 下图3显示了连接到VNA端口1的BirdANT-800中心馈电偶极天线。此天线适用于频率范围为824至894MHz的UHF应用，覆盖美国的一些陆地移动无线电(LMR)频段。在捕获回波损耗测量值之前，您需要执行测量校准，覆盖比已发布的天线规格指示的更广泛的频率范围，以了解目标工作频段之外的行为，可能是800到925MHz。如前所述，您需要确保启用端口扩展，以便将N型（m）转换为SMA（f）连接所需的适配器。在本例中，使用了Bird4240-500-10适配器。 图3：BirdBNA100搭载天线，中间有一个N(m)型至SMA(f)适配器 要查看回波损耗，应将活动轨迹的测量值设置为“S11”，并将格式设置为“对数幅度”(LogMagnitude)。然后，您需要启用总共三个标记：两个用于测量天线指示的操作范围的起点和终点处的回波损耗，一个用于监测两者之间的最大回波损耗点。图4显示标记测量值大于10dB，大多数频带超过15dB，这说明该天线具有良好的匹配性能和低信号反射。 图4：VNA将显示因反射而损失的功率量 驻波比（VSWR） VSWR是衡量天线传输供电效率的指标。它与传输线的功率传输效率有关，也受阻抗匹配的影响。VSWR值为1:1是理想的，表示没有反射且阻抗匹配完美。实际上，对于大多数应用来说，低于2:1的值通常是可以接受的。 回波损耗和VSWR都是了解天线或系统匹配特性的方法，只是呈现方式不同。回波损耗具有对数格式的优势，便于数学计算，而VSWR更适合表达线性。两者之间的转换可以通过以下公式实现： VNA让您无需根据回波损耗扫描频率点计算VSWR，为您提供了一种在显示屏上进行可视化的便捷方式。 通过将测量结果保留为S11，但将VNA轨迹格式设置更改为“SWR”，即可获得VSWR视图。您还可以选择修改现有轨迹或分配额外的轨迹视图，专门用于VSWR测量，如图5所示。 VSWR越接近1，天线在功率传输方面的性能就越好。在此示例中，您可以验证所有测量点是否都在可接受范围内。 图5：使用S11测量和SWR格式向通道添加的附加迹线。所有测量值均小于2:1，并且与最大回波损耗点相对应的标记3被证明具有最佳VSWR性能 史密斯圆图上的阻抗测量 Smith图是一种图形表示，用于绘制复阻抗和其他参数，提供一种直观的方法来分析天线在其带宽内的阻抗匹配。Smith图上的理想点是中心，代表50欧姆阻抗（许多系统都这样-参见图6）。此中心点表示完美匹配。此外，最右边的中心线点表示开路，而最左边的中心点表示短路。水平中心上方的点表示本质上是电感性的设备，而下方的点表示电容性的设备。 图6：理想的Smith图以及关于不同点和区域代表什么的总结说明 当天线仍连接到VNA时，您可以在Smith图上查看其复阻抗，就像您扩展VSWR视图一样，这次选择“R+jX”格式。理想情况下，感兴趣的频带图应围绕或向中心倾斜-如图7所示-表明阻抗在整个频率范围内适当变化，而不会偏离50欧姆标记太远。与最佳回波损耗和VSWR测量相对应的标记3点非常靠近中心，读数为49.622Ω。还请注意，在图像中最右侧列出的标记点的复测量值本质上都是电容性的，这与看到这些数据点低于水平中心线时的预期一致。 图7：天线装置的史密斯圆图显示，复杂的阻抗值相当于50欧姆，表明在选定的频率范围内匹配良好 结论 使用VNA对天线进行正确表征需要详细测量回波损耗、VSWR和阻抗。通过关注这三个方面，可以有效地将天线评定为“好”（性能和效率最佳）或“坏”（性能不佳和潜在的系统问题）。这种表征可确保天线应用的可靠性和效率，无论是在卫星通信等复杂系统中还是在简单的消费电子产品中。在这些测试中使用VNA可确保天线在其预期环境中有效运行，从而在部署前保证性能。 ​

上一篇文章介绍了使用VNA和其他RF设备相关应用的基础术语，概述组成VNA体系结构的硬件生态系统及对S参数的理解。本章将继续为您介绍微波射频简介、矢量网络分析仪原理及测量对象。 【上节回顾】https://mbb.eet-china.com/blog/3989649-462264.html 一、微波射频简介 射频微波技术覆盖了1 GHz到300 GHz的电磁波频段，这一技术因其高效的传播特性和宽频带宽度而在通信、雷达、遥感等领域扮演着核心角色。射频微波信号的直射性和穿透能力，使其在长距离无线通信中尤为有效，同时在遇到不同介质时产生的反射和折射现象，也为各种射频器件的设计带来了挑战。这些射频器件，如滤波器、放大器、天线等，是无线通信系统的关键组成部分，它们的性能直接影响到整个系统的运行效率和质量。 为了确保这些射频器件的性能达到设计标准，工程师们通常需要使用矢量网络分析仪进行精确测量。矢量网络分析仪能够提供关于器件的幅度、相位、阻抗等关键参数的详细信息，从而帮助工程师们优化设计，提升射频系统的整体性能。矢量网络分析仪成为了射频微波领域研究和开发中不可或缺的工具。 二、微波网络表述 在了解矢网原理之前，先介绍一些微波网络相关的知识。 微波网络系统是由很多微波器件组成的，在分析微波系统特性的时候，为了使分析简单化，根据微波系统的复杂程度，可将微波系统简化为： 单端口（负载等） 二端口（滤波器，衰减器等） 多端口（多端口天线，环形器等） 注：由于上期详细介绍了S11，S21，S12，S22参数，本期不再赘述 1、反射系数 (Return Loss)（如S11，S22） 反射是由终端不匹配造成的，反射系数是指微波网络匹配特性的一种衡量方式，如驻波比、回波损耗特性阻抗等形式，其量值可以由下式计算： 2、传输参数(Insertion Loss) 传输参数反映了微波网络的传输特性，如：衰减、插损、隔离度、增益等。 网络分析仪能精确测量入射能量、反射能量和传输能量。 三、矢量网络分析仪原理 上期有跟大家分享矢量网络分析仪都由哪些设备组成。这一期跟大家详细分享下他的测试原理。 二端口矢量网络分析仪（VNA）是射频微波领域的关键测试设备，其工作原理基于对微波网络S参数（散射参数）的精确测量。VNA通过复杂的内部电路和算法，能够对待测器件（DUT）的反射和传输特性进行深入分析。 1、反射系数 在反射测量过程中，VNA内部的一个信号源通过一个功分器被分为两路，一路直接作为参考信号，另一路则通过一个定向耦合器。定向耦合器的作用是分离出入射到DUT的信号和从DUT反射回来的信号。端口1发射的信号通过DUT并在其输入端口产生反射。反射回来的信号由端口1的接收机接收，同时，定向耦合器提取出参考信号R1。此时，VNA会比较端口1的接收机捕获的反射信号与耦合器提取的参考信号的幅度和相位差，从而计算出反射系数（S11参数），揭示了DUT输入端口的反射特性。类似地，端口2的反射系数（S22参数）也可以通过将信号从端口2输入并测量其反射来获得。 2、传输系数 传输测量则涉及端口1发射的信号通过DUT，并在端口2被接收。在这个过程中，端口2的接收机会捕获传输信号，而VNA会比较接收机B捕获的传输信号与耦合器提取的参考信号R2的幅度和相位差。通过分析这两个信号的幅度和相位差异，VNA计算出传输系数（S21参数），这代表了DUT的传输特性。 VNA采用频率扫描技术，通过改变信号源的频率，能够全面分析DUT在整个频带范围内的反射和传输特性。内部的电路和算法不仅负责精确控制信号源，还确保了通过定向耦合器分离的参考信号与反射/传输信号的分离和测量。这些信号经过数学处理后转化为S参数，并以图表或数字形式展示给用户，为射频微波系统的设计和优化提供了详尽的数据支持。 而对于四端口矢量网络分析仪，测试原理类似，但包括了更多的S参数测量。除了S11、S21、S12和S22，还会测量S13、S31、S23和S32等参数，这些参数分别代表了不同端口之间的传输和反射特性。四端口VNA可以同时或分别测量这些参数，适用于更复杂的网络分析，如多端口滤波器、多路复用器和其他多端口微波组件。这要求VNA具有更多的信号源、接收机和定向耦合器，以及更复杂的内部电路和算法来处理多个端口之间的相互作用。 四、矢量网络分析仪的测量对象 矢网（矢量网络分析仪）的测试对象确实非常多样，涵盖了从简单的无源组件到复杂的微波系统。 1、单端口测试对象 匹配终端：用于确保系统中的反射最小化，通常用于校准矢网和测试其他设备的反射数。 负载：用于模拟终端负载，测试其反射和吸收特性。 标准传输线：用于校准矢网，确定精确的传输特性。 2、双端口测试对象 天线：测试其驻波比、回波损耗、增益和方向性等参数。 滤波器：评估其带内插损、带外抑制、通带平坦度和群延迟等特性。 衰减器：测量其在不同频率下的衰减程度和一致性。 隔离器：检查其正向传输和反向隔离的性能。 放大器：分析其增益、输入输出反射系数、线性度和稳定性等。 电缆：评估其传输损耗、相位稳定性以及随时间或温度变化的特性。 其他PCB组件：如开关、移相器、调制器等，测试其电气性能和可靠性。 3、多端口测试对象 多工器：用于同时传输多个信号，测试其端口间的隔离度和通道间的干扰。 多端口天线：评估多个端口之间的相关性、隔离度和匹配性能。 定向耦合器：测量其耦合度、方向性、隔离度和插入损耗。 功分器：检查其功率分配的均匀性和隔离度。 环形器：测试其单向传输特性和隔离度。 平衡器件：如平衡-不平衡转换器（BALUN），评估其平衡性能和转换效率。 4、复杂的系统和模块 通信系统：测试整个系统的链路性能，包括发射机和接收机的匹配网络。 雷达系统：评估雷达组件如合成器、混频器和接收机的性能。 卫星通信设备：测试上/下变频器、高功率放大器和低噪声放大器等。 五、德思特BirdRF矢量网络分析仪 德思特BNA系列矢量网络分析仪通过提供先进的射频测试功能，极大地帮助了工程师的工作。 其宽频率范围、高动态范围、低迹线噪声和快速测量速度为研发等任务提供了准确的结果；VNA的有效方向性和紧凑的尺寸使其便于现场测量；开放式界面允许工程师为特定项目定制仪器，从而促进创新；支持VISA协议可确保轻松集成到现有系统中，从而节省工作流程时间。 德思特BirdRF TS-BNA100系列(6.5GHz/8.5GHz)双端口 德思特BirdRF TS-BNA1000系列20GHz双端口 德思特BirdRF TS-BNA1000系列(6.5GHz/8.5GHz)2/4端口 ​

矢量网络分析仪（VNA）是一种极其精密的仪器，能够对电气网络的阻抗进行表征，测量结果可提供幅度和相位细节，从而深入了解其行为。被测设备（DUT）通常用于射频（RF）应用，涉及了解单个元件、电缆、天线、滤波器、放大器等的响应。 在所有情况下，VNA的工作都是将其源信号与反射和传输信号的测量结果进行比较，从而得出阻抗和信号强度。信号进行比较，得出阻抗和散射参数（S参数）数据，从而让用户了解设备的功率处理能力。 在所有情况下，VNA的工作是将其源信号与反射和传输信号的测量结果进行比较，得出阻抗和散射参数（S参数）数据，以告知用户设备的功率处理能力。 本应用笔记将提供一些必要主题的粗略见解，帮助您开始理解矢量网络分析仪。 ● 介绍在使用VNA和其他RF设备相关应用的基础术语 ● 概述组成VNA体系结构的硬件生态系统。 ● 对S参数的理解。 一、 VNA测量概述和常见术语 VNA的工作原理通常与光线通过透镜时的反应相似。入射光（如图1所示）是光源或参照物。虽然我们可能希望整个光源都能通过透镜，但我们知道，透镜的一些属性可能会导致入射光强度的增大或减小，还有一些缺陷可能会使信号失真或偏斜。我们将通过透镜后的信号称为传输信号。 图 1：光穿过透镜时响应的一般概念 此外，我们可以理解，当⼊射光到达透镜时，不可避免地会有⼀部分光⽆法通过，⽽是沿原点⽅向反射回来。这被称为反射信号。 RF系统的目标是实现最大功率传输。为了量化这⼀点，需要测量入射信号、反射信号和传输信号。此外，⼀旦知道了这些值，就可以量化设备或系统的不同比率测量，图2给出了示例，后⾯的⽂本中提供了每个测量的定义。 图 2：使用来自入射、反射和传输信号的测量信息对被测设备进行的 VNA测量 回波损耗【return loss】 :也称为反射损耗；由于阻抗不匹配而从被测器件反射的功率的量度。回波损耗以分贝（dB）表示，表示在每个反射界面上损失了多少dB。通常，在单个频率下测量回波损耗，以确定被测器件是否可能被高功率信号损坏。 反射系数（Г）【Reflection Coefficients】 ：描述的是传输介质中阻抗不连续处反射的电磁波量描述射频信号的多少功率从被测设备反射。反射系数可以用电压或电流来表示，并告诉你入射（正向）和反射（反向）能量之间的比率。 阻抗【Impedance】 ：电路或元件对交流电的有效电阻，由欧姆电阻和电抗的综合作用产生 驻波比【Standing Wave Ratio (SWR) 】 ：总电压的最⼤幅度与该电压的最小幅度之比。也称为电压驻波比或者VSWR。VSWR=(1+Г)/(1-Г) 插入损耗【Insertion Loss】 ：当滤波器或放⼤器等设备插⼊传输线或电路时，功率或信号强度损失的度量 增益【Gain】 ：当滤波器或放⼤器等设备插⼊传输线或电路时，功率或信号强度增加的度量 传输系数【Transmission Coefficients】 ：传输粒子电流和入射粒子电流的比值，取决于输入能量。 相位【Phase】 ：波形周期内某⼀时间点的波的位置，介于0到360度之间 电长度【Electrical Length】 ：⼀个⽆量纲参数，等于电缆或电线等电导体的物理⻓度除以通过导体的特定频率交流电的波长 电延迟【Electrical Delay】 ：电信号通过DUT所需的时间 群延迟【Group Delay】 ：相位响应，因此⽆失真系统具有恒定的正群延时 二、 VNA构建模块和架构 在整体了解矢量网络分析仪架构之前，重要的是了解基本组成部分和各自发挥的作用。 1.信号源 因为我们想要观察我们的设备如何响应已知的刺激，所以网络分析仪依靠信号源（图3）使用受控功率级在感兴趣的范围内执行重复频率扫描。在对放大器进行增益压缩点测试时，还可以将源配置为使用已知频率或一组频率进行功率扫描。 图 3：射频信号源符号 2.开关 一些多端口网络分析仪拓扑可能使用单个源来驱动所有端口。在这种情况下，开关有助于简化设计并限制成本。图4提供了您可能在任何类型的电路中遇到的不同开关的示例。 图 4：不同的开关外形尺寸 - A) 单刀单掷 (SPST)，B) 单刀双掷 (SPDT)，C) 双刀单掷 (DPST)，和 D) 双刀双掷 (DPDT) 3.耦合器 通过信号分离硬件进行测量，有助于最大限度地减少在入射、反射或传输信号的直接路径上放置传感器的侵入性。这可以通过使用定向耦合器或定向桥来实现，后者不是本文的重点。从图5A中，我们可以看到入射信号如何进入定向耦合器的端口1，然后从端口2退出。 端口3产生的结果信号通常比入射信号低10到20 dB左右，并被VNA用来进行测量。在许多情况下，定向耦合器端口3上的输出会受到某些电阻或衰减的缓冲。 图 5：A) 定向耦合器符号，耦合信号相对于输入信号为 -20 dB。B) 定向耦合器符号，每个电阻符号增加衰减。 在这些情况下，设备的符号将被修改为如图5B所示。 由于即使是单端口网络分析仪也需要能够测量反射信号中的入射光，因此在网络分析仪拓扑中通常会发现多个耦合设备。虽然耦合设备是采样信号的最佳选择，但它们会带来一定程度的插入损耗，并对系统的整体方向性产生影响。任何开关或混频器也存在类似的情况。不过，其中大部分最终可以通过工厂和测量校准来补偿。 如上一段所述，网络分析仪的部分电路专门用于混频器和可调本地振荡器 (LO)（见图 6），这有助于将较高的频率解析为较低的中频 (IF)，然后通过下变频器确定信号通带。有些图表可能会选择不显示通带，而暗示该功能由模数转换 (ADC) 和数字信号处理 (DSP) 阶段来实现。 图 6：A) 混频器、B) 本地 (IF) 振荡器和 C) 通带或低通滤波器的符号 图7显示了组装的所有组件，代表典型的2端口矢量网络分析仪结构。ADC和DSP块处理下变频和滤波等任务，然后将结果传递以供分析。结果和计算（来自标准S参数或数据比较）可以通过集成显示器进行评估，也可以使用可用的输入/输出 (IO) 或通信协议进行访问，常用的选择是USB和LAN。 图 7：2 端口网络分析仪架构的示例 虽然该图捕捉了标量或矢量网络分析仪的基本工作原理，但了解两者之间的区别很重要。标量网络分析仪的功能是仅提供幅度信息，而忽略有关相位的任何信息。在简单的增益/损耗、回波损耗和VSWR测量是主要关注点的情况下，这可能是一个不错的选择，例如在制造业。 然而，矢量网络分析仪是研发环境中的最佳选择，因为相位信息不仅对一些更具信息量的测量（即阻抗或群延迟）至关重要，而且还用于通过校准过程应用的系统校正。 网络分析仪的发展已经从具有嵌入式操作系统和集成显示器的独立单元转变为利用个人计算机的功能和灵活性的更分散的解决方案。 现代VNA，特别是具有模块化USB或PXI外形尺寸的VNA，旨在与PC无缝集成，成为计算机本身的扩展。这种安排有助于用户从实验室的设计阶段过渡到创建可在生产中部署的自动化设置。此外，由于断电后不会保留任何残留数据，这些VNA可确保敏感的设置和测量信息保留在用户的PC上。这意味着可以轻松共享VNA硬件，并且每个用户都可以保留其独特的配置，而不必担心丢失或覆盖。 三、S参数 简而言之，VNA硬件的作用是通过测量入射、反射和传输信号的幅度和相位来捕获散射参数或S参数数据，然后通过图2中引用的测量结果告知操作员设备性能。为了全面了解所有S参数测量，重要的是要理解，虽然我们在图2中看到入射光沿一个方向通过，但入射光也可能来自透镜的另一侧，并从另一个角度提供信息。图8显示了可以从2端口测试配置中获得的全套S参数。 图 8：通过源信号和测量信号定义 S 参数的概念 S11和S22都与反射有关。 S11告诉您发送到设备的信号中有多少被反射回来，这一点至关重要，因为太多的反射意味着设备没有正确吸收信号，从而影响性能。S22的作用相同，但它查看从设备发出的信号。无论哪种情况，都是参考特征阻抗Z0，输入和输出应在某些频率下与该阻抗匹配，以实现最大功率传输条件。测量S11和S22就像检查房子的前门和后门，以确保它们在恶劣天气条件下密封良好。 S21和S12处理传输。 有多少信号从一个端口通过设备传输到另一个端口。S21测量从输入到输出的信号，让您了解信号传输的效率。另一方面，S12测量以相反方向通过设备的信号，即从输出返回到输入。虽然S21通常是焦点，因为它告诉我们信号的增益或损失，但S12也同样重要，特别是当隔离信号是关键关注点时。 四、TS-Sanko矢量网络分析仪 TS-BNA系列矢量网络分析仪通过提供先进的射频测试功能，极大地帮助了工程师的工作 。其宽频率范围、高动态范围、低迹线噪声和快速测量速度为研发等任务提供了准确的结果。VNA的有效方向性和紧凑的尺寸使其便于现场测量。开放式界面允许工程师为特定项目定制仪器，从而促进创新。支持VISA协议可确保轻松集成到现有系统中，从而节省工作流程时间。 TS-BNA 100系列(6.5GHz/8.5GHz) 双端口 TS-BNA 1000系列 20GHz 双端口 TS-BNA 1000系列(6.5GHz/8.5GHz) 2/4端口 五、总结 总之，VNA不仅仅是测试设备，它们更是RF领域质量和性能的守门人。 它们的重要性贯穿产品生命周期的每个阶段，从构思和设计到制造和现场部署。了解如何利用VNA的功能可以解锁工程领域的新可能性，从而带来创新，继续突破电子和通信技术的可能性界限。 S参数是VNA用来衡量设备性能的关键指标。S11和S22是反射参数，分别告诉我们从输入和输出反射回的信号量——这对于了解设备吸收和传输功率的能力至关重要。另一方面，S21和S12是传输参数，揭示了信号从一个端口到另一个端口通过设备传输的效率。S21通常通过指示信号增益或损耗占据中心位置，而S12则提供对信号隔离的洞察，这在复杂的RF系统中尤为重要。 这些测量是通过网络分析仪的内部硬件实现的，其中包括用于频率扫描的信号源、用于信号分离的定向耦合器和用于频率分辨率的混频器。校准在抵消这些内部组件的任何插入损耗方面起着至关重要的作用，确保测量的准确性。当今的VNA通常与PC接口，增强了数据和设置在不同开发和生产阶段之间的可转移性。这种设置还提高了安全性，因为所有敏感信息都驻留在PC上，遵守现有的安全协议。无论是用于反射、传输、阻抗还是延迟测量，VNA都是评估和确保设备和系统功效的关键工具。