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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 ​

   PCB的阻抗和损耗对于高速信号的传输至关重要，涉及到前文所述的一系列因素。为了对这么复杂的传输通道进行分析，我们可以通过传输通道冲击响应来研究其对信号的影响。电路的冲击响应可以通过传输一个窄脉冲得到。理想的窄脉冲应该是宽度无限窄、非常高幅度的一个窄脉冲，当这个窄脉冲沿着传输线传输时，脉冲会被展宽，展宽后的形状和线路的响应有关。从数学上来说，我们可以把通道的冲击响应和输入信号卷积得到经通道传输以后信号的波形。冲击响应还可以通过通道的阶跃响应得到，由于阶跃响应的微分就是冲击响应，所以两者是等价的。     看起来我们好像找到了解决问题的方法，但是，在真实情况下，理想窄的脉冲或者无限陡的阶跃信号是不存在的，不仅难以产生而且精度不好控制，所以在实际测试中更多地是使用正弦波进行测试得到频域响应，并通过相应的物理层测试系统软件得到时域响应。相比其它信号，正弦波更容易产生，同时其频率和幅度精度更容易控制。矢量网络分析仪VNA（vector network analyzer）可以在高达几十GHz的频率范围内通过正弦波扫频的方式精确测量传输通道对不同频率的反射和传输特性，动态范围达100dB以上，所以现代在进行高速传输通道分析时主要会用矢量网络分析仪去进行测量。     被测系统对于不同频率正弦波的反射和传输特性可以用S参数（S-parameter）表示，S参数描述的是被测件对于不同频率的正弦波的传输和反射的特性。如果我们能够得到传输通道对于不同频率的正弦波的反射和传输特性，理论上我们就可以预测真实的数字信号经过这个传输通道后的影响，因为真实的数字信号在频域上看可以认为是由很多不同频率的正弦波组成的。     对于一个单端的传输线来说，其包含4个S参数：S11、S22、S21、S12。S11和S22分别反映的是1端口和2端口对于不同频率正弦波的反射特性，S21反映的是从1端口到2端口的不同频率正弦波的传输特性，S12反映的是从2端口到1端口的不同频率正弦波的传输特性。对于差分的传输线来说，由于共有4个端口，所以其S参数更复杂一些，一共有16个。一般情况下会使用4端口甚至更多端口的矢量网络分析仪对差分传输线进行测量以得到其S参数。      如果得到了被测差分线的16个S参数，这对差分线的很多重要特性就已经得到了，比如说SDD21参数就反映了差分线的插入损耗特性、SDD11参数就反映其回波损耗特性。     我们还可以进一步通过对这些S参数做过反FFT变换得到更多信息。比如对SDD11参数变换得到时域的反射波形（TDR:Time Domain Reflection），通过时域反射波形可以反映出被测传输线上的阻抗变化情况。我们还可以对传输线的SDD21结果做反FFT变换得到其冲击响应，从而预测出不同数据速率的数字信号经过这对差分线以后的波形或者眼图。这对于数字设计工程师都是些非常有用的信息。      由此可见，用矢量网络分析仪（VNA）对数字信号的传输通道进行测量，一方面借鉴了射频微波的分析手段，可以在几十GHz的频率范围内得到非常精确的传输通道的特性；另一方面，通过对测量结果进行一些简单的时域变换，我们就可以分析出通道上的阻抗变化、对真实信号传输的影响等，从而帮助数字工程师在前期阶段就可以判断出背板、电缆、连接器、PCB等的好坏，而不必等到最后信号出问题时再去匆忙应对。  

      通过前面的研究我们知道数字信号的频谱是分布很宽的，其最高的频率分量范围主要取决于信号的上升时间而不仅仅是数据速率。当这样高带宽的数字信号在传输时，所面临的第一个挑战就是传输通道的影响。         真正的传输通道如PCB、电缆、背板、连接器等的带宽都是有限的，这就会把原始信号里的高频成分销弱或完全滤掉，高频成分丢失后在波形上的表现就是信号的边沿变缓、信号上出现过冲或者震荡等。   另外，根据法拉第定律，变化的信号跳变会在导体内产生涡流以抵消电流的变化。电流的变化速率越快（对数字信号来说相当于信号的上升或下降时间越短），导体内的涡流越强烈。当数据速率达到约1Gb/s以上时，导体内信号的电流和感应的电流基本完全抵消，净电流仅被限制在导体的表面上流动，这就是趋肤效应。趋肤效应会增大损耗并改变电路阻抗，阻抗的改变会改变信号的各次谐波的相位关系，从而造成信号的失真。         除此以外，最常用来制造电路板的FR-4介质是玻璃纤维编织成的，其均匀性和对称性都比较差，同时FR-4材料的介电常数还和信号频率有关，所以信号中不同频率分量的传输速度也不一样。传输速度的不同会进一步改变信号中各个谐波成分的相位关系，从而使信号更加恶化。         因此，当高速的数字信号在PCB上传输时，信号的高频分量由于损耗会被销弱，各个不同的频率成分会以不同的速度传输并在接收端再叠加在一起，同时又有一部分能量在阻抗不连续点如过孔、连接器或线宽变化的地方产生多次反射，这些效应的组合都会严重改变波形的形状。要对这么复杂的问题进行分析是一个很大的挑战。         值得注意的一点是，信号的幅度衰减、上升/下降时间的改变、传输时延的改变等很多因素都和频率分量有关，不同频率分量受到的影响是不一样的。而对数字信号来说，其频率分量又和信号中传输的数字符号有关（比如0101的码流和0011的码流所代表的频率分量就不一样），所以不同的数字码流在传输中受到的影响都不一样，这就是码间干扰ISI（inter-symbol interference ISI）。         为了对这么复杂的传输通道进行分析，我们可以通过传输通道冲击响应来研究其对信号的影响。电路的冲击响应可以通过传输一个窄脉冲得到。理想的窄脉冲应该是宽度无限窄、非常高幅度的一个窄脉冲，当这个窄脉冲沿着传输线传输时，脉冲会被展宽，展宽后的形状和线路的响应有关。从数学上来说，我们可以把通道的冲击响应和输入信号卷积得到经通道传输以后信号的波形。冲击响应还可以通过通道的阶跃响应得到，由于阶跃响应的微分就是冲击响应，所以两者是等价的。         看起来我们好像找到了解决问题的方法，但是，在真实情况下，理想窄的脉冲或者无限陡的阶跃信号是不存在的，不仅难以产生而且精度不好控制，所以在实际测试中更多地是使用正弦波进行测试得到频域响应，并通过相应的物理层测试系统软件得到时域响应。相比其它信号，正弦波更容易产生，同时其频率和幅度精度更容易控制。矢量网络分析仪VNA（vector network analyzer）可以在高达几十GHz的频率范围内通过正弦波扫频的方式精确测量传输通道对不同频率的反射和传输特性，动态范围达100dB以上，所以现代在进行高速传输通道分析时主要会用矢量网络分析仪去进行测量。         被测系统对于不同频率正弦波的反射和传输特性可以用S参数（S-parameter）表示，S参数描述的是被测件对于不同频率的正弦波的传输和反射的特性。如果我们能够得到传输通道对于不同频率的正弦波的反射和传输特性，理论上我们就可以预测真实的数字信号经过这个传输通道后的影响，因为真实的数字信号在频域上看可以认为是由很多不同频率的正弦波组成的。         对于一个单端的传输线来说，其包含4个S参数：S11、S22、S21、S12。S11和S22分别反映的是1端口和2端口对于不同频率正弦波的反射特性，S21反映的是从1端口到2端口的不同频率正弦波的传输特性，S12反映的是从2端口到1端口的不同频率正弦波的传输特性。对于差分的传输线来说，由于共有4个端口，所以其S参数更复杂一些，一共有16个。一般情况下会使用4端口甚至更多端口的矢量网络分析仪对差分传输线进行测量以得到其S参数。           如果得到了被测差分线的16个S参数，这对差分线的很多重要特性就已经得到了，比如说SDD21参数就反映了差分线的插入损耗特性、SDD11参数就反映其回波损耗特性。         我们还可以进一步通过对这些S参数做过反FFT变换得到更多信息。比如对SDD11参数变换得到时域的反射波形（TDR:Time Domain Reflection），通过时域反射波形可以反映出被测传输线上的阻抗变化情况。我们还可以对传输线的SDD21结果做反FFT变换得到其冲击响应，从而预测出不同数据速率的数字信号经过这对差分线以后的波形或者眼图。这对于数字设计工程师都是些非常有用的信息。         用矢量网络分析仪（ VNA ）对数字信号的传输通道进行测量，一方面借鉴了射频微波的分析手段，可以在几十 GHz 的频率范围内得到非常精确的传输通道的特性；另一方面，通过对测量结果进行一些简单的时域变换，我们就可以分析出通道上的阻抗变化、对真实信号传输的影响等，从而帮助数字工程师在前期阶段就可以判断出背板、电缆、连接器、 PCB 等的好坏，而不必等到最后信号出问题时再去匆忙应对。