矢量网络分析仪的原理

矢量网络分析仪（VNA）是射频与微波领域中用途最广、功能最强的测试仪器之一，被誉为“仪器之王”和“射频万用表”。它不仅能测量器件的幅度响应，还能精确测量相位信息，实现对高频器件全面的网络特性表征。

与早期仅测幅度的标量网络分析仪不同，矢量网络分析仪可同时获取信号的幅度与相位，从而实现S参数、复阻抗、时域响应等多维度测量，广泛应用于通信、半导体、航空航天等领域。

一、基本组成与工作原理

VNA是一个集信号源、信号分离装置、接收机和处理显示单元于一体的闭环测试系统。

1.信号源：提供可调频率和功率的激励信号，采用频率合成技术确保高精度。支持扫频和点频（CW）输出，并通过ALC（自动电平控制）与衰减器协同调节输出功率，保证测试稳定性。

2.信号分离装置：由功分器和定向耦合器（或电桥）构成。功分器将信号分为两路，一路作为参考信号送入R接收机，另一路送至被测件（DUT）。定向耦合器用于分离输入与反射信号，其“方向性”决定了反射测量的精度。方向性越高，对反向信号的抑制能力越强，测量误差越小。

3.接收机：分为R（参考）、A（反射）、B（传输）等多个通道。现代VNA采用调谐接收机，通过下变频和ADC数字化处理，获取信号的幅度和相位信息。相比二极管检波的宽带检测方式，调谐接收机具有更高的灵敏度、动态范围和抗干扰能力。

4.处理与显示：对接收信号进行矢量运算，计算S参数（如S11、S21），并以史密斯圆图、波特图等形式直观显示。

二、核心测试流程

●传输测试：信号源输出经功分器分为参考信号（R）和激励信号，激励信号输入DUT，输出信号由B接收机采集，B/R即为正向传输参数（如增益、插入损耗）。

●反射测试：激励信号进入DUT后产生反射，由定向耦合器分离并送入A接收机，A/R反映端口反射特性（如回波损耗、驻波比）。

通过内部开关切换，可完成双向传输与反射测量，全面获取两端口网络的S参数。

三、关键技术优势

●高动态范围：采用窄带中频滤波器（可小至1kHz），显著降低噪声，提升灵敏度。例如，当DUT输出仅为-100dBm时，调谐接收机仍可准确检测，而普通检波器可能无法响应。

●相位与电子延迟功能：直接观察相移常因器件电长度呈现线性负斜率而难以分析。VNA通过电子延迟功能抵消线性相移，提取“相位波动”（即非线性失真），便于评估信号完整性。

●S参数测量：S参数描述高频器件在频域中的输入输出关系，是射频设计的核心依据。VNA可精确测量各端口的反射与传输特性。

四、误差与校准

VNA存在系统误差、漂移误差和开关重复性误差。漂移误差主要源于温度变化引起的电缆膨胀和变频器不稳定，可通过充分预热和恒温环境缓解。为确保精度，使用前必须进行校准（如SOLT校准），消除系统误差。

五、应用场景与发展趋势

VNA不仅用于基础S参数测试，还可扩展用于IMD（互调失真）测量（需双信号源）、平衡电路测试（四端口VNA）、时域分析等复杂场景。其核心技术涉及射频电路设计、数字信号处理与软件平台，是高端测试测量领域的关键设备。

国内如鼎阳科技已推出26.5GHz四端口VNA，进入高端市场，体现我国在该领域的快速进步。随着5G、毫米波、量子通信等技术发展，VNA在高频、高精度、集成化方向将持续演进。

总之，矢量网络分析仪凭借其全面的测量能力、高精度与灵活性，成为射频研发不可或缺的核心工具。