今天我們一起來(lái)聊一下網(wǎng)分的事情。

網(wǎng)分，全稱就是網(wǎng)絡(luò)分析儀（Network Analyzer），根據(jù)其功能又分為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀，顧名思義，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀就是能測(cè)器件的矢量性能，包括幅頻特性和相位特性，標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀就只能測(cè)試器件的幅頻特性了。因?yàn)槭噶烤W(wǎng)絡(luò)分析儀的功能完全覆蓋了標(biāo)量網(wǎng)分，因此在現(xiàn)在的射頻測(cè)試中，標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀用的很少了，可能很多小伙伴見(jiàn)都沒(méi)見(jiàn)過(guò)。

早期的Agilent8757D就是一款標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀，功能少，價(jià)錢相對(duì)就便宜一些。現(xiàn)在在某些場(chǎng)合還是能用到的。

那么現(xiàn)在我們實(shí)驗(yàn)室常用的網(wǎng)絡(luò)分析儀就是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀了，簡(jiǎn)稱矢網(wǎng)VNA。目前最主要的網(wǎng)分廠家就是美國(guó)的是德科技keysight和德國(guó)的羅德與施瓦茨Rohde & Schwarz了，還有日本的安立Anritsu，去年華為入股的中電科思儀Ceyear，不知道大家有沒(méi)有用過(guò)。當(dāng)然還有Tek，就不一一列舉了。

對(duì)于我們射頻工程師來(lái)說(shuō)，我們最離不開(kāi)的一個(gè)是仿真軟件，一個(gè)是測(cè)試儀器。就仿佛我們自己的左膀右臂一樣，離開(kāi)這兩樣?xùn)|西，還真不知道自己能干什么？我們每天都和它打交道，怎么能不了解它呢？今天我們一起來(lái)聊一下網(wǎng)分的基本原理。

微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，就是用來(lái)測(cè)量微波器件的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，微波網(wǎng)絡(luò)我們?cè)谥暗奈恼轮性啻斡懻?，網(wǎng)絡(luò)作為微波的基礎(chǔ)，我覺(jué)得學(xué)習(xí)再多次都不為過(guò)。我們?cè)谖⒉ňW(wǎng)絡(luò)一文中介紹可知，常用的微波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)包括阻抗參數(shù)Z，導(dǎo)納參數(shù)Y，轉(zhuǎn)移參數(shù)A，散射參數(shù)S，和傳輸參數(shù)T，這些參數(shù)都可以用來(lái)描述微波網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)，只是從不同的方面去描述而已，沒(méi)有本質(zhì)上的不同，這些網(wǎng)絡(luò)參數(shù)之間可以通過(guò)公式來(lái)互相轉(zhuǎn)換。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當(dāng)我們知道這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的阻抗參數(shù)之后，我們就可以推導(dǎo)出其他幾個(gè)參數(shù)，反之也可以推導(dǎo)出阻抗參數(shù)。所以矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理就比較簡(jiǎn)單了，我們只要測(cè)試出其某一個(gè)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)就可以了，其他的完全可以通過(guò)公式推導(dǎo)出來(lái)。類似下圖所示，我們只要測(cè)試出入射波反射波和投射波就可以得到微波網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)特征了。

大家想起來(lái)這是那個(gè)參數(shù)了嗎？就是下圖定義的散射參數(shù)S。所以說(shuō)，S參數(shù)太重要了，S11就是端口1的回波損耗RL/反射系數(shù)/VSWR,S21就是從端口1到端口2的傳輸系數(shù)/插入損耗.

得到S參數(shù)之后，其他參數(shù)也就呼之欲出了。不會(huì)轉(zhuǎn)化，查《微波工程》那本書(shū)就可以了。

原理是不是很簡(jiǎn)單？那真要做出來(lái)就比較費(fèi)勁了。下圖給出了一個(gè)N端口的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的簡(jiǎn)單示意圖。我們看到VNA的每一個(gè)端口都有一個(gè)收發(fā)信機(jī)，這個(gè)收發(fā)信機(jī)的發(fā)射機(jī)把入射波輸出到待測(cè)微波器件，然后反射波進(jìn)入到接收機(jī)。這樣就可以得到每一個(gè)端口處的入射和反射特性。VNA通常通過(guò)一系列橋或耦合器來(lái)測(cè)量入射波和反射波。這些在VNA中稱為信號(hào)分離設(shè)備。這些被稱為定向設(shè)備。VNA測(cè)量中的缺陷在于耦合因子以及定向設(shè)備的方向性。

觀察上圖，我們可以看到，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀主要有四個(gè)部分組成：信號(hào)源RF Generator，測(cè)試端Test Set，接收通道Receivers和計(jì)算機(jī)Computer。

1，在每一個(gè)測(cè)試端口把信號(hào)分解成入射波和反射波，入射信號(hào)進(jìn)入到參考路徑或者測(cè)試路徑。并且在輸出路徑上有一個(gè)電子衰減器來(lái)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的強(qiáng)弱，這個(gè)電子衰減器就決定了輸出信號(hào)的功率范圍，也就是我們通常設(shè)置的輸出電平。

2，信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)一個(gè)Switch切換到工作（激活）端口，我們通常能觀察到激活端口的指示燈閃爍。

3，每個(gè)test set 接收到的信號(hào)傳輸給兩個(gè)接收機(jī)通道，測(cè)量通道和參考通道。

4，接收到的參考信號(hào)和測(cè)試信號(hào)通過(guò)A/D變換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)DSP處理之后，可以得到初始的測(cè)試值，一般情況下，測(cè)量值是復(fù)數(shù)，包含幅度和相位信息。

5，最后經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到我們想要的數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理，顯示。當(dāng)然遠(yuǎn)程控制等也是由計(jì)算機(jī)來(lái)完成的。所以，我們現(xiàn)在所用的VNA自身就帶有一個(gè)Windows系統(tǒng)。

這樣，我們所設(shè)計(jì)的射頻器件的性能就測(cè)量出來(lái)了。

下圖是一個(gè)測(cè)試圖例

上文給出了矢網(wǎng)的測(cè)試原理，實(shí)際中每一個(gè)部件的設(shè)計(jì)都相當(dāng)精密。

我們以測(cè)試一個(gè)單端口射頻器件為例，看一下矢網(wǎng)到底是怎么工作的。

如果我們需要測(cè)試這個(gè)單端口射頻器件的反射系數(shù)Γ，我們需要知道這個(gè)單端口器件的入射信號(hào)和反射信號(hào)。我們需要有一個(gè)定向器件來(lái)描述這個(gè)單端口入射波和反射波。這個(gè)定向器件是一個(gè)三端口網(wǎng)絡(luò)，如下圖所示，我們用不同顏色的箭頭表示反射波和入射波信號(hào)。信號(hào)源發(fā)射信號(hào)a1傳輸?shù)蕉丝?，傳輸系數(shù)是S21，進(jìn)入到端口2 的信號(hào)b2。那么這個(gè)單端口器件的反射系數(shù)Γ就是反射波bDUT和入射波aDUT的比值，其實(shí)也就是a2/b2. 反射信號(hào)a2以S32作為傳輸系數(shù)進(jìn)入到端口3，被測(cè)量接收機(jī)接收到。在理想匹配無(wú)耗情況下，定向器件的S21和S32都等于1。這樣在理想情況下，發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)a1是已知的，接收到的信號(hào)b3也是已知的（被測(cè)量出的），那么這個(gè)單端口器件的反射系數(shù)就是b3/a1， 就被測(cè)試出來(lái)了。

但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中，不可能存在理想的匹配無(wú)耗，S31也很難做到完全隔離，這就用到了參考接收機(jī)來(lái)進(jìn)行處理了。

當(dāng)然，這也不能完全消除測(cè)試誤差，所以每次使用前的校準(zhǔn)，和矢網(wǎng)儀器的校準(zhǔn)都是至關(guān)重要的。即使這樣，在實(shí)際測(cè)試中還有一個(gè)不確定度存在。

今天就到這吧。

后面有時(shí)間，我們一起來(lái)學(xué)習(xí)一下，不確定度和校準(zhǔn)相關(guān)的原理。

路很長(zhǎng)，射頻學(xué)堂陪你慢慢走。。。。。

審核編輯：湯梓紅