作者： MARTIN ROWE 高級技術(shù)編輯，測試與測量，EDN 和 EE Times

射頻 (RF)/微波工程師使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA) 來表征連接器、電纜、濾波器、放大器、PCB 走線等組件。VNA 也已成為信號完整性工程師的重要工具。但這些工程師經(jīng)常使用的高端臺式 VNA 價格昂貴，運(yùn)行數(shù)十萬美元。近年來，一類低成本的手持式和 USB VNA 使散射參數(shù)（S 參數(shù)）測量可用于新應(yīng)用?，F(xiàn)在的應(yīng)用包括材料表征、雪深和成分、土壤成分、醫(yī)學(xué)成像等。

VNA 本質(zhì)上是一個高頻源測量單元。它將物體或電路激發(fā)到一定范圍的射頻頻率，并以 S 參數(shù)的形式測量響應(yīng)（參考文獻(xiàn) 1、2）。S 參數(shù)提供有關(guān)進(jìn)入、退出和被測試設(shè)備、對象或材料反射的信號功率（幅度和相位）的信息。大多數(shù)便攜式和 USB VNA 提供兩個端口，其中每個端口都可以發(fā)送和接收射頻波。這會產(chǎn)生四次測量，通常被描述為 2 × 2 矩陣。圖 1 顯示了矩陣和四個 S 參數(shù)。

圖 1：雙端口設(shè)備、系統(tǒng)或被測對象連接到雙端口 VNA，產(chǎn)生 2 × 2 的 S 參數(shù)矩陣。

S11 和 S21 被稱為前向 S 參數(shù)，因?yàn)槿肷洳ㄔ诙丝?1 進(jìn)入待測設(shè)備或材料。S11 定義為從端口 1 反射的波與在端口 1 進(jìn)入的入射波的比率（參考文獻(xiàn)3）。S21 定義為從端口 2 出射的波與在端口 1 進(jìn)入的入射波之比。

S12 和 S22 是反向 S 參數(shù)。S22 是從端口 2 反射的波除以從端口 2 進(jìn)入的入射波的比率。S12 是從端口 1 出射的波與進(jìn)入端口 2 的入射波的比率。 S 參數(shù)值（幅度和相位）隨頻率變化。

圖 1中的 DUT 不必是電氣設(shè)備；它幾乎可以是任何東西。您只需要一種向 VNA 發(fā)送信號和從 VNA 接收信號的方法。電氣設(shè)備通常具有連接器，可通過電纜將其連接到 VNA 端口，或者它們可以連接到 PCB。其他物體或物質(zhì)可能需要不同的接口，例如天線。

雪中的天線Jakop Reistad 在他的碩士論文（參考文獻(xiàn) 4）中使用 VNA 來評估一種共振探頭（圖 2），該探頭設(shè)計用于通過挪威雪發(fā)送和接收信號以測量雪的密度和成分。

圖 2：此探頭設(shè)計用于連接 VNA，以測量雪的密度和成分。圖片：Jackop Reistad，挪威北極大學(xué)。

Reistad 使用 miniVNA Tiny（來自 Mini Radio Solutions 的 600 美元以下的 USB VNA）來發(fā)送和接收信號。其頻率范圍為 1 MHz 至 3 GHz。

“介電常數(shù)是一個具有實(shí)部和虛部的復(fù)數(shù)，”Reistad 解釋說?！皩τ诟裳殡姵?shù)幾乎完全是實(shí)數(shù)，實(shí)數(shù)部分幾乎隨雪密度線性變化。隨著含水量的增加，復(fù)雜部分占主導(dǎo)地位。因此，兩個主要的‘物理’參數(shù)是密度和含水量。”

為了計算介電常數(shù)，進(jìn)而計算雪密度，Reistad 必須首先找到雪的共振頻率，該頻率可以從 S 參數(shù)測量中獲得?！肮舱耦l率與介電常數(shù)成反比。我們可以通過研究諧振探頭的品質(zhì)因數(shù)來找到濕度。含水量的增加會降低品質(zhì)因數(shù)并擴(kuò)大共振峰?！?/p>

在另一個雪應(yīng)用中，VNA 被用于測量極地地區(qū)的冰層深度，方法是向冰層中注入射頻信號并測量返回的功率。連續(xù)測量的相位變化提供了計算冰厚度變化所需的數(shù)據(jù)。絕對厚度可以通過在不同頻率進(jìn)行相位測量或通過對頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉逆變換 (iFFT) 來計算。這些測量結(jié)果讓科學(xué)家們看到了氣候變化對極地冰的影響。所有這些方法都產(chǎn)生類似于雷達(dá)的結(jié)果，其中將射頻脈沖注入冰中（參考文獻(xiàn) 5）。

材料表征Compass Technology Group LLC 開發(fā)定制夾具，其客戶使用這些夾具來獲得材料的固有特性。“材料的內(nèi)在特性描述了它的行為方式，”Compass Technology 的首席科學(xué)家 John Schultz 說。圖 3 顯示了該公司在 2018 年國際微波研討會上展示的測試夾具。

圖 3：Compass Technology 的測試夾具使用定制天線從 VNA 向被測材料發(fā)送和接收信號。圖片：馬丁·羅。

在圖 3中，Copper Mountain Technologies 的 VNA 對材料進(jìn)行激發(fā)并計算 S 參數(shù)。專有軟件根據(jù)幅度和相位計算被測材料的內(nèi)在特性。

感興趣的參數(shù)是材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的實(shí)部和虛部。Compass Technology 測試的材料包括低損耗和高損耗材料。低損耗材料通常用于天線，而高損耗材料可能成為吸收體。雖然該公司通常在將材料集成到設(shè)計中之前對其進(jìn)行測試，但它也測試了飛機(jī)機(jī)蓋等成品。

其他用途USB VNA 制造商 Pico Technology 的 Mark Ashcroft 看到了該公司 PicoVNA 的不尋常用途。例如，VNA 可用于測試電流通常為 60 A 至 100 A 的電氣螺栓的完整性。

在本應(yīng)用中，S11 是重要參數(shù)。如果隨著時間的推移焊接斷裂，S11 將隨著更多的能量反射到傳輸端口而發(fā)生變化。從 S11 和 S21 測量生成的諧振頻率圖的 iFFT 生成時域圖，可以指示裂縫的位置。

VNA 已證明其在科學(xué)和工程測量中的實(shí)用性。他們只需要天線或其他探頭即可將信號注入被測材料并提取反射和發(fā)射功率。

審核編輯 黃昊宇