什么是矢量網絡分析？

在現代電子工程領域，尤其是射頻（RF）和微波技術中，對電路和元器件性能的精確評估至關重要。矢量網絡分析（Vector Network Analysis, VNA）作為一種核心測量技術，被譽為射頻微波領域的“萬用表”或“神眼”，它使工程師能夠深入洞察器件在頻域內的復雜行為。

一、 什么是矢量網絡分析？

矢量網絡分析是測量電氣網絡在不同頻率激勵信號下響應特性的技術。與僅測量信號強度的標量分析不同，“矢量”二字意味著它同時捕捉信號的幅度和相位信息。這種雙重信息的獲取，為我們提供了被測器件（DUT）對電信號完整影響的圖景。

二、 核心原理：入射、反射與傳輸

矢量網絡分析的基本原理可以形象地理解為光波在介質中的傳播。想象一束光照射到鏡片上：一部分光被反射（反射波），另一部分穿過鏡片（透射波）。矢量網絡分析儀的工作方式與此類似，只不過處理的是高頻電信號。

VNA通過傳輸線向被測器件發送一個已知的入射波信號。當信號遇到阻抗不連續的器件時，一部分能量會反射回源端，另一部分則傳輸通過器件。VNA的核心任務就是精確分離、捕獲并分析這三個波：入射波（a1,a2a_1, a_2a1,a2）、反射波（b1,b2b_1, b_2b1,b2）和傳輸波。

三、 S參數：器件的“數字指紋”

矢量網絡分析的最終測量結果體現為散射參數（S參數）。S參數是一個復數矩陣，它量化了網絡的輸入輸出關系。

對于一個常見的兩端口網絡，四個關鍵的S參數定義如下：

● S₁₁（輸入反射系數）： 衡量端口1的阻抗匹配程度，即有多少信號被反射回源端。它直接關聯到回波損耗或電壓駐波比（VSWR）。

● S₂₂輸出反射系數）： 衡量端口2的阻抗匹配情況。

● S₂₁（正向傳輸系數）： 表征信號從端口1傳輸到端口2的增益或損耗，即插入損耗。

● S₁₂（反向傳輸系數）： 表征信號從端口2傳輸到端口1的特性，常用于衡量器件的隔離度。

通過測量這些參數，工程師可以提取出器件的增益、損耗、阻抗、帶寬、反射系數和群延遲等關鍵指標。

四、 矢量網絡分析儀的內部架構

一個典型的矢量網絡分析儀內部架構包含以下幾個關鍵部分：

1. 信號源（Synthesized Source）： 產生高穩定度、頻率和功率可精確控制的掃頻信號。

2. 測試裝置（Test Set）： 這是信號與被測器件交互的地方。其核心組件是定向耦合器和電橋，它們負責將入射波、反射波和傳輸波物理上分離。 3. 接收機（Receiver）： 包括參考接收機和測量接收機。它將分離出的高頻信號下變頻至中頻，再通過模數轉換器（ADC）進行數字化處理，提取出信號的幅度和相位信息。

3. 處理器與顯示單元： 對采集到的數據進行復雜的數學運算（如比值計算 b/ab/ab/a 得到S參數），并以多種格式（如史密斯圓圖、極坐標圖、對數幅度圖等）直觀地顯示結果。

五、 誤差修正與校準

為了獲得高精度的測量結果，消除測試系統自身（電纜、連接器等）引入的誤差是必不可少的。VNA利用復雜的數學模型（如12項誤差模型）來描述系統誤差。通過執行校準程序（如SOLT校準：短路-開路-負載-直通），使用已知特性的標準件，VNA可以計算出這些誤差系數，并在后續測量中將其從原始數據中扣除，從而得到被測器件真實的“數字指紋”。

六、 應用領域

矢量網絡分析的應用無處不在：

● 無線通信： 5G基站濾波器、天線的設計與測試。

● 雷達系統： 毫米波雷達芯片和天線陣列的幅相一致性檢測。

● 航空航天： 波導器件和復雜航空電子設備的驗證。

● 材料科學： 通過測量電磁波與材料的相互作用來提取材料的介電常數和磁導率。

總之，矢量網絡分析是現代射頻微波工程的基石。它通過精確測量S參數，為工程師提供了一把解開復雜電磁現象之謎的鑰匙，確保了從智能手機到太空探索等各種高科技系統的性能與可靠性。