矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理及應(yīng)用

作者：西安安泰測(cè)試更新時(shí)間：2026-01-13 點(diǎn)擊數(shù)：

矢量網(wǎng)絡(luò)分析是實(shí)驗(yàn)室常見的一種測(cè)量?jī)x器，它既能測(cè)量單端口網(wǎng)絡(luò)或兩端口網(wǎng)絡(luò)的各種參數(shù)幅值，又能測(cè)相位，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀能用史密斯圓圖顯示測(cè)試數(shù)據(jù)。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理及應(yīng)用(圖1)

網(wǎng)絡(luò)分析儀的使用背景

做射頻的都知道，所有的通信系統(tǒng)必須要考慮的一個(gè)重要問(wèn)題就是非線性——信號(hào)失真的影響。通常情況下，我們認(rèn)為失真都是非線性效應(yīng)引起的，但是線性系統(tǒng)也可能會(huì)引進(jìn)失真。

線性系統(tǒng)通過(guò)改變頻譜分量的幅度和相位來(lái)改變經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的信號(hào)波形。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理及應(yīng)用(圖2)

無(wú)線性失真

對(duì)于無(wú)線性失真?zhèn)鬏?，DUT的幅頻響應(yīng)必須是平坦的，并且相位必須是線性的。比如說(shuō)方波（方波從頻譜上看含有豐富的諧波）經(jīng)過(guò)帶通濾波器，帶內(nèi)對(duì)所選的頻率衰減很小，同時(shí)相位是線性變化的。（圖下圖所示）

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理及應(yīng)用(圖3)

如果方波經(jīng)過(guò)一個(gè)全通濾波器，但是該濾波只對(duì)三次諧波的相位產(chǎn)生非線性反轉(zhuǎn)，那么即使濾波器幅頻響應(yīng)沒(méi)有發(fā)生變化，但是輸出的幅頻響應(yīng)變了。輸出出現(xiàn)了失真。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理及應(yīng)用(圖4)

所以無(wú)線性失真?zhèn)鬏?，不僅要關(guān)注幅頻響應(yīng)的變化，也要關(guān)注相位的變化。

非線性器件失真

非線性器件引入失真，這個(gè)是射頻工程師常見的現(xiàn)象——放大器。如果放大器進(jìn)入飽和區(qū)，輸出信號(hào)就會(huì)被銷頂，輸出的信號(hào)就不是正弦曲線。根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)展開，就會(huì)所產(chǎn)生諧波頻率。

無(wú)源器件在高功率輸入下也會(huì)表現(xiàn)出非線性。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理及應(yīng)用(圖5)

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理及應(yīng)用(圖6)

通信系統(tǒng)必須要考慮的另一個(gè)重要問(wèn)題是傳輸?shù)男?。為了?shí)現(xiàn)高效率傳輸，器件之間必須呈現(xiàn)阻抗匹配，如果阻抗失配，傳輸?shù)男示蜁?huì)大大降低。阻抗匹配的原則是共軛匹配，共軛匹配的前提是知道阻抗的實(shí)部和虛部，射頻系統(tǒng)的有效傳輸就是器件之間的共軛匹配。

總結(jié)

在一個(gè)通信系統(tǒng)中，測(cè)量幅度很重要，測(cè)量相位也同樣重要。無(wú)失真的線性傳輸系統(tǒng)需要同時(shí)關(guān)注幅度和相位的變化。同時(shí)為了系統(tǒng)的有效傳出，必須要實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，阻抗匹配需要測(cè)量復(fù)阻抗。

適量網(wǎng)絡(luò)分析儀就是為了分析系統(tǒng)的幅度、相位、匹配的一個(gè)儀器。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的基礎(chǔ)

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的基礎(chǔ)是波的反射。電磁波也是一種波，波有反射、入射和透射。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀準(zhǔn)確測(cè)量入射、反射和傳輸?shù)?nbsp;能量。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理及應(yīng)用(圖7)

而表征波的入射、反射取決于阻抗。即射頻入門基本大法，史密斯圓圖。復(fù)阻抗和反射系數(shù)存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，所以復(fù)阻抗可以映射到圓圖上。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理及應(yīng)用(圖8)

功率最大傳輸?shù)臈l件，就是阻抗共軛匹配。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理及應(yīng)用(圖9)

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)什么

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理及應(yīng)用(圖10)

測(cè)波的反射

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通過(guò)對(duì)參考通道R的入射波的測(cè)量。用A通道測(cè)量反射波，用B通道測(cè)量發(fā)射波。觀測(cè)波中的幅度和相位的信息，可以量化被測(cè)器件的發(fā)射和傳輸特性。

發(fā)射和傳輸可以表示為矢量。

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回波損耗(Return Loss)：入射功率/反射功率, 為dB數(shù)值

反射系數(shù)(Г)：反射電壓/入射電壓, 為標(biāo)量

電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ration): 波腹電壓/波節(jié)電壓

VSWR=(1+Г)/(1-Г)
S11=20lg(Г)
RL=-S11

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矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理及應(yīng)用(圖13)

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理及應(yīng)用(圖14)

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理及應(yīng)用(圖15)

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理及應(yīng)用(圖16)

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理及應(yīng)用(圖17)

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理及應(yīng)用(圖18)

測(cè)量有源器件的傳輸特性

測(cè)量群時(shí)延

相位失真可以用另一個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)表示——群時(shí)延。群時(shí)延表示的是信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)的某頻率處的相位（相移）對(duì)于頻率的變化率。帶信號(hào)經(jīng)過(guò)媒質(zhì)傳輸路徑或設(shè)備中的線性元件時(shí)，其各個(gè)頻譜分量的相速不同，元器件對(duì)各頻譜分量的響應(yīng)也不一樣,這都會(huì)引起到達(dá)接收端的信號(hào)因各頻率分量的相移或時(shí)延不同而產(chǎn)生相位關(guān)系的紊亂,即相位失真。

群時(shí)延可以通過(guò)相位響應(yīng)和頻率的微分來(lái)計(jì)算。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理及應(yīng)用(圖19)