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目录1. 网络分析仪概述1.1. 网络分析仪简介1.2. 网络分析仪功能2. 网络分析仪工作原理3. 网络分析仪关键指标4. VNA 网络分析仪 vs 频谱分析仪SA对比5. S参数测量概述6. 网络分析仪校准6.1. VNA校准技术6.2. 校准方法6.3. 校准标准件1. 网络分析仪概述1.1. 网络分析仪简介网络分析仪Vector Network Analyzer定义测量电网络的网络参数的仪器。如今“网络分析仪” 这个名词被用来描述多种工具对应各式各样的 “网络”。例如大多数人使用的手机运行在 3G 或 4G “网络” 上另外家庭、办公室、商业场所普遍配有 Wi‑Fi 无线局域网 “网络”。除此之外大量计算机与服务器组成接入云端的 “网络”。针对每一类这类网络都有对应的网络分析工具用于验证性能、测绘覆盖区域以及定位故障。本文介绍的网络分析仪针对另一种网络早在上述这些网络诞生前就已定义。首台 VNA 大约发明于 1950 年定义为测量电网络网络参数的仪器。事实上多年来 VNA 支撑了前面提到的所有网络的实现从移动电话网络、Wi‑Fi 网络、计算机网络再到云。当今几乎所有主流技术网络都依靠这台 60 多年前发明的 VNA 才得以实现。1.2. 网络分析仪功能矢量网络分析仪VNA用于测量射频 / 微波电网络、元器件的网络参数。内置激励源向被测件发射已知信号采集反射与传输信号同时获取幅度与相位信息测量 S 参数、回波损耗、插入损耗、阻抗、群时延等指标可完成频域扫频、时域故障定位、功率扫描非线性测试用于天线、滤波器、放大器、线缆等射频器件的研发、验证与生产测试。核心功能测射频 / 微波电气网络器件电路特性核心测量参数S 参数S11、S22、S21、S12同时得到幅度 相位反射类回波损耗、电压驻波比 VSWR、阻抗传输类插入损耗、增益、隔离度、群时延拓展功率扫描测 1dB 压缩点时域模式定位线缆 / 接头阻抗不连续故障被测器件无源器件滤波器、电缆、连接器、天线、功分器、耦合器有源器件射频放大器、混频器、射频开关PCB 高速走线、光模块、封装、传输线应用领域无线通信、雷达、航空航天、车载射频、高速数字、卫星、物联网射频硬件研发、验证、产线测试、故障排查2. 网络分析仪工作原理VNA内置激励源 Source 多路接收机 Receivers输出已知射频激励信号对比被测件 DUT 的反射信号和传输信号算出幅度相位送到电脑 / 显示屏输出结果。激励源生成已知测试信号接收机用来检测被测件DUT对这个激励信号产生的改变1. Source 激励源产生已知的激励信号Input Signal送入被测件 DUT2. 信号进入 DUT 后分为两路Reflected Signal 反射信号在 DUT 输入端反射回来的信号用于反射测量 S11/S22Output Signal 输出信号穿过 DUT 从另一端输出的传输信号用于传输测量 S21/S123. Receivers 接收机同时采集反射信号、传输信号将采集到的信号和原始激励信号做对比计算幅度与相位4. PC Display数据交给内置 / 外接电脑处理在屏幕绘制曲线输出 S 参数结果3. 网络分析仪关键指标在选择 VNA 时需要考虑多项参数。VNA 指标繁多但4 个核心顶层指标用来指导选型频率范围、动态范围、迹线噪声、测量速度。指标定义选型要点典型数值 / 单位影响场景频率范围Frequency Range仪器可扫频测量的最低最高频率区间最首要、最关键指标兼顾当前需求 未来扩展有源器件需测谐波基频 2~5 倍最高频率越高成本越高视型号而定覆盖所有 DUT 工作频率动态范围Dynamic Range指定频率下可测最大到最小信号的衰减范围被测件最大衰减需比仪器动态范围小 3~6dB预留余量常规约120dB高衰减器件测试迹线噪声Trace Noise仪器自身产生并叠加到结果的随机噪声决定微小信号测量精度单位毫 dB0.001dB滤波器通带纹波测量测量速度Measurement Speed完成一次完整扫频测量所需时间大批量产线测试非常关键研发 / 小批量场景不敏感单次扫频耗时手机元器件等产线效率4. VNA 网络分析仪 vs 频谱分析仪SA对比VNA 和频谱分析仪是射频测试最常用的两类仪器很多工程师容易混淆。频谱分析仪 SA测信号本身看频谱、功率、调制质量适合未知信号、数字调制信号WiFi/LTE。网络分析仪 VNA测器件特性给器件输入已知激励测器件对信号的反射 / 传输S 参数幅度 相位用来表征器件本身性能。网络分析仪 VNA频谱分析仪 Spectrum Analyzer内置激励源 Source 接收机 Receiver只有接收机无内置激励源使用已知激励信号known stimulus测量未知信号 unknown signals2 通道或更多通道单通道比值测量Ratioed measurements非比值测量No ratioed measurements高级校准测量精度更高校准能力有限精度更低适合模拟、脉冲信号擅长数字调制信号WiFi、LTE5. S参数测量概述在高频场景下直接测量电流、电压通常十分困难因此改用散射参数S 参数进行测量。S 参数用于表征射频器件 / 器件网络的电气特性与性能和增益、损耗、反射系数这些大家熟悉的测量指标直接相关。1. 外部视角Outside ViewVNA 一般具备 2 个或更多端口直接或通过线缆、转接器连接到 DUT2. 内部视角Inside View分析多端口网络特性的通用方法将入射波作为激励测量各端口出射波出射波包含端口反射回来的波以及传输到其他端口的波。入射波 incident waves进入网络 / DUT 的波记为an反射波 reflected waves从网络 / DUT 端口出来的波记为bn用入射波a和反射 / 出射波b可以用方程组描述线性网络 DUT。用来表征网络的常数就是S 参数。S 参数中文名称测量工况比值公式物理含义S11端口 1 反射系数正向Port1 发射激励a1Port2 接匹配负载a20b1/a1端口 1 入射波被端口 1 反射回来的比例S21正向传输系数同上正向测量b2/a1信号从端口 1 穿入、从端口 2 输出的传输比例S22端口 2 反射系数反向Port2 发射激励a2Port1 接匹配负载a10b2/a2端口 2 入射波被端口 2 反射回来的比例S12反向传输系数同上反向测量b1/a2信号从端口 2 穿入、从端口 1 输出的反向传输比例6. 网络分析仪校准6.1. VNA校准技术在射频微波测试仪器当中VNA 拥有独特的校准机制。VNA 和其他射频仪器一样出厂就完成出厂校准通常需要每年年检保证仪器工作正常。项目Factory Calibration出厂校准User Calibration用户校准参考平面VNA 端口接头Port1/Port2 连接器端面延伸至 DUT 输入端扣除线缆、转接器覆盖范围仪器本体保证端口输出信号指标、输入信号采集准确扣除线缆、转接器、测试夹具带来的误差核心作用保证 VNA 仪器本身硬件指标达标矢量误差修正只保留 DUT 本身真实性能特点出厂完成定期年检类似带跟踪源频谱仪出厂校准测试前用户执行VNA 独有能力大幅提升测量精度6.2. 校准方法VNA 一共有四种常用用户校准方法分别是响应校准、二端口单路径校准、二端口双路径校准、电子校准 (ECal)。校准方法可测 S 参数特点优缺点适用场景Response响应校准S11 或 S21/S22Simple, fast, less accurate优点简单快速缺点精度低只需要单参数粗略测量反射 / 传输单项测试2-port One Path二端口单路径校准S11、S21Accurate, less connections, limited s-par优点精度较高校准连接次数少缺点不能测 S12、S22S 参数不全只需正向 S 参数S11、S21不需要反向参数2-port Two Path二端口双路径校准SOLTS11,S21,S12,S22Accurate, many connections, full s-par优点全套 4 个 S 参数精度高缺点需要多次连接操作繁琐容易引入人为操作误差二端口全参数测试无源器件、放大器等完整表征ElectronicECal 电子校准S11,S21,S12,S22Simple, fast, accurate, expensive优点一次连接完成校准精度高减少人为接线错误缺点成本昂贵研发高精度测量、频繁切换测试场景6.3. 校准标准件最常用的校准套件叫做 SOLT分别是短路 Short、开路 Open、50Ω 精密负载 Load、直通 Thru。 校准件的接头型号、公母性别最好和被测件 DUT 完全一致校准时和测量时只更换校准件与被测件接头不变。现实世界不存在理想完美的校准件短路件会自带寄生电感开路件会产生边缘杂散电容。VNA 内部存储这套校准套件的模型数据自动补偿这些固有缺陷。不同套件的模型和 VNA 工作频率相关部分套件公头、母头模型参数不一样校准前需要在仪器界面选择接头性别。标准件全称作用备注Short短路件端口短路获取反射基准实际存在寄生电感VNA 内置模型补偿Open开路件端口开路获取反射基准实际存在寄生电容VNA 内置模型补偿Load负载50Ω匹配负载吸收信号无反射精密 50Ω 标准负载Thru直通件两个端口直接相连获取传输基准Port1 直连 Port2 【网络分析仪07】快速了解网络分析仪工作原理
目录1. 网络分析仪概述1.1. 网络分析仪简介1.2. 网络分析仪功能2. 网络分析仪工作原理3. 网络分析仪关键指标4. VNA 网络分析仪 vs 频谱分析仪SA对比5. S参数测量概述6. 网络分析仪校准6.1. VNA校准技术6.2. 校准方法6.3. 校准标准件1. 网络分析仪概述1.1. 网络分析仪简介网络分析仪Vector Network Analyzer定义测量电网络的网络参数的仪器。如今“网络分析仪” 这个名词被用来描述多种工具对应各式各样的 “网络”。例如大多数人使用的手机运行在 3G 或 4G “网络” 上另外家庭、办公室、商业场所普遍配有 Wi‑Fi 无线局域网 “网络”。除此之外大量计算机与服务器组成接入云端的 “网络”。针对每一类这类网络都有对应的网络分析工具用于验证性能、测绘覆盖区域以及定位故障。本文介绍的网络分析仪针对另一种网络早在上述这些网络诞生前就已定义。首台 VNA 大约发明于 1950 年定义为测量电网络网络参数的仪器。事实上多年来 VNA 支撑了前面提到的所有网络的实现从移动电话网络、Wi‑Fi 网络、计算机网络再到云。当今几乎所有主流技术网络都依靠这台 60 多年前发明的 VNA 才得以实现。1.2. 网络分析仪功能矢量网络分析仪VNA用于测量射频 / 微波电网络、元器件的网络参数。内置激励源向被测件发射已知信号采集反射与传输信号同时获取幅度与相位信息测量 S 参数、回波损耗、插入损耗、阻抗、群时延等指标可完成频域扫频、时域故障定位、功率扫描非线性测试用于天线、滤波器、放大器、线缆等射频器件的研发、验证与生产测试。核心功能测射频 / 微波电气网络器件电路特性核心测量参数S 参数S11、S22、S21、S12同时得到幅度 相位反射类回波损耗、电压驻波比 VSWR、阻抗传输类插入损耗、增益、隔离度、群时延拓展功率扫描测 1dB 压缩点时域模式定位线缆 / 接头阻抗不连续故障被测器件无源器件滤波器、电缆、连接器、天线、功分器、耦合器有源器件射频放大器、混频器、射频开关PCB 高速走线、光模块、封装、传输线应用领域无线通信、雷达、航空航天、车载射频、高速数字、卫星、物联网射频硬件研发、验证、产线测试、故障排查2. 网络分析仪工作原理VNA内置激励源 Source 多路接收机 Receivers输出已知射频激励信号对比被测件 DUT 的反射信号和传输信号算出幅度相位送到电脑 / 显示屏输出结果。激励源生成已知测试信号接收机用来检测被测件DUT对这个激励信号产生的改变1. Source 激励源产生已知的激励信号Input Signal送入被测件 DUT2. 信号进入 DUT 后分为两路Reflected Signal 反射信号在 DUT 输入端反射回来的信号用于反射测量 S11/S22Output Signal 输出信号穿过 DUT 从另一端输出的传输信号用于传输测量 S21/S123. Receivers 接收机同时采集反射信号、传输信号将采集到的信号和原始激励信号做对比计算幅度与相位4. PC Display数据交给内置 / 外接电脑处理在屏幕绘制曲线输出 S 参数结果3. 网络分析仪关键指标在选择 VNA 时需要考虑多项参数。VNA 指标繁多但4 个核心顶层指标用来指导选型频率范围、动态范围、迹线噪声、测量速度。指标定义选型要点典型数值 / 单位影响场景频率范围Frequency Range仪器可扫频测量的最低最高频率区间最首要、最关键指标兼顾当前需求 未来扩展有源器件需测谐波基频 2~5 倍最高频率越高成本越高视型号而定覆盖所有 DUT 工作频率动态范围Dynamic Range指定频率下可测最大到最小信号的衰减范围被测件最大衰减需比仪器动态范围小 3~6dB预留余量常规约120dB高衰减器件测试迹线噪声Trace Noise仪器自身产生并叠加到结果的随机噪声决定微小信号测量精度单位毫 dB0.001dB滤波器通带纹波测量测量速度Measurement Speed完成一次完整扫频测量所需时间大批量产线测试非常关键研发 / 小批量场景不敏感单次扫频耗时手机元器件等产线效率4. VNA 网络分析仪 vs 频谱分析仪SA对比VNA 和频谱分析仪是射频测试最常用的两类仪器很多工程师容易混淆。频谱分析仪 SA测信号本身看频谱、功率、调制质量适合未知信号、数字调制信号WiFi/LTE。网络分析仪 VNA测器件特性给器件输入已知激励测器件对信号的反射 / 传输S 参数幅度 相位用来表征器件本身性能。网络分析仪 VNA频谱分析仪 Spectrum Analyzer内置激励源 Source 接收机 Receiver只有接收机无内置激励源使用已知激励信号known stimulus测量未知信号 unknown signals2 通道或更多通道单通道比值测量Ratioed measurements非比值测量No ratioed measurements高级校准测量精度更高校准能力有限精度更低适合模拟、脉冲信号擅长数字调制信号WiFi、LTE5. S参数测量概述在高频场景下直接测量电流、电压通常十分困难因此改用散射参数S 参数进行测量。S 参数用于表征射频器件 / 器件网络的电气特性与性能和增益、损耗、反射系数这些大家熟悉的测量指标直接相关。1. 外部视角Outside ViewVNA 一般具备 2 个或更多端口直接或通过线缆、转接器连接到 DUT2. 内部视角Inside View分析多端口网络特性的通用方法将入射波作为激励测量各端口出射波出射波包含端口反射回来的波以及传输到其他端口的波。入射波 incident waves进入网络 / DUT 的波记为an反射波 reflected waves从网络 / DUT 端口出来的波记为bn用入射波a和反射 / 出射波b可以用方程组描述线性网络 DUT。用来表征网络的常数就是S 参数。S 参数中文名称测量工况比值公式物理含义S11端口 1 反射系数正向Port1 发射激励a1Port2 接匹配负载a20b1/a1端口 1 入射波被端口 1 反射回来的比例S21正向传输系数同上正向测量b2/a1信号从端口 1 穿入、从端口 2 输出的传输比例S22端口 2 反射系数反向Port2 发射激励a2Port1 接匹配负载a10b2/a2端口 2 入射波被端口 2 反射回来的比例S12反向传输系数同上反向测量b1/a2信号从端口 2 穿入、从端口 1 输出的反向传输比例6. 网络分析仪校准6.1. VNA校准技术在射频微波测试仪器当中VNA 拥有独特的校准机制。VNA 和其他射频仪器一样出厂就完成出厂校准通常需要每年年检保证仪器工作正常。项目Factory Calibration出厂校准User Calibration用户校准参考平面VNA 端口接头Port1/Port2 连接器端面延伸至 DUT 输入端扣除线缆、转接器覆盖范围仪器本体保证端口输出信号指标、输入信号采集准确扣除线缆、转接器、测试夹具带来的误差核心作用保证 VNA 仪器本身硬件指标达标矢量误差修正只保留 DUT 本身真实性能特点出厂完成定期年检类似带跟踪源频谱仪出厂校准测试前用户执行VNA 独有能力大幅提升测量精度6.2. 校准方法VNA 一共有四种常用用户校准方法分别是响应校准、二端口单路径校准、二端口双路径校准、电子校准 (ECal)。校准方法可测 S 参数特点优缺点适用场景Response响应校准S11 或 S21/S22Simple, fast, less accurate优点简单快速缺点精度低只需要单参数粗略测量反射 / 传输单项测试2-port One Path二端口单路径校准S11、S21Accurate, less connections, limited s-par优点精度较高校准连接次数少缺点不能测 S12、S22S 参数不全只需正向 S 参数S11、S21不需要反向参数2-port Two Path二端口双路径校准SOLTS11,S21,S12,S22Accurate, many connections, full s-par优点全套 4 个 S 参数精度高缺点需要多次连接操作繁琐容易引入人为操作误差二端口全参数测试无源器件、放大器等完整表征ElectronicECal 电子校准S11,S21,S12,S22Simple, fast, accurate, expensive优点一次连接完成校准精度高减少人为接线错误缺点成本昂贵研发高精度测量、频繁切换测试场景6.3. 校准标准件最常用的校准套件叫做 SOLT分别是短路 Short、开路 Open、50Ω 精密负载 Load、直通 Thru。 校准件的接头型号、公母性别最好和被测件 DUT 完全一致校准时和测量时只更换校准件与被测件接头不变。现实世界不存在理想完美的校准件短路件会自带寄生电感开路件会产生边缘杂散电容。VNA 内部存储这套校准套件的模型数据自动补偿这些固有缺陷。不同套件的模型和 VNA 工作频率相关部分套件公头、母头模型参数不一样校准前需要在仪器界面选择接头性别。标准件全称作用备注Short短路件端口短路获取反射基准实际存在寄生电感VNA 内置模型补偿Open开路件端口开路获取反射基准实际存在寄生电容VNA 内置模型补偿Load负载50Ω匹配负载吸收信号无反射精密 50Ω 标准负载Thru直通件两个端口直接相连获取传输基准Port1 直连 Port2