矢量网络分析仪理论与架构总结

2.1 引言

• 核心功能：向量网络分析仪（VNA）通过测量传输和反射电压比来获取网络的S参数。
• 基本原理：当入射电压波施加于被测器件（DUT）时，部分信号会透射，部分会因阻抗不匹配而反射。S参数即为入射波与透射/反射波电压的比值。
• S参数定义：单个S参数元素 $S_{ij}$ 定义为在端口j驱动、其他端口（k≠j）接匹配负载时，端口i的出射波 $b_i$ 与端口j的入射波 $a_j$ 的比值。
• 双端口器件：由4个S参数描述：2个反射系数（$S_{11}, S_{22}$）和2个传输系数（$S_{12}, S_{21}$）。其中，$S_{11}$ 和 $S_{22}$ 是反射系数，$S_{12}$ 和 $S_{21}$ 是传输系数。
• 测量状态：VNA通过一个开关在“正向”（Port 1驱动）和“反向”（Port 2驱动）两种状态下分别测量S参数。

2.2 VNA工作原理

• 历史背景：20世纪60年代末，Hewlett Packard发明了第一台自动网络分析仪8410，革新了网络分析。
• 核心目标：VNA旨在测量S参数，即简单的信号比值，因此无需直接测量构成这些比值的离散信号，只需测量能产生相同比值的代表性信号片段即可。
• 系统组成：VNA的模拟子系统可分为三个主要部分：射频（RF）源、测试夹具（Test Set）和接收器（Receivers）。
  • RF源：生成激励信号。
  • 测试夹具：分离信号路径。
  • 接收器：将采样后的信号下变频、检测并数字化。
• 测量通道：每个信号路径被称为一个测量通道，其过程称为采样。测量得到的代表波（如 $a_{1m}, b_{1m}$）称为采样波。
• 分类：S参数VNA主要分为两类：三通道和四通道分析仪。
  • 三通道：包括仅测量反射的T/R分析仪和全S参数三通道分析仪。
  • 四通道：最常见的是4/3通道混合型，可在三通道模式下运行，并可选地利用第四个通道进行定制化测量。

2.3 VNA架构

• 总体分类：VNA架构主要分为三通道和四通道两大类。
• 三通道网络分析仪
  • 结构：以图2.3所示的T/R VNA为例，其前部是“反射计”，包含两个采样器用于测量入射和反射波；第三个采样器则直接测量透射波。
  • 完整S参数：如图2.4所示的切换式三通道全S参数VNA，在测试夹具中增加了RF源开关，可实现所有S参数的测量。
• 四通道网络分析仪
  • 动机：为利用双六端口校准技术并扩展测量灵活性而开发。
  • 结构：如图2.5所示，该架构拥有四个接收器，每个端口都配备独立的混频器和采样器。
  • 优势：四通道设计提供了测量冗余性，可用于更精确的误差计算和校准标准要求。它通过测量DUT的S参数和不完美开关的特性，有效消除了开关缺陷的影响。
  • 混合型：如图2.6所示的“四采样器三接收器四通道VNA”，是商业上最普遍的四通道VNA，其特点是两个结果波始终被测量，但每次只测量一个入射波。

2.4 章节总结

• 核心要点：本章阐述了VNA的基本工作原理和各类架构。
• 关键特征：决定VNA后续章节中所用误差模型和校准类型的两个关键特征是测量通道的数量。
• 工作流程：VNA通过RF源向DUT提供激励，通过开关在正向和反向状态间切换，分离并采样入射和结果电压波，从而形成S参数测量比值。
• 数据处理：原始测量数据需通过校准进行数学修正，以消除系统性误差，最终得到经过校正的DUT S参数数据。