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微波網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA原理詳解：電磁波測(cè)量基礎(chǔ)

來(lái)源：時(shí)間：2024-08-21 10:41:51 瀏覽：4354次

微波網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA原理詳解：電磁波測(cè)量基礎(chǔ)

微波網(wǎng)絡(luò)分析儀（Vector Network Analyzer，簡(jiǎn)稱VNA）是一種用于測(cè)試和測(cè)量微波頻段元件和網(wǎng)絡(luò)特性的電子測(cè)試設(shè)備。

一、電磁波

電磁波是由電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互垂直并相互依賴振蕩傳播的波動(dòng)現(xiàn)象，在微波頻段，電磁波的頻率范圍大約在1 GHz到300 GHz之間；微波元件和網(wǎng)絡(luò)的特性測(cè)量，本質(zhì)上是對(duì)電磁波的反射、傳輸、衰減和相位變化的量化分析。

二、工作原理

VNA的核心功能是測(cè)量微波元件的S參數(shù)（散射參數(shù)），這些參數(shù)全面描述了網(wǎng)絡(luò)在微波頻段的性能；S參數(shù)包括S11（反射系數(shù)）、S21（傳輸系數(shù)）等，它們分別表示輸入和輸出端口處的反射和傳輸特性。

1. 雙端口網(wǎng)絡(luò)測(cè)量：VNA通常采用雙端口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)量；測(cè)量時(shí)，一個(gè)端口作為激勵(lì)源，另一個(gè)端口作為響應(yīng)接收器。

2. 頻率掃描：VNA通過(guò)內(nèi)置的信號(hào)源發(fā)出連續(xù)變化的頻率信號(hào)，這個(gè)信號(hào)通過(guò)待測(cè)網(wǎng)絡(luò)（DUT），然后由接收器捕獲反射和傳輸?shù)男盘?hào)。

3. 矢量分析：VNA不僅測(cè)量信號(hào)的幅度，還測(cè)量信號(hào)的相位，因此稱為“矢量”網(wǎng)絡(luò)分析儀；通過(guò)矢量分析，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出S參數(shù)。

三、測(cè)量過(guò)程

a. 激勵(lì)源：VNA內(nèi)置的信號(hào)源產(chǎn)生一個(gè)已知頻率和幅度的信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)一個(gè)定向耦合器部分地發(fā)送到待測(cè)件的一個(gè)端口。

b. 反射和傳輸測(cè)量：反射測(cè)量：信號(hào)源發(fā)出的部分信號(hào)被待測(cè)件的輸入端口反射回來(lái)，通過(guò)定向耦合器被VNA的接收路徑捕獲，用于計(jì)算S11。

傳輸測(cè)量：信號(hào)通過(guò)待測(cè)件后，從另一個(gè)端口輸出，這部分信號(hào)同樣通過(guò)另一個(gè)定向耦合器被接收器捕獲，用于計(jì)算S21。

c. 信號(hào)處理：接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波和下變頻處理，轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)，然后通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

d. S參數(shù)計(jì)算：DSP單元根據(jù)接收到的信號(hào)的幅度和相位信息，計(jì)算出S參數(shù)；這些參數(shù)隨后被顯示在VNA的屏幕上，或者存儲(chǔ)起來(lái)以供后續(xù)分析。

四、關(guān)鍵技術(shù)和性能指標(biāo)

1. 精度和穩(wěn)定性：VNA的精度和穩(wěn)定性取決于其內(nèi)部校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性；通常，VNA會(huì)使用開(kāi)路、短路和負(fù)載等校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2. 動(dòng)態(tài)范圍：動(dòng)態(tài)范圍是指VNA能夠同時(shí)測(cè)量非常小的反射系數(shù)（如-60 dB）和非常大的傳輸系數(shù)（如0 dB）的能力；一個(gè)高的動(dòng)態(tài)范圍意味著更好的測(cè)量分辨率。

3. 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)：系統(tǒng)動(dòng)態(tài)是指VNA在整個(gè)頻率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定測(cè)量性能的能力；這包括線性度、相位穩(wěn)定性等。

五、應(yīng)用

VNA廣泛應(yīng)用于微波電路、天線、濾波器、傳輸線等的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中；它們對(duì)于確保微波系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。

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