一文读懂 VNA 进阶测试

在无线世界中，射频组件测试的需求是将产品推向市场的关键因素之一。设备越来越小，包含的组件越来越复杂。运用阻抗(或导纳)和反射/传输参数的理论知识，可以使射频设备的性能达到最佳。滤波器、谐振器等射频元件所用到的电容和电感值可以通过理论计算来获得，借助仿真软件微调元件的属性值来优化整体设计，但是最终射频元件的性能还需要通过实际测量来评估。

相比于标量网络分析仪来说，矢量网络分析仪（VNA）不仅可以测量幅度和频率等标量信息，还可以测试相位等更加全面的系统特征值。

反射测量是确定复杂系统(如无线通信系统)性能的关键，反射系数指反射波电压与入射波电压的比值。进行反射测量最优的方式之一是Smith圆图，因为它所含信息最多，比如:

• 复阻抗信息、电感/容抗匹配情况以及补偿方式

• 复反射系数

• 电容或电感的实际影响

• 频率范围的影响及频率响应

• 射频组件的Q因子

在RSAxN中，史密斯圆图可以显示阻抗或导纳圆图。图1是一个通用的Smith圆图。“通用”是指它可以用于每个系统阻抗。但最终实际复阻抗的计算须在测量完成后进行。在RSAxN中，可以通过标记和测量阻抗值来表征转换后的值。

Smith圆图和极坐标图是分析特定频段上复阻抗和反射系数的有效工具，其主要目的是做高频电路的阻抗匹配。阻抗表示电路对电信号的阻碍能力，由矢量（复数）表征：实部表示电阻值，虚部表示电抗值（包括容抗和感抗）。在Smith圆图中，上半部分表示电路偏感性，即虚部是正值；下半部分表示电路偏容性，即虚部是负值；中间的水平分界线表示电路为纯阻性，即阻抗的虚部为0，最左侧为短路点（阻抗为0），最右侧为开路点（阻抗为无穷大），正中心是阻抗匹配点，此时电路处于最佳状态。

▲图1: 阻抗区域的Smith圆图概述，以50 Ω为例

如下，以对50欧网络的输入端口测试为例，Smith圆图可以显示复数网络中不同的可能性。

▲图2：DUT中心频率测量及阻抗匹配

如图2，我们的实测结果对应Smith圆图的A点（First measurement）。对该端口先串联30欧的电阻我们可以让测试结果到达B点然后再串联27欧的感抗，即可实现在指定频点的50欧匹配C点。但现实问题是，27欧感抗对应的67pH电感值非常小，很难实现，且独立的电感元件适应频率范围也不够高，所以对于更高的频率，需要使用其他方法，如微带传输线，用短截线来补偿-j27欧（短路短截线的长度: I = 0.078λ，开路短截线的长度: I = 0.328 λ）。对于短截线，需要介电常数来评估正确的波长。

除了通过Smith圆图来直观进行阻抗匹配计算，VNA还可以在频率范围内换算成回波损耗和电压驻波比VSWR

▲图3：S11参数测量的四种显示方式：Smith圆图、极坐标图、对数幅度-频率、SWR

信号通过滤波器、放大器等组件传输时，都会有延时现象。如果宽带信号经过组件，不同频率信号的群时延不同，会引起信号的非线性变化，即导致信号失真，这不是我们所希望的结果。如果群时延在频率范围内是恒定的，那么所有频率分量将有相同的相位偏差，在这种情况下，理想系统将没有失真，群时延将是一个恒定值。

群时延计算如下：

▲图4：对数幅度-频率、SWR、相位-频率、群时延

S21参数可以表征在指定频率范围内的插入损耗，在经过一个完整的校准后可以进行高精度的测量。频率响应的测量功能可以用于测量滤波器（见图5）或放大器的带宽。

▲图5：S11 SWR测量（左）、S21插入损耗（对数刻度）测量（右）

类似于S11测量，也可以用RSAxN测量S21的相位、插入损耗和群延迟（见图6）。

▲图6：插入损耗(绿色)、相位(蓝色)和群延迟 (粉色)的S21测量

DTF是S11测量的扩展应用，是为了定位线缆故障的距离，在频域中测量被测电缆的反射。DTF首先通过比较反射信号和跟踪源创建的参考信号来确定频段范围内的反射向量，然后执行快速傅里叶逆变换（IFFT）。结合线缆模型的特征，就能够快速确定反射传播的距离，准确定位线缆中的故障点。为了进一步提高准确性，DTF的算法中还考虑补偿了传输过程中发生的衰减损耗。

图7显示了DUT的频率范围(S11)和DTF测量结果(两根线缆之间有连接器，末端匹配50 Ω)。在S11的一定频率范围内测量显示时，故障点只能被粗略地捕捉。但在DTF中，很容易得到故障点的精确距离。

▲图7：S11对数数量级（左）、相同组件的DTF时间视图（右）

精确测量的前提是校准。校准可以将系统误差最小化，从而得到更准确的测量结果。

S11/DTF校准

D =方向性误差：来自定向耦合器的非理性特性

Ms=源匹配误差:来自VNA信号源的阻抗失配

TR= 跟踪误差:来自于用于信号分离器件(如定向耦合器)、混频器和内部检测器的元器件的频率响应。以下是一个单端口测量的误差模型极其公式:

▲图8：单端口测量的误差模型

负载校准：使用50Ω阻抗[负载]时，S11A为0，S11M = D（测量定向耦合器的方向性误差）。VNA可将校准后的频率范围内的方向性误差[D]降至最低。校准后，RSA5000N的方向性误差约为-40dB。

短路/开路校准：从DUT的角度看，源[Ms]不匹配，这会在DUT与系统之间形成反射环路。当DUT显示不匹配时，可以看到此误差。此外，连接器、电缆、内部耦合器、检测器导致频率响应误差[TR]。在开路（ S11A= 1）和短路（ S11A= 1）校准下，将产生两个含有因子 Ms和 TR的方程式。

开路/负载/短路和直通校准件应该是理想的，例如短路反射系数 = 1，但实际不是。例如，开路包含杂散电容，短路则包含电感。RIGOL的校准套件CK106A（DC – 6.5 GHz）和CK106E（DC – 1.5 GHz）补偿参数已经集成到RSAxN版本中，可以进行精确的校准。如果使用其它校准套件，则需要根据所使用的校准套件参数自定义。

▲图9：带通滤波器的测量：端口末校准测量（细线）和直通校准后测量（粗线）

对于DTF测量，需要综合电缆的速度因数（例如70％→0.7）和电缆损耗，以提高测量的准确性。

S21校准

对于S21(传输系数)测量，需要进行直通校准以获得平坦的幅频响应曲线。图10显示了校准前后的曲线。

▲图10：带通滤波器的S21测量：未直通准测量（细线）和直通校准后测量（粗线）

常规的矢量网络分析仪价格非常昂贵，而且体积一般较大，不便于系统搭建和操作。由RIGOL研发的RSA5000N/3000N系列频谱分析仪，搭配VNA功能模式，可以提供给您最具性价比的矢量网络分析解决方案。我们根据您的需要，配备了高性能和经济性两款设备，为您最大可能的优化成本配置，供您在技术研究、生产制造、教育教学等多种途径中灵活选择。

RSA5032N频谱分析仪