VNA的工作原理简述
所有的VNA架构，尽管设计的复杂度不同，但是在理论上是相似的。折中考虑成本与性能，以选择合适的VNA架构。
简略框图
下图为两种VNA架构的简略框图。
左图为Transmission/Reflection VNA简略框图，简称为T/R Test set
T/R test set包括三个接收机，REF接收机用于测量源的输入功率a1F，TEST1和TEST2分别用来测量反射信号和传输信号b1F/b2F。据此，计算出S11和S21.
若需要测试S22和S12，则需要手工更换DUT的测试方向。
在T/R VNA的架构中，test port2处的接收机，一般是直接连接到test port，而不是像REF和TEST1的接收机，接到定向耦合器的耦合端。所以该种VNA架构中的Test2接收机具有更高的灵敏度，在S21的测试上，具有更高的动态范围。
该种架构校准时，不能校准掉port2的失配误差，所以只有测试结果受port2的回波损耗的影响。
全端口S参数VNA架构
与T/R结构相比，全端口VNA架构中，在每个测试口都有RF激励，成本相对T/R架构而言高。
全端口S参数VNA架构包括4个接收机，两个REF接收机分别用于测量源的输入功率a1F/a2F，TEST1和TEST2分别用来测量反射信号和传输信号b1F/b2F。据此，计算出S11/S21/S22/S12。
各部分说明
VNA的源
VNA的源为DUT提供激励。源需要频率以及功率可调。对于普通的S参数测量，源的输出为一个单音信号；但是如果测试器件的更全面的性能的话，可能需要源输出多音或者调制信号。
一般来说指标，VNA源的最重要的指标是其的调谐速度和精度。当进行S参数测量，功率固定，源进行频率扫描；而P1dB测量时，频率固定，源进行功率扫描。
进行S参数测量时，对源输出的频谱纯度要求可以放宽。因为知道源的频率，所以VNA的接收机可以调谐到该频率上。激励源的杂散和谐波基本上不会影响矢网的测量精度。源的相噪会影响输出端的噪声，所以不能完全忽略相噪的影响。
当矢网进行非线性测量时，源的频谱特性则很重要。比如测试器件的交调特性时，其他频谱分量会影响测量结果。
信号分离部件(Signal-separation Hardware)
定向耦合器的基本指标
现代矢网中，一般使用定向耦合器或者电桥来进行入射波和反射波的分离。然后在耦合器的输出端分别接一接收机，分别测试入射波和反射波的幅度和相位。
定向耦合器的指标有：插入损耗、耦合度、隔离度、定向性。
一个高质量的定向耦合器，通常插损能小于1dB。
在典型的VNA中，定向耦合器的耦合度为10~20dB。
理想上，反射信号不应该出现在耦合端。但是由于定向耦合器的非理想隔离度，在耦合端还是会出现反射信号。
在VNA中，一般要求隔离度达到30dB~40dB，这样才能保证矢网测量的正确性。
定向性则表示定向器件分离双向信号的能力。该指标包括了插损、耦合度、隔离度的影响。
高定向性意味着高性能VNA。
差定向性带来的挑战
(1) 差的定向性误差，会造成测量误差。
举个例子：
由于定向耦合器的不理想定向性，在耦合端也会有一部分反射信号；而假设正巧，耦合至该端口的入射信号与在端口出现的反射信号同相，则两者会叠加，导致测试得到的回波损耗差于实际性能；相反，当相位反相时，两者就会抵消一部分，导致测试得到的回波损耗优于实际性能。如下图所示。
另外，耦合端口的反射信号和由于定向性误差而引入的相位，是随频率变化而变化。在很多DUT的测量结果中，差定向性则表现为波纹状曲线。
(2) 定向性会直接影响VNA的测量精度。
尽管定向性误差可以通过校准来补偿，但是差定向性仍然会影响校准的稳定性。
在校准的过程中，会将估计出来的定向性误差从测量出的初始结果中减去；而实际定向误差的小偏移，即会对最后的测试结果产生很大的影响。
当使用劣质测试电缆或者衰减器时，会增加损耗，导致这种不确定性加剧。因为损耗会对反射波进行衰减，使定向耦合器的原始定向性恶化。
如下图所示，可以看到，若将输入接有衰减器的耦合器整体看成一个定向耦合器的话，则其定向性会比不加衰减器时恶化AdB，其中A为衰减器的衰减值。
定向耦合器和定向电桥都可以作为信号分离器件。具体使用哪个，主要取决于工作频率。从设计上来讲，定向电桥比定向耦合器的插损大，但是工作频率可以低至KHz。在高频时，定向耦合器的性能要优于定向电桥，不管是从插损还是定向性来讲。
接收机
在VNA中，通过接收机将模拟信号变换为数字信号，来测试信号的幅度和相位。
如上图所示，需要有个本振信号，将射频信号变至中频，然后再用ADC进行采样。虽然采用LO的基波，我们可以得到最优的相位噪声和杂散性能。
宽带LO本振源比较贵，所以一般是将本振信号设计成方波输出，使其具有丰富的奇次谐波。然后射频信号与相应的谐波混频，产生中频信号。
然后用对中频信号进行抗混叠滤波，并用ADC对其进行采样，将其变换至数字信号。然后对其进行数字信号处理，以获得信号的幅度和相位。
然后对得到的结果，进行误差校准，并据此计算出DUT的S参数。
VNA校准
对于双端口全S参数VNA，以下三种校准方式是最常用的：
Frequency response calibration
又称为transmission normalization，是最简单的校准方式，只校准VNA的频率响应。如果,你只需要粗略地了解一下DUT的S21/S12，你可以使用这种校准方式。
但这种校准方式，不会对定向性以及失配误差进行校准。所以，该种校准方式的准确性取决于VNA本身的定向性和失配性能。
One-path,two-port calibration
即one-path,two-port forward calibration,可以进行前向S参数测量。当只需要测试S11以及S21时，这种校准方式的精度通常来说是足够的。但是这种校准方式只是部分校准，因为在校准过程中，VNA的port2并没有被完全校准。
Full S-parameter calibration
这种校准方式，S参数的四个参量都被校准过了。注意，隔离度的校准是可选的，对于大多数商业矢网来讲，这个隔离校准步骤可以省略。一般来说，只有在测试高隔离度或者高动态范围的器件时，才需要隔离度校准。
上图是未校准、response校准、两端口校准后的比较，可以看到各种校准方式对应的测试结果。
参考文献：
National Instruments,Introduction to Network Analyzer Measurements Fundamentals and Background
