雷达天线系统中的测量仪器（一）

本文摘要：（由ai生成）

网络分析仪是射频器件表征的关键工具，能测量器件对射频信号的响应，包括幅度和相位。其核心构成包括信号端口、分离模块、接收器检测器、处理器和显示器。为提高测量准确性，需进行校准，如TRL和SOLT方法。选择仪器时，可考虑国产如电科思仪、成都玖锦等，或国外如是德科技的产品。网络分析仪广泛应用于功率传输条件测试、高频器件表征以及全面表征二端口器件的电气特性，通过测量S参数预测系统性能。

网络分析仪

网络分析仪可用于表征射频（RF）器件。尽管最初只是测量 S 参数，但为了优于被测器件，现在的网络分析仪已经高度集成，并且非常先进。射频电路需要独特的测试方法。在高频内很难直接测量电压和电流，因此在测量高频器件时，必须通过它们对射频信号的响应情况来对其进行表征。网络分析仪可将已知信号发送到器件、然后对输入信号和输出信号进行定比测量，以此来实现对器件的表征。

早期的网络分析仪只测量幅度。这些标量网络分析仪可以测量回波损耗、增益、驻波比，以及执行其他一些基于幅度的测量。现如今，大多数网络分析仪都是矢量网络分析仪——可以同时测量幅度和相位。矢量网络分析仪是用途极广的一类仪器，它们可以表征 S 参数、匹配复数阻抗、以及进行时域测量等。

标量和矢量网络分析仪

1.网络分析仪的系统构成

网络分析仪的接收端可以测量入射、反射和传输的信号，以便计算正向 S 参数。下图显示了 VNA 的最基本模块，包括信号端口、信号分离模块、接收器检测器，最后是处理器和显示器。实际的 VNA 都会复杂得多，但包含这些基本的构建块。

处理器和显示器充当人机界面，以所需的方式显示结果，包括史密斯圆图、笛卡尔格式、实值和虚值。矢量网络分析仪最常见的输出是史密斯图格式。

信号源为射频网络提供激励。这些振荡器包含在 VNA 中，能够扫描测试仪器的频率范围。

接收器和检测器：网络分析仪的这一模块接收来自信号分离器的信号，并根据反射波和透射波与入射波相比对其进行处理。这些结果被传递到处理器和显示器中。

端口直接连接到被测设备的端口。它们通常有两个连接到 DUT 的连接，一个在输入端，一个在输出端。某些 VNA 可能具有更多端口，可用于多个连接的系统。

2.网络分析仪的关键技术指标

矢量网络分析仪既是信号发生器又是接收机，因此它们有大量非常必要的技术指标。

最大频率

VNA 的最大频率是指其能够测量的最高频率。网络分析仪的接收端带有模数转换器（ADC），它可将输入信号转换为数字格式。然后，即可对这些信号进行分析和显示。但是 ADC 不具备在射频范围转换信号的能力，因此入射信号必须下变频到它的工作频率。这个工作频率称为中频（IF）。

动态范围

动态范围是指能够测量元器件响应的功率范围。下图显示了定义动态范围的两种不同方式。系统动态范围是指在不采用升压放大器、不考虑被测器件增益时的仪器功能。仪器的最大源功率是指它的最大功率电平，即 Pref。接收机动态范围是指采用功率放大时的仪器动态范围。与将源功率作为最大功率电平不同，这个技术指标以仪器的接收端能够测量的最大功率 Pmax 为基础。

动态范围说明

输出功率反映的是 VNA 的信号发生器和测试仪可将多少功率发射入被测器件。用dBm表示，参考值为 50Ω 阻抗，以便匹配大多数射频传输线的特征阻抗。高输出功率对于提升测量的信噪比或确定被测器件的压缩限制非常有用。很多有源器件，例如放大器，都需要进行极富挑战性的超出网络分析仪功率极限的线性和非线性高功率测量。

迹线噪声

3.网络分析仪的校准

射频测量极其敏感。测试电缆、连接器和夹具都会影响测量。我们要表征的是被测器件，而不是被测器件与网络分析仪之间的电缆。在默认情况下，网络分析仪会把测试端口之外的一切都视为被测器件。这就意味着网络分析仪的参考平面就在测试端口上。超出参考平面的一切都会包含在测量中。

匹配负载：VNA 校准套件中的匹配负载提供精确的宽带阻抗。阻抗将与系统的特征阻抗相同 - 几乎始终为 50Ω。有几种方法可以实现这一点，但一种方法是将内部导体端接到电阻涂层基板中。然后，可以通过使用激光在基板上打孔来调整实际电阻。

直通线：矢量网络分析仪校准套件中使用的另一种主要附件类型是直通连接。这是一个双端口标准，它允许直接连接两个测试端口。这种类型的附件旨在提供最小的损耗和相对较短的长度。损耗和长度通常包含在提供给分析仪本身的特性范围内。如果需要，可以准确确定并手动提供。

用户校准是使用射频网络分析仪不可或缺的一部分。通过确保系统得到正确校准，可以消除与被测设备的连接所产生的不确定性。如果没有用户对矢量网络分析仪的校准，引线的长度和设备支架的特性等全部进入系统，被测设备的实际特性就会丢失。

在传统上，执行校准时会使用机械标准件。操作员需要单独进行每个连接，然后利用仪器执行测量。一次全双端口校准需要七次机械连接。这个过程非常耗时，并且可能会产生人为错误。电子校准件仅需一次连接，便可通过电气

4.网络分析仪的选择

国产仪器

根据频率范围划分，在本体支持频率超过20G的网络分析仪有电科思仪的3674系列和3672系列等。此外成都玖锦的VNA5000A和VNA1000A系列以及鼎阳科技的SNA5000A系列。（资料来源：前瞻产业研究院）

国外仪器

国外仪器基本选用是德科技，目前是德科技提供了经济适用型的E频段网络分析仪系统、ENA矢量网络分析、FieldFox手持射频与微波分析仪、PNA矢量网络分析仪、PXI矢量网络分析仪以及精简系列USB矢量网络分析仪等不同系列的仪器选择。比如N5291APNA Millimeter-wave System, 频率范围为900 Hz to 120 GHz。

N5253E3 2-port E-Band VNA 

S95560BMillimeter-wave Operation with Frequency Extenders for M980xA PXI VNA

附录A：

假设源电阻为 RS，负载电阻为RL，为了将最大功率传送到负载，两个器件之间的连接必 须满足理想的匹配条件。无论激励是直流电压源还是射频正弦波源，只要 RL = RS，就能实现这一条件。如果源阻抗不是纯电阻，那么，只有当负载阻抗等于源阻抗的复数共轭时，才能实现最大 功率传送。通过对阻抗虚部取反号，可以满足这一条件。例如，若 RS = 0.6 + j 0.3，则复 数共轭为 RS* = 0.6 – j 0.3。使用高频传输线的主要原因之一是需要高效率地传送功率。如果频率很低（波长非常长），那么简单的导线便足够传导功率。导线的电阻相当小，对低频信号的影响也很小。无论 在导线上何处进行测量，得到的电压和电流值均相同。

功率传送

在较高频率上，波长与高频电路中导体的长度相当或者更小，而可以认为功率是以行波方式传输的。当传输线以其特性阻抗端接时，传送至负载的功率最大。若端接负载与特性阻抗不相等，则未被负载吸收的那部分信号将被反射回信号源。若传输线的端接负载等于其特性阻抗，则所传输的功率均被负载所吸收，不会产生任何反射信号（见下图）。观察射频信号包络随传输线距离的变化，结果未发现任何驻波，这是 因为没有反射，能量只朝一个方向流动。

短路、开路端接的传输线

高频器件表征的常用术语

回波损耗是以对数形式(dB) 表示反射系数的一种方法。回波损耗是反射信号低于入射信号的dB 数。回波损耗总是为正数，介于无限大（使用特性阻抗负载端接）和 0 dB（开路或短路端接）之间。另一个表示反射的常用术语是电压驻波比 (VSRW)，它定义为射频包络的最大值与最小值之比。它等于 (1 + r)/(1 – r)。VSWR 的数值范围为 1（无反射）到 无限大（全反射）。

传输系数的定义为总发射电压除以入射电压（见下图）。若发射电压的绝对值大于入射电压 的绝对值，则意味着被测器件或系统有增益。若发射电压的绝对值小于入射电压的绝对值，则意味着被测器件或系统有衰减或插入损耗。传输系数的相位部分称为插入相位。

线性相位偏移

群延时

H、Y 和 Z 参数的局限性（为什么使用 S 参数）

测量 S 参数

在输出端接入精确等于测试系统特性阻抗的负载后，可以通过测量入射信号、反射信号和传输信号的幅度与相位来确定正向 S 参数。如果是简单的两端口网络，则 S11等效于被测 器件的输入复反射系数或阻抗，而 S21 则是正向复传输系数。将信号源置于被测器件的 输出端口并用理想负载端接输入端口，便能测量另外两个（反向）S 参数。参数 S22 等效于 被测器件的输出复反射系数或输出阻抗，而 S12 则是反向复传输系数（图见上图）。