VNA模式揭秘
VNA模式揭秘
1. 简介
1.1. 什么是矢量网络分析？
频谱分析仪对射频工程师来说并不陌生，它是频域分析时最基本的测试仪器，主要功 能是分析频域里输入信号的频谱特性。那什么是网络分析仪呢？网络分析仪也是射频 领域的常用仪器，却因为昂贵的价格和复杂的设计并不为人熟知。今天我们就来揭开面纱，——RIGOL RSA频谱仪的矢量网络分析模式，提供最具性 价比的矢量网络分析解决方案，将解决你的诸多测量问题！
RIGOL RSA 系列带 VNA 功能的频谱仪
“网络分析仪(Network Analyzer)”这一名字被提出的时候,还没有计算机网络，所以网络分析仪所指的网络并非现在流行的计算机网络，而是指一组内部相互关联的电子元器件。网络分析仪的功能之一就是：量化两个射频元件间的阻抗不匹配，最大限度地 提高功率效率和信号的完整性。每当射频信号由一个元件进入另一个元件时，总会有 一部分信号被反射，另一部分被传输。通过定义反射系数和传输系数，我们可以更深入地了解被测器件（DUT）的性能。网络分析仪能对被测量器件的线性和非线性特性进行表征，如放大器、混频器、滤波器、衰减器等。网络分析仪这种对被测器件端口的输入特性以及从一个端口到其它端口的转移特性进行测量的能力，为设计人员在对 大型系统配置元器件时提供充分的依据。
1.2. VNA 能用来做什么？
网络分析仪分为标量网络分析仪（Scalar Network Analyzer）和矢量网络分析仪（Vector Network Analyzer，VNA）两种。标量网络分析仪只测量两个波量的幅度差；矢量网络 分析仪实现起来更加复杂，它既能测量各波量的幅度，又能测量各波量的相位；矢量网络分析仪还具有以下优势：
可以进行全系统误差校正，以最大可能的精确度补偿测试仪器的系统测量误差；
矢量测量数据可以准确地变换到时域，提供更多进一步处理数据的途径。
2.VNA 的基本原理和应用
2.1. VNA 的基本原理
传统的频谱分析仪和跟踪源配合，只能进行标量网络分析，测量S参数的幅度部分。RIGOL RSA系列频谱仪采用内部VSWR桥的独特设计，配置内置跟踪源，可以同时 扫描幅度和相位，实现单端口的矢量网络分析（VNA）功能。通过此设计，RSA频谱仪的VNA模式可以实现对元器件、电路网络的 S11、S21以及故障点定位的测量，通过史密斯圆图、极坐标等多种显示更精确地表征被测件的网络特性。
VNA 可以在设定频段范围内进行测量，确定测量网络的微波特性，并以扫频方式给出各散射参数的幅度、相位频率特性。同时，VNA能对测量结果逐点进行误差修正，并换算出其他多种网络参数，如反射系数、电压驻波比、阻抗（或导纳）、衰减（或增益）、 相移和群时延等信息。
VNA 基本原理示意图
2.2. VNA 的应用
RSA 系列频谱分析仪的 VNA 功能，提供了多种测量方式，如 S11、S21、DTF（Distance to Fault）；对于每次测量，都可以选择多种显示类型，以不同的角度呈现测量结果， 如史密斯圆图、极坐标、回波损耗、SWR、群时延等。
2.2.1. 反射测量 S11
S11可以用于针对电子元器件（如滤波器）或电路网络（如天线）的阻抗匹配调试。阻抗匹配是射频电路系统中重要的指标，用于调整传输带宽和平衡功率传输。输入端阻抗匹配时，传输线获得最大功率；在输出端阻抗匹配的情况下，传输线上只有向终端行进的电压波和电流波，携带的能量全部为负载所吸收。因而，对电路系统进行S11测试，是非常重要的测试手段。
2.2.2. 传输测量 S21
测量电路系统的增益、插入损耗、衰减等指标，最常用的就是表征传输的 S21 参数。S21是测量正向方向（从端口 1 到端口 2）通过DUT的激励信号量，它是显示DUT造成多少损耗或增益的指标。测量结果生成的迹线，显示的是在选择的频段范围内， 在RF输入处测得的功率与激励信号之比。
2.2.3. 故障定位测量 DTF
DTF 故障点定位功能，用来定位通信系统或其他电路网络中可能出现故障的确切位置。 例如在通信系统中，传输线故障是最频繁发生的，如线缆折断、连接器松动、年久老化、线路腐蚀等，甚至于在线缆生产制造过程中的材质差异、凹坑裂纹等很难用肉眼观察的情况，利用DTF都能够快速的定位故障位置。
使用DTF可以及早发现线路的 问题隐患，及早处理，很大程度上避免通信中断事故的发生，降低事故处理的影响和成本。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。
2.2.4. 显示类型
对于不同的测量功能，您可以选择多种测量显示方式，更直观的呈现测试结果。RIGOL RSA 系列频谱仪的 VNA 模式，支持以下测量结果显示类型：
对数/线性幅度：显示 DUT 的幅度特性。Y 轴表示测量结果的对数（dB）/线性幅度，X 轴表示选定 的频率范围。可用于 S11 测量、S21 测量和 DTF 测量。
相位：显示 DUT 的相位特性。Y 轴线性以度为单位显示相位，X 轴表示选定的频率范围。 可用于 S11 测量、S21 测量。
群时延：迹线结果代表信号经过 DUT 的传输时延。可用于 S11 测量、S21 测量。
史密斯圆图：以史密斯圆图显示测量结果。史密斯圆图是主要显示DUT的阻抗或反射特性的圆形图。可用于S11测量。史密斯圆图形式允许用户选择以下任一种数据组作为 Maker 的显示结果。
—线性/相位—对数/相位—实部/虚部—R+jX—G+jBl极坐标迹线到极坐标原点的距离代表测量结果的幅度，迹线与原点相连直线和X正半轴 的夹角代表测量结果的相位。可用于S11测量。极坐标形式允许用户选择以下任一种数据组作为 Maker 的显示结果。 —线性/相位—对数/相位—实部/虚部l驻波比显示DUT的（电压）驻波比。SWR 是在输电线路中出现的最大电压与最小电压之比。它是DUT输入端反射功率的量度。 Y轴的对数显示 SWR（无单位）, X轴代表选定的频率范围。可用于S11测量和DTF测量。
回波损耗
显示反射功率的大小（回波损耗）。Y 轴显示以 dB 为单位的回波损耗，X 轴表示选 定的频率范围。可用于 S11 测量和 DTF 测量。
VNA 多种测量结果显示类型
3. VAN 测量步骤
下面以 RIGOL RSA5000N 系列频谱分析仪为例，介绍一下VNA的使用方法。
3.1. 反射测量 S11
3.1.1. 进入 VNA 模式
通过Mode按键选择进入VNA模式，进入VNA模式后，通过Meas键选择SII测量模式。
3.1.2. 设置测量参数
连接DUT，设置频率、扫宽、扫描点数等参数。参数的设置同传统频谱仪一致，进入相应菜单设置即可。
3.1.3. 选择迹线结果显示方式
在Trace-Format菜单下，选择需要的测量结果呈现形式。
3.1.4. 执行校准
依次接入开路校准件，短路校准件、匹配校准进行校准修正，并执行使校准数据生效。
S11设置界面
校准后，开始实际测量。
3.1.5. 查看 S11 测量结果
S11 测量结果如下图所示：
S11 测量结果
3.2. 传输测量 S21
3.2.1. 进入 VNA 模式
Mode按键选择进入VNA模式，进入VNA模式后，通过Meas键选择测量模式。
3.2.2. 设置测量参数
连接DUT，设置频率、扫宽、扫描点数等参数。参数的设置同传统频谱仪一致，进入相应菜单设置即可。
3.2.3. 选择迹线结果显示方式
在Trace-Format菜单下，选择需要的测量结果呈现形式。
3.2.4. 执行校准
接入直通校准件进行校准修正，并执行Done操作，使校准数据生效。
S21 设置界面
校准后，开始实际测量。
3.2.5. 查看 S21 测量结果
S21 测量结果如下图所示：
S21 测量结果
3.3故障定位测量DTG
3.3.1进入VNA模式
通过Mode按键选择进入VNA模式，进入VNA模式后，通过Meas键选择SII测量模式。
3.3.2. 设置测量参数
连接DUT，设置频率、扫宽、扫描点数等参数。参数的设置同传统频谱仪一致，进入相应菜单设置即可。
3.3.3. 设置线缆相关参数
线缆需要设置：
终止距离的显示单位：米或英尺
故障定点分析的距离分辨率和最大终止分析距离
待测线缆对于真空中光速的速度因子，请确保待测电缆的速度因子符合实 际，否则测量得到的定位点位置误差较大
待测电缆的损耗。线缆损耗用来补偿激励信号在电缆不同位置上的衰减。
3.3.4. 选择迹线结果显示方式
在Trace-Format菜单下，选择需要的测量结果呈现形式。
3.3.5. 执行校准
依次接入开路校准件、短路校准件、匹配校准件进行校准修正，并执行Done操作，使校准数据生效。
DTF设置界面
校准后，开始实际测量。
3.3.6. 查看 DTF 测量结果
DTF 测量结果如下图所示：
DTF 测量结果
4. 总结
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RSA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。目前支持VNA功能的RIGOL频谱仪如下。
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