网络分析仪是表征射频和微波系统中所用元器件的基础仪器。本应用指南将以元器件测量为例，对网络分析仪进行更详细的探讨。

传递函数通常使用拉普拉斯变换或频域表示更为直观，而扫频仪器（比如网络分析仪），通过扫描各种频率下的信号源和调谐接收机，可以对这些传递函数进行直接测量。

双端口测量能够清楚地表征具有单路输入和单路输出的线性系统模块，这是目前最常见的元件类型。双端口网络的结构差别很大，简单的话可能只是一段电缆，复杂的话有可能是一条完整的发射机-接收机链路。对于最简单的双端口网络，在一个端口上施加参考激励电压，而在另一个端口上记录响应，可以看出响应与扫描频率有函数关系。对于包含两个以上端口的更复杂元件，可以通过扩展进行表征。这种测量技术只需复用激励和响应端口即可轻松实现扩展。

什么叫 S参数？

散射参数，简称 S参数，是网络分析仪的工作语言。S参数能够完整地描述任何线性、非时变的元件，全面描绘该元件在其可能连接的系统中表现出的特性。散射参数包含相位信息，因此它们是复数形式的相量，同时还与频率有关。一旦知道S参数，便可以将它们转换为其他网络参数，以便进行电路设计、优化或调谐。

概述

电气端口指的是一对端子，在其两侧可以定义唯一的电压和电流，电信号或电功率可以通过它流动。电阻、电容或电感等双端子元件都是单端口器件。该元件的特征定义了端口电压与端口电流的关系，例如 V = IR 或 V = L dI/dt。我们可以将其中一个变量（例如电压）视为对元件的激励，而将其他变量（例如电流）视为元件做出的响应。因此，双端子元件的特征可以描述激励-响应的电气关系。

双端口器件或网络是最简单的电气元件，具有唯一的输入和输出。下面图 1 显示了一般的双端口网络，其中端口电压和电流变量的关系可以用更传统的电路原理表示。

图 1. 双端口网络及其传统的电路变量定义

由于变量数量增多（现在为四个），双端口网络需要更复杂的表征方法，有多种矩阵方法可以使用。一种方法是阻抗矩阵，或称为 Z 矩阵。用 Z 矩阵表示双端口网络时，可以将两个端口电流（I1 和 I2）视为独立的激励，将两个端口电压（V1 和 V2）视为由这两个激励引起的响应。如果写出来，阻抗矩阵关系就是：

激励与响应的角色颠倒一下，提供了另一种表示 — 导纳矩阵，即 Y 矩阵。

从简单的矩阵代数角度来说，阻抗矩阵和导纳矩阵互为倒数，即 Y = Z−1。其他的表示方法还有很多，每种可以选择不同的激励和响应。较为常见的表示方法有 G 矩阵、H 矩阵、T 矩阵或 ABCD 矩阵，这些是根据线性网络理论的其他路线发展而来的。

对于高频系统，用前进波可以更好地描述信号传播，此时需要修改激励和响应的选择。最好用入射到端口的波来描述激励，用从相同端口反射回来的波来描述响应。图 2 显示了与图 1 相同的双端口网络，但其端口变量现在标示为入射（输入的，+）和反射（输出的，-）电压波。

图 2. 双端口网络及其入射和反射场变量定义

散射矩阵或 S 矩阵可以表现出这种选择。

除了更直观地描述传输波等特征之外，散射参数还与实验室通过网络分析仪测量它们的方式完全匹配。

其中，G = S11 是反射系数，前面已经介绍过，可以通过 FieldFox NA 应用软件直接测量。

双端口网络的 S 矩阵表示法仍然包括四个端口变量：两个入射激励和两个反射响应，每个都可以通过实际测量确定，单位为 V，如图 2 所示。那么，端口电流究竟发生了什么情况呢？电磁波在传播时，其电场和磁场之间保持固定的关系，这个比值就是特征阻抗 Z0，由传输媒介决定。随着导波沿着传输线方向传播，电场强度与磁场强度比值表现为电压与电流的比值，其值与特征阻抗 Z0 完全相同。每个传播电压波都有一个相关联的传播电流波，电流波的幅度等于电压除以 Z0，例如，I1+ = V1+ / Z0。换句话说，电流变为隐式，因为每个电流都等于对应的电压除以相同的 Z0 因数，因此不会提供任何新的信息。用散射矩阵方程除以 Z0，得到电流的对应关系，

考虑到电路变量是正反向传播波幅度的叠加，因此图 1 所示的电路变量与图 2 所示的场变量之间的转换是完全可能实现的。对于双端口电压，

通常，电流和功率流都被定义为流入考虑中的网络的端口。

该无损传输线的散射矩阵最终将会特别简单。要想计算 S11 元素，相反端口的端接条件是无入射信号，V2+ = 0。这可以通过用匹配的负载 ZL = Z0 端接端口 2 来实现。这样，从端口 2 发射的任何信号都不会反射回到端口 2。通过用匹配的负载端接端口 2，端口 1 的输入阻抗恰好为特征阻抗 Z0，且与线路的长度无关。这样就不会产生反射，因此 S11 = 0。同理，根据对称性可知，S22 = 0。

散射矩阵的非对角元素代表从一个端口到另一个端口的发射。电压波从端口 1 进入并从端口 2 离开的过程将会产生一个时延，称为相位因数，它与传输线的长度成正比。相位时延因数 e−jβl 是沿传输线任一方向发生的散射参数，S12 或 S21。因此，无损传输线的散射矩阵是

无损传输线的 S 矩阵与 Z 矩阵或 T 矩阵相比更为简单，这就意味着，当场和波更适合描述一个系统时，使用散射参数更实用。

我们再举一个示例，考虑传输线衰减器非常常见的情况。这是一个双端口网络，其用途是让信号通过时按照固定的量衰减，同时信号在任何方向上的传播都不会引起反射。这些通常形成 π 型或 T 型截面（图 3）。

图 3. T 型截面传输线衰减器

首先应该指出，衰减器不仅仅是一个插入到传输线中的电阻，因此输入阻抗和输出阻抗不再是 Z0，而这将会引起不必要的信号反射。需要用 3 个电阻来构建衰减器，理由是有三个单独的要求必须满足。从一个端口到另一个端口的电压分压系数必须产生预期的衰减系数，并且每个端口的输入阻抗必须是当相反端口使用负载正确端接（ZL = Z0）时的线路阻抗。

举例来说，考虑为 Z0 = 50 Ω 的传输线设计一个 −3 dB 的衰减器。该器件需要将发射功率减少至原来的 1/2，100.3 = 2，因此，从输入到输出的分压必须是因数 1/√2 = 0.707。图 3 中的电路有两个分支回路，当端口 2 使用的终端为匹配的负载 ZL = Z0 = 50 Ω 端接时，每个分支回路的分压要求：

矢量网络分析仪（VNA）是测量网络组件传递函数的重要工具，它能够以始终如一且标准化的方式测量多个端口，所以通用性很强。矢量网络分析仪测量的本地输出是一个散射参数，这就是为什么如此多的射频和微波设计以这种形式实现。矢量网络分析仪提供的输出测量结果本质上是输出与输入的比值，而这自然表达的就是传递函数的概念，从仪器的角度看，测量值作为无量纲比值，使 矢量网络分析仪 可以在非常宽的频率范围和信号幅度动态范围内进行精确的测量。矢量网络分析仪 设计的一种工作原理是，两个相同的接收机其比值能够抵消接收机自身的任何特定传递函数，留下一个纯粹的输出与输入比值，这个比值不受每个接收机通道特定特征的影响。这样，与各个接收机的带宽或平坦度相比，网络分析仪的实际带宽更高，响应更平坦。

下面图 4 显示了典型矢量网络分析仪的体系结构。

图 4. 矢量网络分析仪（VNA）体系结构

如上图所示，网络分析仪的核心是一个合成信号源和一组相同的调谐接收机通道。合成信号源生成射频激励，接收机通道则跟踪合成信号源的输出。在上面这个例子中，有三个相同的接收机通道 R、A 和 B，但其他网络分析仪体系结构可以有更多的通道。本应用指南后面介绍的FieldFox 手持式射频和微波分析仪有四个接收机。合成信号源从一个主振荡器开始，该振荡器具有稳定的频率参考。这是最常见的石英晶体振荡器，它可以放置在温控箱内，保持温度稳定不变。一旦振荡器箱温度达到设定温度 并稳定下来，此类振荡器通常可以精确到至少 5-10 ppm。合成信号源的其余部分是一个称为锁相环（PLL）的子系统。它是一个反馈控制系统，能够使用给定的参考通过匹配相位产生新的频率。系统中的关键元器件包括压控振荡器（VCO）、相位比较器、倍频器或分频器（根据输出频率需要高于还是低于输入参考频率而定），以及回路滤波器（用于正确跟踪和捕获特性）。为简单起见，上图中并未显示回路滤波器。锁相环是特别有用且非常灵活的电路，能够对高频信号源进行精确的数字控制。通过上述的合成信号源，网络分析仪能够输出具有精确选定频率的射频激励信号，进而在精确的数字控制下扫描该信号。