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矢量网络分析仪（VNA）应具有强大的硬件性能和易于使用的软件接口，并具有有用的后处理功能。市场上有许多VNA具有不同的性能水平; 其中一些是经济等级，另一些是实验室测试等级。

本文将重点关注特定组件和设计解决方案，通过将现代VNA与上个世纪的设计进行比较，最大限度地提高VNA的性能。

VNA性能规格

在讨论制造良好VNA的各个组件之前，让我们先看一下仪器的关键性能规格。主要性能规格包括：

• 频率范围：确定您可以获得的测量结果的频率范围。

• 频率设置分辨率：您可以从仪器获得的最小频率步长。它限制了所有测量的分辨率。 

• 测量精度：在某种意义上，底线。与幅度和相位的测量不确定性有关。

• 输出功率范围：测试端口可以具有的功率水平。当输入功率电平变化时，DUT有时会有不同的响应; 这些设计用于在一定范围的输入功率或特定输入功率下工作。

• 功率分辨率：可以精确调节输出功率; 更好的功率分辨率允许更准确的输出功率设置。

• 输出端口的谐波失真和非谐波杂散：测试端口上出现的非期望信号量。低失真可以提供更准确的结果，尤其是在测量DUT失真或谐波时。

• 测量速度：测量速度，通常是每个测量点。当VNA刺激设置导致长扫描时间时，测量速度会对总循环时间产生很大影响。

重要的VNA组件

生产具有实验室级规格的VNA需要明智地选择许多单独的元素并针对应用进行优化。以下是一些最重要的组件。

图1. USB VNA 的内部结构，说明了卓越性能所需的屏蔽和隔离程度。

定向耦合器

首先，我们将考虑定向耦合器。耦合器负责产生与输出入射信号成比例的参考信号，从而可以将测量结果精确地显示为传输或反射的功率比（S参数）。精心构建的定向耦合器可降低VNA的本底噪声，从而增加动态范围。稳定的耦合器还可以在整个温度范围内保持其特性，使用户不必频繁地执行校准，同时保持测试结果的准确性。 

构建良好的定向耦合器始于选择具有稳定的频率性能和出色的RF性能特性的良好元件。除了各个组件之外，耦合器的内部和外部屏蔽也很重要。卓越的屏蔽可以最大限度地减少模块之间不同RF路径和EMI之间的串扰 这有助于定向耦合器提供纯输出，不易受到周围环境的干扰。 

屏蔽不仅限制了电磁波的传播，还提供了热质量来稳定耦合器内的温度。内部温度稳定性对于精度至关重要，因为在某种程度上，设计中的所有组件都会表现出一定程度的温度依赖性。 

混合器

混频器是VNA内部另一个非常重要的组件。现代VNA通常使用混频器而不是采样器，这是旧的VNA使用的原因，因为它设计更简单，成本更低。良好的混频器有助于降低本底噪声，并最大限度地减少不必要的杂散响应和跟踪噪声。为了制造出良好的混频器，除了选择高质量的元件外，还需要出色的屏蔽以最大限度地减少串扰，并能够生产高动态范围的仪器。为所有混频器提供通用和相干LO对于改善测量迹线噪声以及降低LO相位噪声是必要的。

资源

VNA源不仅是必不可少的模块，而且还是仪器总成本的主要贡献者。原则上，源可以是外部的或集成的。使用外部源是有利的，因为信号的纯度提高了。外部源可以更完全屏蔽并与其他模块隔离。使用集成光源的优势包括高扫描速度，实现更紧凑的测量解决方案，降低成本，以及更短和更简单的源和其他组件之间的互连。通过适当设计光源及其屏蔽，可以获得足够清洁的内部光源，而没有使用外部光源的缺点。  

自动环路控制（ALC）是VNA源的另一个重要方面，可提供改变输出功率水平的能力。旧VNA可以使用ALC的模拟输入，而现代VNA仅使用数字控制。数字控制使现代VNA能够生成非常精确的功率电平，并提供更广泛的输出功率设置。大多数现代VNA还具有功率平坦度规范，该规范显示了频率上输出功率水平的一致性。通过应用在工厂校准时确定的数字ALC校正，可以实现出色的平坦度。

衰减器

大多数现代VNA还在参考耦合器和测试耦合器之间加入了步进衰减器，因此与纯粹基于ALC的电路相比，可以实现更大的功率输出范围。添加步进衰减器不仅可以扩大输出功率范围，还可以很好地匹配测试端口。衰减器将减小电源匹配和比率源匹配之间的差异，从而改善输出端口匹配。步进衰减器带来的另一个吸引人的改进涉及信号的噪声水平。即使在测试端口需要小信号时，衰减器也允许参考通道中的大信号，这将有助于在测试端口产生低噪声信号。 

图2. 2端口USB VNA的框图。

数字处理

在RF组件和模块完成其工作后，信号到达VNA的数字部分进行采样和处理。由于VNA的各种RF组件之间的高度集成和同步，专用数字处理部分对于优化系统性能至关重要。  

VNA数字处理器的速度和精度对整体VNA性能至关重要，影响噪声基底，最大测量速度和测量延迟等规范。现代VNA采用先进的FPGA，高速DSP芯片IC或两者兼有，以完成高速生成原始测量数据所需的数字信号处理。 

原始测量数据也必须迅速传输到应用处理器，无论是内部处理器还是模块化VNA的外部处理器。例如，以太网和USB等高速低延迟接口通常用于现代VNA中，以将原始结果传送到应用层。

软件和接口 

最后但同样重要的是，现代VNA将具有用户和编程接口，以及分析结果和测试自动化所需的后处理功能集。图形用户界面通常是在现代操作系统中运行的独立应用程序，为稳定平台的用户提供优势，便于将数据传输到同一台机器上的其他应用程序，以及与其他机器的内置自动化接口和网络。

除了图形用户界面外，一个出色的VNA还包括一个或多个接口，可实现测量结果的自动化和测量结果的数据传输。这在重复执行相同测试且一致性是质量管理关键的生产环境中尤其重要。诸如SCPI，VXI-11，COM / DCOM和TCP套接字之类的接口是自动化接口的流行选项。 

图3.现代VNA必须具有广泛且通用的命令集，以便通过其编程接口实现自动化。

结论

构建出色的VNA首先要选择优秀的构建模块，包括混频器，衰减器和振荡器等RF组件。卓越的设计将这些功能组合到功能单元中，包括定向耦合器，RF源和数字处理引擎。它是所有这些元素的总和，结合多功能和功能丰富的界面，可实现实验室级的世界级VNA。