VNA核心技术指标概览
| 指标类别 | 关键技术指标 | 英文缩写 | 核心意义 |
|---|---|---|---|
| 基本性能 | 频率范围 | Frequency Range | VNA能够有效测量的最低和最高频率。 |
| 动态范围 | Dynamic Range | 在噪声背景下，能同时测量到的最大信号和最小信号的比值。 | |
| 稳定度 | Stability | 测量结果随时间、温度变化的程度，直接影响可重复性。 | |
| 测量精度 | 系统幅度精度 | System Accuracy (Magnitude) | 测量信号幅度大小的准确度。 |
| 系统相位精度 | System Accuracy (Phase) | 测量信号相移的准确度。 | |
| 迹线噪声 | Trace Noise | 单次扫描迹线本身的波动程度，影响小信号的分辨力。 | |
| 迹线平坦度 | Trace Flatness | 在整个频率范围内，频率响应的平坦程度。 | |
| 信号源与接收机 | 输出功率 | Output Power | VNA测试端口输出的信号强度。 |
| 本底噪声 | Noise Floor | 接收机自身产生的噪声电平，决定了可测量的最小信号。 | |
| IF带宽 | IF Bandwidth | 中频带宽，影响测量速度和迹线噪声的取舍。 | |
| 接收机线性度 | Receiver Linearity | 接收机在输入信号变化时，保持输出线性关系的能力。 | |
| 校准与匹配 | 端口匹配 | Port Match | VNA测试端口的回波损耗，影响测量精度和校准效果。 |
| 校准件精度 | Calibration Kit Accuracy | 校准件（如开路、短路、直通、负载）的精度，是系统精度的基石。 | |
| 其他重要指标 | 扫描速度 | Sweep Speed | 完成一次频率扫描所需的时间，影响测试效率。 |
| 通道数 | Number of Channels | 同时测量的端口数量，如2端口、4端口VNA。 | |
| 应用软件 | Application Software | 内置或可选的软件，用于特定测试，如时域分析、噪声系数等。 |
各项技术指标的详细解析
基本性能指标
频率范围
- 定义：指VNA能够进行有效测量的最低频率到最高频率的范围，9 kHz - 20 GHz。
- 重要性：这是选择VNA的首要考虑因素，必须覆盖被测器件的工作频率，如果超出范围,VNA可能无法正确测量或完全无法测量。
- 注意：在频率范围的边缘（如低频段和高频段），仪器的性能指标（如动态范围、匹配）可能会下降。
动态范围
- 定义：这是VNA最关键的指标之一，它表示在给定的测量不确定度内，VNA能够同时测量的最大信号和最小信号的功率比值，通常用dB表示。>140 dB @ 10 Hz IFBW。
- 重要性：
- 高动态范围意味着可以精确测量高反射（如天线、滤波器阻带）和低反射（如精密衰减器、匹配良好的放大器输入）的器件。
- 在测量高增益放大器时,需要高动态范围来分离从输入端口泄漏的微弱信号和从输出端口反射回来的信号。
- 动态范围 = 最大可测信号 - 本底噪声，提高动态范围的方法包括：增加源功率、降低本底噪声（通过降低IF带宽）、使用外部混频器扩展频率范围等。
- 与IF带宽的关系：动态范围与IF带宽密切相关。IF带宽越低，迹线噪声越小，动态范围越高，但IF带宽降低会牺牲扫描速度,需要在精度和速度之间做权衡。
稳定度
- 定义：指VNA在一段时间内（如预热后）和不同环境温度下,测量结果保持不变的能力。
- 重要性：高稳定度意味着高可重复性，对于需要进行多次测量以监控器件性能变化（如老化、温度漂移）的应用，稳定度至关重要，不稳定的VNA会导致测量结果漂移,难以判断是器件变化还是仪器漂移。
测量精度指标
系统幅度精度
- 定义：在经过校准后，VNA测量S参数（如S11, S21）幅度（|S|，单位dB或线性值）的准确度。
- 重要性：直接关系到器件性能的量化准确性，滤波器的插损、放大器的增益、衰减器的衰减值等都需要高幅度精度来保证。
- 影响因素：源功率电平、接收机线性度、校准件的精度、环境温度变化等。
系统相位精度
- 定义：在经过校准后，VNA测量S参数相位的准确度,通常用度表示。
- 重要性：对于相位敏感的应用至关重要，如：
- 相控阵天线：需要精确控制每个单元的相位。
- 移相器：其核心指标就是相移精度。
- 高速数字信号：差分对的相位平衡、时序分析等。
- 影响因素：频率稳定度、迹线噪声、接收机相位线性度等。
迹线噪声
- 定义：在固定频率点上，进行多次快速扫描时，测量迹线围绕其平均值波动的程度,通常用峰峰值表示。
- 重要性：
- 低迹线噪声意味着对小变化的分辨能力强,可以观察到器件微小的频响波动。
- 噪声过高会“淹没”器件的真实响应,尤其是在测量深陷波或高选择性滤波器时。
- 与IF带宽的关系：IF带宽越低，迹线噪声越小,这是通过牺牲测量速度换来的。
迹线平坦度
- 定义：在理想的匹配系统中，频率响应随频率变化的起伏程度，它描述了VNA自身频率响应的“不平坦”程度。
- 重要性：平坦度误差是一种系统误差，可以通过校准来修正，但VNA自身的平坦度越好，校准后的残余误差就越小，系统精度越高，劣质的VNA即使经过校准,在高频段也可能存在较大的残余误差。
信号源与接收机指标
输出功率
- 定义：VNA测试端口（Port 1）输出的信号功率,通常可调。
- 重要性：
- 高功率：有助于提高动态范围，适合测量高损耗器件或驱动大信号下的器件（如P1dB压缩点测试）。
- 低功率：用于测量对功率敏感的器件（如放大器的噪声系数、低噪声放大器）,避免器件进入非线性区或被烧毁。
- 注意：功率过高可能导致被测器件损坏或进入非线性状态,使S参数测量失去意义。
本底噪声
- 定义：在没有任何信号输入的情况下,接收机自身产生的噪声电平。
- 重要性：本底噪声决定了可测量的最小信号，它直接限制了动态范围的下限，本底噪声越低,VNA能测量的微弱反射或传输信号就越灵敏。
IF带宽
- 定义：接收机中频滤波器的带宽。
- 重要性：这是一个关键的权衡参数：
- 降低IF带宽 -> 降低迹线噪声 -> 提高动态范围 -> 减慢扫描速度。
- 增加IF带宽 -> 加快扫描速度 -> 增加迹线噪声 -> 降低动态范围。
- 应用场景：进行器件表征和寻找峰值/谷值时，使用窄IF带宽；进行生产线上快速PASS/FAIL测试时,使用宽IF带宽。
校准与匹配指标
端口匹配
- 定义：指VNA测试端口的回波损耗，通常用S11或S22表示。>20 dB @ 10 GHz。
- 重要性：
- 高端口匹配（即低反射，回波损耗大）意味着测试端口自身非常接近理想的50Ω。
- 端口匹配差会导致信号在测试端口与被测器件之间来回反射，造成测量误差,并且这种误差会随着测试电缆和转接头的性能恶化而急剧放大。
- 端口匹配也是校准能够成功修正误差的前提。
校准件精度
- 定义：用于校准的物理标准件（如开路、短路、直通、负载）的电学特性精度。
