设计师和制造商通过网络分析过程测量复杂系统中的组件和电路的电气性能。当这些系统传输包含信息内容的信号时，我们最关心的是如何有效地将信号从一个点传输到另一个点，并确保最小的失真。矢量网络分析通过测量组件对扫频和扫功率测试信号范围和相位的影响，准确地表示了这些组件的特性。
在本应用程序指南中，我们将回顾矢量网络分析的基本原理。讨论包括散射参数等常用参数(S 参数)概念。此外，还回顾了射频的基本知识，如传输线和史密斯圆图。
任何通信系统都必须考虑到信号失真的影响。虽然我们通常认为失真是由非线性效应引起的（如有用载波信号产生的互调产物），但纯线性系统也会引入信号失真。当信号通过线性系统时，线性系统可能会改变信号频谱的范围或相位关系，从而改变信号的时间波形。
现在让我们更仔细地研究线性特征和非线性特征的区别。
线性设备会改变输入信号的范围和相位（图1）。进入输入端的正弦波将再次出现在输出端，频率保持不变。在此过程中不会产生新的信号。有源和无源非线性设备可能会频繁移动输入信号，或增加谐波和杂散信号等其他频率重量。大输入信号驱动线性工作设备进入压缩或饱和区域，显示非线性特性。
被测装置为实现无失真线性传输(DUT) 范围响应必须平坦，相位响应必须在所需带宽上呈线性。例如，假设一个包含很大高频分量的方波信号通过一个带通滤波器，该滤波器会让选定频率通过且衰减极小，而对通带之外的频率施加不同程度的衰减。即使滤波器具有线性相位性能，方波的外部分量仍会衰减，使本例中的输出信号本质上更接近正弦曲线（图2）。如果同一方波通过另一个滤波器输入信号，而过滤器只反转三次谐波的相位而不改变谐波幅度，则输出信号本质上更像脉冲波形（图3）。虽然这种情况下的滤波器是这样的，但输出波形通常会根据振幅和相位的非线性特性而失真。
非线性设备也会导致失真(图4)。例如，如果对放大器施加过多的激励，放大器将达到饱和状态，使输出信号发生波切割。输出信号不再是简单的正弦波，谐波会出现在输入频率的倍频。使用磁芯电感器的无源设备也可能在大功率电平下表现出非线性特性L-C 滤波器就是一个典型的例子。磁性材料通常具有高度非线性滞后效应。功率的有效传输是通信系统中的另一个基本问题。传输线、天线、放大器等设备的阻抗必须与信号源相匹配，才能有效地传输、发射或接收射频功率。当两个连接器件之间的输入和输出阻抗的实部和虚部不理想时，就会发生阻抗失配。
测量信号重量的范围和相位有几个重要原因。首先，为了充分表示线性网络，确保无失真传输，必须进行这两个测量。为了设计有效的匹配网络，必须测量复阻抗。
工程师在为计算机辅助工程(CAE) 在开发模型时，需要振幅和相位数据来建立准确的模型。
此外，时域表征需要范围和相位信息来执行傅立叶逆变换。矢量误差校正可以通过消除测量系统固有误差的影响来提高测量精度，但也需要范围和相位数据来建立有效的误差模型。相位测量功能也非常重要，即使在标准测量（如回波损耗）中
(请参考德科技应用指南《网络分析仪测量中应用误差校正》 CHCN)。
矢量网络分析的基本形式包括测量沿传输线传播的入射波、反射波和传输波。我们在此使用光波长作为类比，当光照射到透镜上时(入射能量)，一部分光会从透镜表面反射回去，但大部分光会继续穿过透镜(传输能量)(图 5)。假如透镜的表面是镜面的，那么大部分光线都会反射回来，只有很少或没有光线穿过透镜。
虽然射频和微波信号的波长不同，但原理是相同的。矢量网络分析仪可以准确地测量输入、反射和传输的能量，如传输线上传输的能量、阻抗失配沿传输线反射回信号源的能量、成功传输到最终设备（如天线）的能量。
在表征器件时，反射的数量由进射信号看到的阻抗决定。阻抗可以用实部和虚部来表示(R jX 或G jB)，因此，我们可以在一个称为阻抗复平面的矩形网格上绘制阻抗。然而，开路（常见的射频阻抗）出现在实轴的无限远处，因此无法显示。
此时，我们可以使用极坐标图，因为它可以覆盖整个阻抗表面。它不是直接绘制复值反射系数的阻抗图，而是以矢量的形式显示。矢量的范围是它与显示中心的距离，从中心点到最右边的直线之间的角度是相位。极坐标图的缺点是阻抗值不能直接从显示图中读取。
由于复阻抗与反射系数有一对应的关系，阻抗复平面的正实半部分可以映射到极坐标显示图上， 结果形成了史密斯圆图。所有电抗值和0 所有无限大的正电阻值都落在史密斯圆图中(图) 6)。
在史密斯圆图上，恒定电阻的轨迹为圆，恒定电抗的轨迹为弧。史密斯圆图上的阻抗总是集成到关注的部件或系统的特征阻抗中，通常是射频和微波系统的50个 Ω，广播和有线电视系统为75 Ω。理想的终端位于史密斯圆图的中心。
假设源电阻为RS，负载电阻为RL，为了将最大功率传输到负载，两个设备之间的连接必须满足理想的匹配条件。只要是直流电压源还是射频正弦波源RL = RS，这个条件(图7)可以实现。
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输。这种情况可以通过对虚拟阻抗部件进行取反来满足。例如，如果RS = 0.6 j 0.三、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的传输功率。如果频率很低（波长很长），那么简单的导线就足以传输功率。导线的电阻相当小，对低频信号的影响也很小。无论在导线上测量，电压和电流值都是相同的。
在高频率方面，波长与高频电路中导体的长度相同或更小，可以认为功率是通过行波传输的。当传输线以其特性阻抗端接时，传输到负载的功率最大。如果端接负载与特性阻抗不相等，未被负载吸收的信号将反射回信号源。
如果传输线的端接负载等于其特性阻抗，则传输的功率被负载吸收，不会产生任何反射信号(图 8)。观察射频信号包络随传输线距离的变化，因为没有反射，能量只向一个方向流动。
当传输线用短路端接时(短路不能维持电压，因此耗散功率为零)，反射波将沿传输线返回信号源(图 9)。在负载平面上，反射电压波的范围必须等于入射电压波的范围，而相位相差为180°。反射波等于入射波，但方向相反。
如果传输线以开路端接(开路无电流)，反射电流波的相位将与负载面的入射电流波相差180°，反射电压波与入射电压波相同。这可以保证开路处的电流为0。反射电流波等于入射电流波，传输方向相反。传输线上会产生短路和开路的驻波。电压谷值为0，电压峰值为入射电压电平2 倍。
如果在传输线终端连接一个25 Ω 电阻器将传输线介于全吸收和全反射之间的状态，部分入射功率被吸收，另一部分入射功率被反射。在负载表面，反射电压波的范围将是入射波范围的1/3，两个波的相差为180°。驻波谷值不再为0，峰值小于短路和开路时的峰值。峰值与谷值之比为2:1。
在过去，确定射频阻抗的方法是使用射频探头/检波器、开槽传输线和一个 VSWR测试仪测量电压驻波比 VSWR。探头沿传输线移动时，测试仪会记录峰值和谷值的相对位置和值。阻抗可以根据这些测量结果推导出来。此测量步骤可以在不同频率下重复执行。现代矢量网络分析仪可以在频率扫描期间直接测量射波和反射波，然后以多种格式(包括VSWR)显示阻抗结果。
掌握了电磁波的基本知识后， 我们还必须了解常用的测量术语。参考通道通常用于矢量网络分析仪的术语(R) 表示入射波的测量结果。A 通道负责测量反射波，B 通道负责测量传输波(图) 10)。在道这些波的幅度和相位信息后，可以定量描述被测设备(DUT) 反射特性和传输特性。矢量(幅度和相位)、标量(只有幅度)或纯相位可以表示反射和传输特性。例如，回波损耗是反射的标量测量结果，阻抗是反射的矢量测量结果。我们还可以使用比值测量法进行反射和传输测量，以避免绝对测量
功率和源功率随频率变化的影响。通常使用反射比A/R 传输量的比值为B/R，它们与仪器中的测量通道有关。
最常用的术语是反射系数G 或gamma(图11)。G 的幅值称为r 或rho。反射系数是反射信号电压电平与入射信号电压电平之比。例如，端接特性阻抗Zo 传输线将所有能量传输到负载，因此Vrefl = 0，r = 0。当负载阻抗ZL 能量反射不等于特性阻抗，r > 0。当负载阻抗等于短路或开路时，所有能量都被反射，r = 1。因此，r 取值范围为0 至1。
回波损失以对数形式(dB) 一种表示反射系数的方法。回波损耗是反射信号低于入射信号的方法dB 数。回波损耗总是正的，介于无限(使用特殊的特殊)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(图12)。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。
通常，直接考察插入相位并不能提供有用信息。这是因为，由于被测器件的电长度，使插入相位相对于频率具有很大的(负)斜率。此斜率与被测器件的电长度成正比。由于与线性相位的这一偏差是唯一能引起通信系统失真的原因，故要求去掉相位响应的线性部分，以便对余下的非线性部分进行分析。为此，可以使用矢量网络分析仪的电气时延特性自动抵消被测器件的平均电长度。结果可以得到相位失真或偏离线性相位的高分辨度显示(图 13)。
衡量相位失真的另一个有用指标是群时延(图 14)。这个参数测量的是信号通过被测器件的传输时间随频率的变化。通过对被测器件的相位响应随时间的变化取微分，可以计算出群时延。它将相位响应的线性部分简化为一个恒定值，再将相对线性相位的偏离变换为相对恒定群时延的偏离(这将引起通信系统中的相位失真)。平均时延代表信号通过被测器件的平均传输时间。
依据器件的不同，与线性相位的偏离和群时延都有可能需要测量，因为两者都很重要。规定器件中的最大峰峰相位波动可能不足以全面反映器件的特性，因为相位波动的斜率取决于每单位频率发生的波动次数。群时延则考虑了这种情况，因为它是经微分的相位响应。利用群时延往往更便于说明相位失真的迹象(图 15)。
为了全面表征一个未知的线性二端口器件， 我们必须在不同的条件下进行测量并计算一组参数， 即使源和负载条件与测量时的条件不相同，这些参数也能用来全面描述所测试器件(或网络)的电气特性。低频器件或网络的表征通常是建立在测量H、Y 和Z 参数的基础上，为此，必须测量器件的输入或输出端口上或网络节点上的总电压和总电流， 而且，测量必须在开路状态和短路状态下进行。由于高频总电流或总电压很难测量，故通常用测量S 参数来代替(图16)。这些S 参数与我们熟悉的一些测量(如增益、损耗和反射系数)均有联系。它们的测量比较简单，并且无需将多余的负载连接到被测器件上。测得的多个器件的S 参数可以进一步做矩阵运算，预测整个系统的性能。S 参数无论在线性或非线性CAE 电路仿真工具中都很容易使用，而且根据需要还可从S 参数导出H、Y 和Z 参数。一个给定器件的S 参数数量等于端口数的平方。例如，二端口器件有4 个S 参数。S 参数的编号习惯是，S 之后的第一个数字是能量出射的端口，而第二个数字则是能量进入的端口。因此，S21 表示在对端口1 施加射频激励之后，从端口2 输出的功率。当数字相同时(例如
S11)，便表示为反射测量。
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17)。
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