网络分析仪的发明与创新及未来展望

网络分析仪的发明与创新及未来展望网络分析仪一种能在宽频带内进行扫描测量以确定网络参量的综合性微波测量仪器。可直接测量有源或无源、可逆或不可逆的双口和单口网络的复数散射参数，并以扫频方式给出各散射参数的幅度、相位频率特性。自动网络分析仪能对测量结果逐点进行误差修正，并换算出其他几十种网络参数，如输入反射系数、输出反射系数、电压驻波比、阻抗(或导纳)、衰减(或增益)、相移和群延时等传输参数以及隔离度和定向度等。网络分析仪是在60年代多种电子仪器的基础上发展起来的。网络分析仪促进了高频元件及其设计方法的发展，测量电路和器件的传输、反射和阻抗特性的能力使工程师们能优化放大器、变频器、信号分离和滤波器件以及其它元件的性能。下面我们一起来看看网络分析仪的诞生背景以及早期五款重要的网络分析仪。网络分析仪的发明背景20世纪40年代和50年代，大多数高频通信系统都采用电子管（速调管、磁控管）和调幅（AM）或调频（FM）技术。一些原始的信号发生器、功率检波器和阻抗电桥被用来测量上述元件的传输、反射和阻抗特性，使之能制作出成功的系统。为了绘制一个现代史密斯图（Smithchart），每次一个频率要进行数小时繁琐的手动调谐测量。当时的网络分析仪是扫频标量分析仪，结合繁琐的逐点重绘器件的相对相位特性。到60年代，半导体技术方兴未艾。基于半导体二极管的取样器成为仪器的基本组成部分。这些取样器用来对波形取样，能对信号进行相对幅度和相位测量。基于返波振荡器的频率捷变信号源允许在宽频率范围内进行测量。能进行扫频幅度和相位测量的网络分析仪是建立在8405型矢量电压表基础上的8407型射频网络分析仪。它允许比较两个波形的幅度和相位，但只能工作到110MHz。世界上第一台网络分析仪8410A基于测量射频接口和器件的需求，HP于1967年发明了第一台网络分析仪8410A。8410A的发明，把阻抗测量从纸上的史密斯圆图搬到仪器上实现精确快速测量。图1第一台网络分析仪8410A这是基于通过组合实现网络分析功能的多个机箱的台式系统（图1）。当时，S参数的概念刚开始流行。它将传输、反射和阻抗转化成了能够迅速测量和观测的单个图像。这是高频设计中的变革，使工程师们能着手用刚开始提供的新型高频半导体器件进行设计。这些器件的优势具有一定的伸缩性。如果设计和测量手段不能使设计人员最大限度地挖掘这些新器件的潜力，那么它们的应用便可能大打折扣。为了从器件中获得最佳性能，合理测量的互动和步骤提示有助于推动设计和测量的不断向前发展。8410A网络分析仪工作原理框图如图2所示。图2

8410A工作原理框图当时，器件网络分析的典型工作系统如图3所示。图3

网络分析典型工作系统第一台自动化网络分析仪8542A1970年，HP发布了第一天自动化的网络分析仪8542A。到70年代，计算机面市，从而扩大了仪器能力（图4）。8452自动网络分析仪应运而生。这种大型三机柜系统为电路设计人员带来误差修正数学处理功能、脉冲测量功能和其它功能。可是，该系统占用了三个仪器机柜。现代网络分析仪可以用单一台式机箱实现所有这些功能。图4

自动化网络分析仪8542A8542A可进行自动化的测量，大大提高了测量速度和效率，图5是其测量一个滤波器的结果。图5

滤波器的自动化测量第一台全集成式网络分析仪8505A继续的创新是需要，需要把自动化网络分析仪的体积缩小。在1976年，HP发布了第一台全集成式的网络分析仪8505A，频率可达1.3GHz。这时候已经发明了HPIB(即GPIB），可以编程控制这台网络分析仪。图6

全集成式网络分析仪8505A8505A工作原理框图如图7所示。图7

8505A工作原理框图第一台数字化网络分析仪3577AHP于1984年发布了第一台数字化矢量网络分析仪3577A，频率可达200MHz。图8

数字化VNA3577A110GHz网络分析仪8510AHP于1985年发布了最高性能的网络分析仪8510A，频率高达110GHz。它广泛用于无线电元件制造中，成为航空和雷达元件研发制造中的主要支柱。图9

经典的8510A展望未来自2000以来，射频和微波器件的集成度急剧提高。新集成度对测试设备提出了新的要求。这导致网络分析仪演变为具有更广泛能力的分析仪器。新时代的射频器件形态多样，有半导体芯片、滤波器、RF连接器以及天线等。网络分析仪也不再局限于S参数的测量，还具备插入损耗IL、驻波比VSWR、Smith图的测量功能，为RF器件、半导体及终端天线提供最基本的性能检测。近年来，网分主要发展方向包括：非线性测量、多端口并行测试、毫米波甚至THz频段渗透等。例如，作为5G的关键使能技术之一，大规模天线技术不可避免地为天线测试带来一系列挑战。传统的多端口测试大多基于单台矢网分步测试或多台矢网级联测试，普遍存在着测试速度慢与通道校准复杂的弊端，此外由于矩阵开关的引入，导致动态范围等性能恶化。MassiveMIMO天线测试需要真正的多端口矩阵矢网。多端口矢网能够同时测试多端口的S参数，有效减