精密测量促进了元件和系统的不断完善

射频（RF）/微波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。通信和国防系统的性能主要取决于这些元件及其测试系统的性能。 回顾过去 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（Smith chart），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第一台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110 MHz。



图1. 8410型网络分析仪

1967年，HP公司（Agilent Technologies的前身）推出了将扫频能力扩大到12 GHz的8410网络分析仪。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。

到70年代，计算机面市，从而扩大了仪器能力（图2）。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。 1976年推出了8505首台集成的、微处理器控制的网络分析仪。这类网络分析仪在一个台式机箱内包含合成信号源、接收机、测试装置和显示器，并工作到1.3 GHz。

80年代中期，宽带固态信号源，经改进的取样器和微处理器三者的结合，形成三种十分重要的产品，即8510、8753和8720矢量网络分析仪（VNA）。8510网络分析仪（图3）成为微波测量的计量标准，并促成元件设计的许多改进。正当对第一代蜂窝电话的要求不断提高时，8753网络分析仪（图4）走向市场。8753是首次全误差修正的射频网络分析仪。由于它的低价格和强大功能，故很快成为工业标准。它广泛用于无线电元件制造中，正如8510和8720成为航空和雷达元件研发制造中的主要支柱一样。


  图2. 8452自动网络分析仪系统


图3. 8510网络分析仪


图4. 8753网络分析仪

与此同时，涌现出了供高频设计人员使用的首批商用计算机辅助工程（CAE）工具。模拟和测量之间的相互促进，缩短了设计周期并增加了功能。这时涌现出的首款商用微波集成电路曾得到过这种测量和模拟功能的巨大帮助。8720是首批全集成（单机）微波矢量网络分析仪，它在8542推出之后20年嵌入了8542自动网络分析仪（ANA）的大多数功能。

90年代，无线电器件的发展经历了巨大繁荣。这是同时具有成本压力和制造量的第一个高频用户市场。网络分析仪（曾经的研发工具）成为主流制造设备。测量速度变得十分重要。在此期间，推出了84000射频集成电路（RFIC）测试仪（图5）。这是一种多功能极快的网络分析仪。在某些方面，正如70年代8542自动网络分析仪的情况一样，这种多机箱集成电路测试系统引入了一些新功能。它们被融入到现在和未来的台式网络分析仪中。


图5. 84000射频集成电路测试系统

当前的技术

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。这便导致网络分析仪从2端口扫频测量仪器演变为具有更广泛能力的网络分析仪。早在20世纪90年代末，商用射频元件已开始利用平衡（差动）结构，以充分利用较低的功率要求和更高的隔离度。2001年，推出了4端口E5071AENA网络分析仪，实现了对这类器件的关键改进。图6示出最新的机型（E5071C）。

图6. Agilent E5071C型ENA网络分析仪

这样便提供了模拟的平衡－不平衡和混合模S参数，将平衡式测量完全引入射频领域，到2006年，对平衡测量的测试需求向微波领域延伸，利用PNA系列中的解决方案能提供高达67 GHz的这种能力。无疑，需要将这些技术扩展到更高的频率。

无线电设计的新集成度有可能将许多这类元件（平衡和单端元件）组合为具有大量输入/输出（I/O）端口的封装集成电路。尽管这类元件的总响应必须满足与包含分立元件的设计相同的准则，但集成电路中个别元件的性能、特别是在隔离度方面可能变坏。因此，十分重要的是，I/O端口应适当端接，且应考虑每个端口的失配影响。我们可以组合2端口甚至4端口修正测量，但这要求适当端接每个其它端口。测量次数以N2的方式增加。在利用较多的端口数时，这种方法将很快变得不切实际。

最近，已推出能扩大网络分析仪端口数的新一代测试仪。这些N端口系统（图7）利用内部开关和耦合器实现了测试仪与分析仪的无缝隙组合，给出能直接与２端口或4端口系统相比拟的N端口测试仪性能。此时，N端口网络分析仪的8端口和12端口式与16端口和32端口系统均能同时供货。

图7. PNA多端口系统

若按常规方式校准这类仪器十分费时。不过，已拟订出一些能缩短校准过程的方法，包括利用电子校准模块（Ecal），它在不影响测量质量的情况下只用N个连接步骤来提供已校测量的全NxN矩阵。传统的机械校准则要求多于N2个步骤。

除传统的S参数测量之外，许多集成元件还要求对噪声和失真特性进行表征的内部放大器。目前的测量解决方案是用于多个测试设备的一次连接，但将这些先进功能进一步组合到单一平台是不可避免的。20世纪90年代的84000测试仪拥有许多这样的功能。就像网络分析仪从8542演变为8720一样，我们看到体现84000大部分功能的新型台式仪器的出现。对这些元件分析仪提出的要求是，为各种的需要提供足够满意的测量手段。网络分析仪要求一个极快的扫频源，但这从根本上是与构建一个为互调测量所要求的有良好相位噪声和低失真的信号源相矛盾。

通过采用窄接收机带宽所取得的网络分析仪的宽动态范围则与噪声测量所要求的宽带宽相矛盾。所有这些使问题进一步复杂化，因为许多移动通信系统都是时域双工系统而要求进行脉冲测量。这类设备可能包括变频以及平衡输入或输出。所有这些要求必须在不放弃快速测量吞吐量的决定性要求下予以满足。

最后，上述测量中的每项测量都必须校准，以确保一致、可重复和可溯源的结果。安捷伦的新型PNA-X型网络分析仪已具备解决这些任务的基本条件。PNA-X（图8）引导向增强网络分析仪功能方向的转化，以包括超出传统S参数范围的测量。



图8. PNA-X元器件分析仪