利用矢量网络分析仪VNA测量电容/电感

2024年12月25日 352点热度 2人点赞 1条评论

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参考资料

[1] Bilibili：如何用矢量网络分析仪测量电容电感值【康文_TGT】：矢量网络分析仪测量电容电感值
[2] 百度百科：矢量网络分析仪：矢量网络分析仪_百度百科
[3] CSDN：电阻、电容、电感的高频特性【为美好而战斗着】：电阻、电容、电感的高频特性_电阻的高频特性
[4] Bilibili：老鹰HA-750，一款让大叔彻底发火的天线【一只中年HAM大叔】：老鹰HA-750，一款让大叔彻底发火的天线
[5] Bilibili：Nanovna矢量网络分析仪校准方法【成都M哥】：Nanovna矢量网络分析仪校准方法

矢量网络分析仪的工作原理

矢量网络分析仪（Vector Network Analyzer，VNA），简称网分。网分是一种电磁波能量的测试设备，其使用自身的信号源来测量射频微波器件、电缆线、接头等散射的各项参数。[2]

以下来自LLM输出

其工作原理主要包括以下几个方面：

信号源：提供被测器件激励输入信号。
信号分离装置：包含功分器和定向耦合器件，分别完成对被测器件输入和反射信号的提取。
接收机：对被测器件的反射、传输和输入信号进行测试、比较和分析。
处理显示单元：完成对测试结果进行处理和显示。

矢量网络分析仪通过测量元件对频率扫描和功率扫描测试信号的幅度与相位的影响，来精确表征元件特性。它包括信号源和接收机，接收机会检测器件（或网络）的输出信号的变化，然后与输入该器件的源信号进行比较。为了评测器件对电流和电压的影响，矢量网络分析仪会测量其引起的幅度和相位响应。由此得到传输和反射测量结果、阻抗和S参数，测试工程师可以根据这些结果表征他们的被测器件。

以下来自笔者输出

简要地说，网分的主要工作方式就是产生一个某一频率的激励信号，输入到待测网络中，然后通过网络反射的信号来分析网络的各项参数。以笔者的理解举一个简单的例子：矢量网络分析仪发射一个高频的正弦信号。若负载端接入的是一个容性/感性负载，则回波信号的电流与电压会产生一个相位偏差，且激励信号的大量功率将会被反射回输入端口，驻波比将会居高不下（与我们常说的无功功率原理一致）。如果负载端接入的是一个阻性负载，则激励信号的大量功率就会被电阻消耗，电路中的电能将会被转换成其他形式的能量（天线：电磁波，电阻：热量），此时我们在网分上可以观察到：相位偏差较小，且驻波比较低（与我们常说的有功功率原理一致）。

为什么用网分测量？

对于HAM来说，网分最为常见的用途可能就是测量天线的驻波比（SWR）。天线的驻波比反映了天线的架设情况。一般来说，天线的驻波比接近1，是天线工作良好的一个必要条件（~~但并不是充分条件：老鹰750假负载，你值得拥有~~[4]）。天线在当前的工作频率上是否有一个好的驻波比，直接关系到我们通联的质量。通过将天线的射频端口连接到网分上，我们可以方便地读取天线在各个频率段上的驻波比。

事实上，矢量网络分析仪所能做的事还有许多。例如今天我们所说的测量电容及电感的容量/感量。可能有人会说：一般市面上电容、电感的参数，不是已经被厂家标好了吗？我们为什么还要测量它呢？可能也有人会说：利用万用表的电容/电感档位测量不就行了吗？当然没有那么简单！

不知道阅读本文的各位是什么想法，在笔者看来，除了和天南海北的HAM进行快乐的QSO、交换QSL卡片之外，业余无线电的很大一部分乐趣就是DIY。限于电子电路和射频电路的知识，笔者暂时没有能力设计制造无线电收/发信机。但是制造天线，特别是DP、GP等线天线，对于笔者来说，尽管存在挑战，但也不失可行性。在制造短波天线时，由于场地和尺寸的限制，难免需要给天线装配加感线圈。对于自己绕制的加感线圈，感量比较不确定，在后续进一步优化的过程中，也很难在改变线圈形状、匝数、线径的情况下绕制出感量相同的线圈了。因此感量的测量就显得有一定的必要性。

此外，对于厂家生产的电容、电感而言，其标注的容量/感量很可能只是一个低频状态下的理想值。它们有可能只在我们的工频交流电频率下工作。往上一点，可能对于短波的较低波段（例如80米、40米波段），大部分电容、电感还是能保持比较好的性质，但是当频率逐渐上升，到了15米波段、10米波段甚至是UHF/VHF，电路的寄生参数就会逐渐变得不可忽略，其阻抗会大致地接近一个高频特性曲线[3]。当对元件的高频特性不了解时，我们就可以利用网分测量出所需频率上，元件的参数如何。

利用矢量网络分析仪分析负载特性

硬件准备

首先你得先有一个网分

有了网分之后，我们目前还面临一个问题：矢量网络分析仪的端口一般是同轴端口，而电感、电容等元件的端口则是两根引脚。我们需要将待测元件的两根引脚分别接入同轴端口的外导体和内导体。当然，你可以选择直接将元件的引脚直接插进网分上同轴端口的对应位置，如下图所示：

或者你也可以买一个非常高端、大气、上档次，且频率性质更为稳定的高频测试架，如下图所示：

对于如笔者一般家境十分普通的HAM而言，高频测试架疑似有一些过于精密（贵）了，专门为了测试买一个架子可能也有些浪费。而并非每一个元件都能很好地适应网分同轴端口的尺寸，牢牢地固定在上面。因此我们需要一个折中的装备。隆重有请我们本场的折中嘉宾：

笔者所用的装备简单而言就是把同轴线引出了两个鳄鱼夹，焊接一下其实也并不复杂。尽管频率性质不如专业的测试夹，但是简单地测测RLC的频率响应还是可以的。

如果可能，可以将同轴线的内导体和外导体做一下区分。在笔者制造的夹具中（如上图），红色鳄鱼夹连接到同轴线的内导体，黑色鳄鱼夹连接到同轴线的外导体。

校准VNA

夹具本身也有寄生参数，会对测量结果产生一定的影响。因此在测试之前，我们需要带着夹具将VNA进行校准，以在一定程度上消除夹具的影响。对于我们的DIY夹具，完全消除几乎是不可能的，因为同轴线外的导线和夹子，随着摆放位置的不同，寄生参数也不同，因此难免产生差异。我们能做的就是校准后尽量让外露导线和夹子的形状和相对位置大致保持不变，令其寄生参数保持稳定。

带夹具的校准方式与常规的校准方式相同。首先设置需要的频率参数（例如短波频率是3至30MHz），然后在测试夹上连接开路、短路和标准负载。具体方法可以查看成都M哥的视频[5]测量具体连接方式如下所示：

在利用网分自带的50欧姆负载进行校准时，要特别注意不要让鳄鱼夹短路了。

进行测试

首先，我们调整网分显示的波形。对于NanoVNA，我们可以在迹线格式的“更多”选项中找到SERIAL L（电感）与SERIAL C（电容）选项，根据需要测试的对象进行选择。

就拿笔者自己绕制的电感作为例子。将两个鳄鱼夹分别夹在电感的两端，如下图所示：

再在迹线中选择SERIAL L选项，就可以读取绕制的电感在不同频率下的感量。可以看到，尽管外观并不十分出众，但是笔者绕制的电感在3至30MHz的短波频率上，感量还是相当稳定的，在11.3微亨左右。

并不是每个电感都能有这么好的高频特性。笔者前日在网上购买了一个大功率电感，标称15微亨。但是其寄生电容比较大。当频率到达短波的高波段时，它的阻抗就已经转为了容性。因此，这个电感就无法用于短波及更高频率的射频电路。一般而言，电感器的寄生参数取决于线径、绕线方式、还有磁芯的特性等。因此，当我们需要选择用在射频电路中的各类电子元件时，需要特别注意其工作的频率范围。

测量的局限性

作为一个便携式移动设备，NanoVNA的电源容量并不太大，这就限制了其产生射频信号的功率。此外，无线电法律法规也限制了网分这类不受监管的射频设备的最大射频功率。如果网分的射频功率太大，那么它就不再属于网分，而迈入全波段电台的行列了。那样一来，使用网分进行测量时，可能真的会出现“人在前面测，无管后面追”的盛况。（狗头）

因此，网分的测量结果并不能完全地反映被测元件在实际工作状况下的参数。还是拿磁芯电感举例。根据安培环路定理不难推导出：当电感器线圈中流过的电流越大，其在磁芯中产生的磁感应强度也同样越大。在网分产生的较小射频电流激发下，磁芯中产生的磁感应强度较小，磁芯的磁化程度未达到饱和，此时电感器具有较为理想的参数；但是在电台产生的较大射频电流激发下，磁芯中产生的磁感应强度相应增大，磁芯的磁化程度就有可能达到饱和，此时电感器的参数可能突然变差。电感器参数的这种改变，也可以在实际使用的过程中直接表现出来。例如，在电台的发射功率到达某一个值后，装配有这种电感的天馈系统的驻波比可能突然增大，无法有效发射。