矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測放大器：增益和相位怎么同步看？曲線

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）測量放大器時，增益和相位信息是同步測量、同步顯示且內(nèi)在關(guān)聯(lián)的，這是VNA作為“矢量”儀器的核心優(yōu)勢。以下是關(guān)鍵點解讀：

?? 一、增益和相位的同步測量與顯示原理

1. 本質(zhì)是測量S21： VNA的核心是測量散射參數(shù)（S參數(shù)）。對于放大器增益和相位，最關(guān)鍵的是S21參數(shù)（正向傳輸系數(shù)）。

2. S21是復(fù)數(shù)： S21不是一個單一的數(shù)值，而是一個復(fù)數(shù)，它同時包含兩個信息：

* 幅度 (|S21|)： 這就是增益（通常以dB表示，即 `Gain (dB) = 20 * log10(|S21|)`）。

* 相位 (∠S21)： 信號從端口1傳輸?shù)蕉丝?時發(fā)生的相位偏移（通常以度 ° 表示）。

3. 同步性： VNA在測量每個頻率點時，同時且直接獲得該點的 |S21| (增益) 和 ∠S21 (相位)。這兩個數(shù)據(jù)點是在同一時刻、同一激勵條件下精確測量得到的，具有完美的同步性。

4. 顯示方式：

* 雙軌跡顯示： 最常見的查看方式是在VNA屏幕上同時打開兩個獨立的軌跡窗口。一個窗口設(shè)置為顯示 `|S21|` (dB)，即增益曲線；另一個窗口設(shè)置為顯示 `∠S21` (deg)，即相位曲線。X軸均為頻率。這是最直觀的同步觀察方式。

* 復(fù)平面顯示 (史密斯圓圖)： 史密斯圓圖可以同時顯示復(fù)數(shù)的幅度和相位信息。S21在圓圖上的位置由它的實部和虛部決定，該位置本身就隱含了增益(|S21|)和相位(∠S21)。不過，直接讀取精確的增益和相位值不如雙軌跡方便。

* 群時延曲線： 群時延是相位變化率的直接反映（`τ_g = -d(∠S21)/dω`），它由相位曲線計算而來。VNA通?？梢灾苯訙y量并顯示群時延曲線，這是評估相位線性度的關(guān)鍵指標。

?? 二、解讀放大器的兩個關(guān)鍵指標：增益平坦度與相位線性度 (群時延平坦度)

從S21的增益曲線和相位曲線（或由其導(dǎo)出的群時延曲線）中，可以解讀出放大器最重要的兩個頻域性能指標：

1. 增益平坦度：

* 定義： 在放大器的工作頻帶（或指定頻段）內(nèi)，增益的最大變化量（通常以dB表示）。

* 解讀：

* 曲線形態(tài)： 觀察增益曲線(`|S21| dB`)在目標頻帶內(nèi)的起伏程度。一條平坦的增益曲線是理想的。

* 關(guān)鍵值： 找到頻帶內(nèi)增益的最大值 (`G_max dB`) 和最小值 (`G_min dB`)。增益平坦度 = `G_max - G_min (dB)`。

* 重要性： 增益不平坦意味著放大器對不同頻率信號的放大能力不同。這會導(dǎo)致：

* 信號失真： 對于寬帶信號（如數(shù)字通信信號、視頻信號、多音信號），不同頻率分量被放大倍數(shù)不同，引起幅度失真。

* 系統(tǒng)性能下降： 在通信鏈路中，可能導(dǎo)致誤碼率上升。

* 目標： 在滿足增益要求的前提下，增益平坦度越小越好。

2. 相位線性度 / 群時延平坦度：

* 定義： 在放大器的工作頻帶內(nèi)，群時延的最大變化量（通常以秒或納秒表示）。

* 解讀：

* 理論基礎(chǔ)： 理想的放大器應(yīng)對所有頻率分量引入恒定的時延。相位偏移(`∠S21`)應(yīng)與頻率成嚴格的線性關(guān)系（`∠S21 = -ω * τ`，其中τ是恒定群時延）。此時群時延(`τ_g = -d(∠S21)/dω`)在整個頻帶內(nèi)是一個常數(shù)。

* 曲線形態(tài)： 觀察群時延曲線（通常由VNA直接測量顯示）。一條平坦的群時延曲線是理想的。如果查看相位曲線(`∠S21 deg`)，理想的線性相位應(yīng)是一條斜率恒定的直線。

* 關(guān)鍵值： 在目標頻帶內(nèi)，找到群時延的最大值 (`τ_max`) 和最小值 (`τ_min`)。群時延平坦度 = `τ_max - τ_min`（單位：秒，常用皮秒ps或納秒ns）。

* 重要性： 群時延不平坦意味著放大器對不同頻率的信號分量引入了不同的時延。這會導(dǎo)致：

* 相位失真： 信號各頻率分量在時間軸上不能對齊。

* 波形失真： 對于脈沖信號或數(shù)字調(diào)制信號，會造成明顯的過沖、下沖、拖尾現(xiàn)象（碼間串擾），嚴重劣化信號質(zhì)量。

* 目標： 群時延平坦度越小越好，表明相位響應(yīng)越接近線性。

?? 總結(jié)

VNA通過測量復(fù)數(shù)S21參數(shù)，天然同步地獲取放大器的增益(`|S21| dB`)和相位(`∠S21 deg`)信息。通過雙軌跡顯示可以直觀地同時觀察這兩條隨頻率變化的曲線。解讀放大器性能時，增益平坦度（反映幅度響應(yīng)的均勻性）和群時延平坦度（反映相位響應(yīng)的線性度/恒定延時特性）是最關(guān)鍵的兩個頻域指標，它們直接影響寬帶信號傳輸?shù)谋Ｕ娑取Ｒ粋€高性能的寬帶放大器，應(yīng)同時具備良好的增益平坦度和群時延平坦度。