普源矢量网络分析仪在传感器散射参数与谐振点频偏测试中的应用

声表面波气敏传感器（SAW）主要由压电基片和两个叉指换能器（IDT）构成。输入IDT在交流电信号作用下，通过压电效应激发沿基片表面传播的机械波，输出IDT再将其转换回电信号。当信号频率与IDT结构匹配时，产生谐振频率f₀，此时传输效率最高。通过在IDT之间涂覆敏感薄膜，吸附目标气体后增加质量，降低声波传播速度，从而引起谐振频率下降。通过测量频率偏移即可推算气体浓度。SAW传感器利用频率变化感知外界环境，广泛应用于通信、雷达等领域，尤其在石油化工有毒气体及公共安全检测中具有重要作用。

应用场景简介

对于SAW传感器，矢量网络分析仪是实现其高精度检测的核心仪器，其主要作用是激励传感器并精确追踪其谐振频率的微小变化（即频偏），从而实现对目标气体分子的定量分析。
在工作中，矢量网络分析仪向传感器施加扫频信号，并实时测量其回波损耗（S11）或传输特性（S21），从而精确锁定谐振频率点f₀。而当传感表面的敏感薄膜吸附目标分子后，通常会引入质量与黏弹性变化等，从而导致传播速度与损耗发生变化，表现为特征频率漂移及S21幅度/带宽变化。矢量网络分析仪能够以极高的分辨率捕捉到这个频偏（Δf）变化，且频偏大小与待测气体分子的浓度直接相关。散射参数清楚地显示了在246.5MHz处的显著共振峰。

SAW传感器散射参数：Transmission (S21)、Reflection（S11）

对照测量过程的非空白组中，谐振点频偏（Δf）随时间逐步增加。且分子浓度越高，频偏速度越快，可以由一定时间内谐振点频偏（Δf）结果推理出当前环境待测气体浓度。

不同气体浓度浸染条件下，频偏随时间变化图

使用矢量网络分析仪测量SAW传感器S参数，并通过上位机软件记录信号频率及其频偏参数，实时反映生物分子浓度的变化。

用于监测金黄色葡萄球菌基因序列的SAW生物传感器测试系统示意图

这种高精度测量方法的应用场景十分广泛，例如在工业安全领域，可用于实时监测生产环境中泄漏的剧毒或易燃气体，如硫化氢（H₂S）、氨气（NH₃）等，实现快速预警，在环境监测中进行污染物检测，为空气质量评估提供高灵敏度数据，以及在医疗诊断领域，通过分析呼出气体中的特定生物标志物进行相关疾病的无创早期筛查。

总之，该系统将矢量网络分析仪的测量精度与SAW传感器的高灵敏度相结合，使其在需要快速、可靠、痕量气体检测的科研和高端应用中具有重要价值。

应用挑战

在此类SAW传感应用中，决定整个系统成败的三大核心挑战：

1.微弱频偏的精准捕捉
首先，SAW传感器的核心原理是将微小的质量变化转化为谐振频率的偏移（Δf）。这种频偏极其微弱，通常在Hz或kHz量级，而传感器的中心频率则在MHz或GHz。VNA凭借其极高的频率分辨率和极低的迹线噪声，能够从高频背景中精确地激励并锁定谐振峰，并以极高的精度捕捉到这一微小频偏。足够小的 中频带宽（IFBW） 及高频率分辨率是应对这一挑战的关键。

2.器件特性的全面电学表征

其次，需要完整的电学特性表征。这项测试不仅需要测量频率，还通过测量散射参数（S11和S21）来全面评估传感器的状态。谐振点的传输峰（S21）和反射谷（S11）的位置、幅度等都是重要信息，这些参数的稳定性和一致性是判断传感器是否正常工作的基础，为后续的频偏数据分析提供了可靠的基准。具备全功能的散射参数(S参数)分析功能应对该挑战的关键。

3.自动化过程分析与系统集成

最后，该系统需要能够自动执行扫频、寻峰、数据记录和分析的全过程。从而实现长时间、连续性的实时监控，将静态的单点测量转变为动态的过程分析，这对于研究反应速率或进行连续环境监测至关重要。这要求测试设备具备标准化的程控指令（SCPI）和丰富的接口，能无缝集成到LabVIEW等上位机软件中。
RIGOL方案应对测试挑战

普源精电（RIGOL）于2025年发布了全新产品线 DNA5000/6000 系列矢量网络分析仪（Vector Network Analyzer），能够精准分析测量SAW器件的散射参数，并支持上位机控制与用户编程，通过包括但不限于LabVIEW的上位机软件记录分析仪数据、获取报告等操作。其主要特点包括：

1.极致分辨率与低噪声

· 高频率分辨率：低至1Hz的频率分辨率及1Hz~10MHz可选的中频滤波器带宽，从容应对SAW传感器对微弱频偏测试的要求。

· 超低底噪：低至0.003dBrms的轨迹噪声，确保测试结果的准确性，能够从高频背景中清晰分辨微弱信号。

2.全S参数分析与精准校准

· 全参数支持： 提供从 5 kHz 到 26.5 GHz 的频率范围，支持2个或4个测试端口，支持全面的散射参数(S参数)测试，支持幅度、相位、史密斯圆图、驻波比等多种数据格式，助力测试高效完成。

· 高保真校准： 内置的校准向导会一步步清晰地指引您完成操作，无论是新手还是专家，都能快速、准确地完成设置，确保每一次测量的精度。

· 去嵌入功能： 提供夹具移除与去嵌入 (De-embedding) 功能，有效剥离测试夹具、转接头和线缆带来的影响，精准测量被测件（DUT）本身的真实S参数，确保结果的可靠性。

3.标准指令集与无缝集成

· 标准程控： DNA5000/6000系列矢量网络分析仪采用标准 SCPI 指令，兼容主流厂商指令集，您可以平滑地将其集成或替换到现有测试系统中，无需重写自动化脚本，保留熟悉的工作流程。

· 丰富接口： 配备 HDMI、LAN、USB、GPIB（仅DNA6000系列）等丰富的接口，便于您连接外部显示、实现远程控制，并轻松集成到自动化测试系统中。

整体贡献与综效

01实现从“敏感”到“精确”的跨越

传感器本身只提供了一个对外界变化“敏感”的物理效应。矢量网络分析仪以其卓越的稳定性和分辨率，将这种微弱的物理效应“精确”地转化为稳定、可量化的电学数据（频偏Δf）。使得微量气体分子的痕量检测从理论可能变为了工程现实。

02构建从“器件”到“系统”的桥梁

一个独立的SAW芯片只是一个元器件。矢量网络分析仪通过提供可靠的信号激励、精确的数据采集以及标准化的程控接口，扮演了连接传感核心与数据分析软件的桥梁。它使构建一个集成的、自动化的、可连续工作的完整测试系统成为可能，极大地提升了应用效率。

 03提升从“研发”到“应用”的可靠性

RIGOL DNA5000/6000 系列矢量网络分析仪等现代仪器提供的夹具移除与去嵌入（De-embedding）等高级功能，确保了测量结果的准确性，剥离了测试环境的干扰。其内置的校准向导和友好的交互设计，降低了使用门槛，使得该先进技术能够更可靠、更便捷地从实验室走向工业现场，加速了其在各领域的实际应用进程。

结论

SAW传感系统在工业安全预警、环境污染物监测、生物医疗诊断等场景中广泛存在，而一台性能可靠、便于自动化的测试测量仪器往往会影响系统能否稳定运行。

RIGOL DNA5000/6000 系列矢量网络分析仪在实际应用中体现出明显优势：其宽动态范围、低噪声、强大的数据处理能力，确保了测试结果的精准可靠；同时，其友好的人机交互体验、标准化的接口和便捷的自动化编程支持，也促进了整个传感系统的集成与开发效率。