普源矢量網絡分析儀在傳感器散射參數與諧振點頻偏測試中的應用

聲表面波氣敏傳感器（SAW）主要由壓電基片和兩個叉指換能器（IDT）構成。輸入IDT在交流電信號作用下，通過壓電效應激發沿基片表面傳播的機械波，輸出IDT再將其轉換回電信號。當信號頻率與IDT結構匹配時，產生諧振頻率f?，此時傳輸效率最高。通過在IDT之間涂覆敏感薄膜，吸附目標氣體后增加質量，降低聲波傳播速度，從而引起諧振頻率下降。通過測量頻率偏移即可推算氣體濃度。SAW傳感器利用頻率變化感知外界環境，廣泛應用于通信、雷達等領域，尤其在石油化工有毒氣體及公共安全檢測中具有重要作用。

應用場景簡介

對于SAW傳感器，矢量網絡分析儀是實現其高精度檢測的核心儀器，其主要作用是激勵傳感器并精確追蹤其諧振頻率的微小變化（即頻偏），從而實現對目標氣體分子的定量分析。
在工作中，矢量網絡分析儀向傳感器施加掃頻信號，并實時測量其回波損耗（S11）或傳輸特性（S21），從而精確鎖定諧振頻率點f?。而當傳感表面的敏感薄膜吸附目標分子后，通常會引入質量與黏彈性變化等，從而導致傳播速度與損耗發生變化，表現為特征頻率漂移及S21幅度/帶寬變化。矢量網絡分析儀能夠以極高的分辨率捕捉到這個頻偏（Δf）變化，且頻偏大小與待測氣體分子的濃度直接相關。散射參數清楚地顯示了在246.5MHz處的顯著共振峰。

SAW傳感器散射參數：Transmission (S21)、Reflection（S11）

對照測量過程的非空白組中，諧振點頻偏（Δf）隨時間逐步增加。且分子濃度越高，頻偏速度越快，可以由一定時間內諧振點頻偏（Δf）結果推理出當前環境待測氣體濃度。

不同氣體濃度浸染條件下，頻偏隨時間變化圖

使用矢量網絡分析儀測量SAW傳感器S參數，并通過上位機軟件記錄信號頻率及其頻偏參數，實時反映生物分子濃度的變化。

用于監測金黃色葡萄球菌基因序列的SAW生物傳感器測試系統示意圖

這種高精度測量方法的應用場景十分廣泛，例如在工業安全領域，可用于實時監測生產環境中泄漏的劇毒或易燃氣體，如硫化氫（H?S）、氨氣（NH?）等，實現快速預警，在環境監測中進行污染物檢測，為空氣質量評估提供高靈敏度數據，以及在醫療診斷領域，通過分析呼出氣體中的特定生物標志物進行相關疾病的無創早期篩查。

總之，該系統將矢量網絡分析儀的測量精度與SAW傳感器的高靈敏度相結合，使其在需要快速、可靠、痕量氣體檢測的科研和高端應用中具有重要價值。

應用挑戰

在此類SAW傳感應用中，決定整個系統成敗的三大核心挑戰：

1.微弱頻偏的精準捕捉
首先，SAW傳感器的核心原理是將微小的質量變化轉化為諧振頻率的偏移（Δf）。這種頻偏極其微弱，通常在Hz或kHz量級，而傳感器的中心頻率則在MHz或GHz。VNA憑借其極高的頻率分辨率和極低的跡線噪聲，能夠從高頻背景中精確地激勵并鎖定諧振峰，并以極高的精度捕捉到這一微小頻偏。足夠小的 中頻帶寬（IFBW） 及高頻率分辨率是應對這一挑戰的關鍵。

2.器件特性的全面電學表征

其次，需要完整的電學特性表征。這項測試不僅需要測量頻率，還通過測量散射參數（S11和S21）來全面評估傳感器的狀態。諧振點的傳輸峰（S21）和反射谷（S11）的位置、幅度等都是重要信息，這些參數的穩定性和一致性是判斷傳感器是否正常工作的基礎，為后續的頻偏數據分析提供了可靠的基準。具備全功能的散射參數(S參數)分析功能應對該挑戰的關鍵。

3.自動化過程分析與系統集成

最后，該系統需要能夠自動執行掃頻、尋峰、數據記錄和分析的全過程。從而實現長時間、連續性的實時監控，將靜態的單點測量轉變為動態的過程分析，這對于研究反應速率或進行連續環境監測至關重要。這要求測試設備具備標準化的程控指令（SCPI）和豐富的接口，能無縫集成到LabVIEW等上位機軟件中。
RIGOL方案應對測試挑戰

普源精電（RIGOL）于2025年發布了全新產品線 DNA5000/6000 系列矢量網絡分析儀（Vector Network Analyzer），能夠精準分析測量SAW器件的散射參數，并支持上位機控制與用戶編程，通過包括但不限于LabVIEW的上位機軟件記錄分析儀數據、獲取報告等操作。其主要特點包括：

1.極致分辨率與低噪聲

· 高頻率分辨率：低至1Hz的頻率分辨率及1Hz~10MHz可選的中頻濾波器帶寬，從容應對SAW傳感器對微弱頻偏測試的要求。

· 超低底噪：低至0.003dBrms的軌跡噪聲，確保測試結果的準確性，能夠從高頻背景中清晰分辨微弱信號。

2.全S參數分析與精準校準

· 全參數支持： 提供從 5 kHz 到 26.5 GHz 的頻率范圍，支持2個或4個測試端口，支持全面的散射參數(S參數)測試，支持幅度、相位、史密斯圓圖、駐波比等多種數據格式，助力測試高效完成。

· 高保真校準： 內置的校準向導會一步步清晰地指引您完成操作，無論是新手還是專家，都能快速、準確地完成設置，確保每一次測量的精度。

· 去嵌入功能： 提供夾具移除與去嵌入 (De-embedding) 功能，有效剝離測試夾具、轉接頭和線纜帶來的影響，精準測量被測件（DUT）本身的真實S參數，確保結果的可靠性。

3.標準指令集與無縫集成

· 標準程控： DNA5000/6000系列矢量網絡分析儀采用標準 SCPI 指令，兼容主流廠商指令集，您可以平滑地將其集成或替換到現有測試系統中，無需重寫自動化腳本，保留熟悉的工作流程。

· 豐富接口： 配備 HDMI、LAN、USB、GPIB（僅DNA6000系列）等豐富的接口，便于您連接外部顯示、實現遠程控制，并輕松集成到自動化測試系統中。

整體貢獻與綜效

01實現從“敏感”到“精確”的跨越

傳感器本身只提供了一個對外界變化“敏感”的物理效應。矢量網絡分析儀以其卓越的穩定性和分辨率，將這種微弱的物理效應“精確”地轉化為穩定、可量化的電學數據（頻偏Δf）。使得微量氣體分子的痕量檢測從理論可能變為了工程現實。

02構建從“器件”到“系統”的橋梁

一個獨立的SAW芯片只是一個元器件。矢量網絡分析儀通過提供可靠的信號激勵、精確的數據采集以及標準化的程控接口，扮演了連接傳感核心與數據分析軟件的橋梁。它使構建一個集成的、自動化的、可連續工作的完整測試系統成為可能，極大地提升了應用效率。

 03提升從“研發”到“應用”的可靠性

RIGOL DNA5000/6000 系列矢量網絡分析儀等現代儀器提供的夾具移除與去嵌入（De-embedding）等高級功能，確保了測量結果的準確性，剝離了測試環境的干擾。其內置的校準向導和友好的交互設計，降低了使用門檻，使得該先進技術能夠更可靠、更便捷地從實驗室走向工業現場，加速了其在各領域的實際應用進程。

結論

SAW傳感系統在工業安全預警、環境污染物監測、生物醫療診斷等場景中廣泛存在，而一臺性能可靠、便于自動化的測試測量儀器往往會影響系統能否穩定運行。

RIGOL DNA5000/6000 系列矢量網絡分析儀在實際應用中體現出明顯優勢：其寬動態范圍、低噪聲、強大的數據處理能力，確保了測試結果的精準可靠；同時，其友好的人機交互體驗、標準化的接口和便捷的自動化編程支持，也促進了整個傳感系統的集成與開發效率。