随着绿色电子系统理念的提出和无线通信领域的迅猛发展，传统的线性系统理论既无法继续支对“大功率、高效率、高宽带”射频电子产品的高效和快速研发，也不能满足无线系统前端部件（射频功率放大器、混频器、调制解调器、振荡器等）对精确表征、建模、仿真、设计和应用的需求。正是在这个大背景下，基于测量（Measurement-based）的非线性矢量网络分析理论得到了学术界和工程界的共同关注和研究推广：不仅相继诞生了大信号S函数、PHD模型（X参数）和Cardiff模型等得到业界认可的重大学术成果，逐步朝着统一、完善的非线性理论演进，更推动了以非线性矢量网络分析仪（NVNA）和大信号网络分析仪（LSNA）为代表的新一代微波毫米波测量技术的发展，为射频无线电测试计量领域带来了革命性的突破。本论文以成功构建国内第一台自主研制的NVNA原型样机为研究基础，重点开展了围绕NVNA测量理论和技术的创新研究工作。在达到“实践掌握进而丰富完善现有NVNA测量理论和技术”的首要目标后，参与到对“基于NVNA测量的非线性行为建模理论”的跟踪研究。所取得的成果为未来国内学者开展相关研究工作提供理论储备和技术支持。本论文主要的研究内容及创新成果如下：首先，成功构建了国内第一台自主研制的NVNA原型样机，在宽带谐波相位测量指标方面已经接近或达到国外商用LSNA和NVNA产品的技术水平，其中作者负责了相位参考的定标和原型样机的全部测试校验工作。然后，在校准理论和技术方面，发掘并利用NVNA的时不变测量特性，提出了两种与经典方法等效的双端口校准新方案，并拓展出基于校准技术的“NVNA校准结果自行检验”以及“NVNA测量有效性和准确性分析”的应用功能。在测量不确定度分析方面，基于NVNA平台校准和测量的原理，分析给出了量值间的测量不确定度传播规律，并根据非线性研究背景下“多频点、多波量、复频率”测量的特点，提出了完整的基于协方差矩阵的NVNA测量不确定度分析方法。在NVNA非线性测量技术方面，提出了多谐波/互调相位参考实现方案，有效地拓展了原型样机对射频调制信号的测量功能，能够解决目前GHz频段上kHz级超高分辨测量的NVNA测量技术难题。最后，在应用NVNA测量结果进行非线性行为建模方面，跟踪研究了最新的包络域动态X参数模型理论，预测了谐波、失配条件下的完整动态X参数数学模型，并给出了具体的模型参数提取方法和检验方案。