当一个多端口网络的所有终端都匹配时，每个输入行波(an)会在各端口之间散射并反射出去。例如，第n个端口输入的波an会散射至第m个端口并产生出射波bm，其间的散射参数Smn定义为bm/an。在双口网络中，有四个重要参数：S11（端口1的反射）、S21（从1到2的传输）、S12（反向传输）和S22（端口2的反射）。当终端匹配时，S11和S22分别代表端口的特性。当某一端口m失配时，反射波会再次进入该端口，形成等效于匹配端口的模型，但带有新的入射波am。这样，可以构建一个包含各端口入射、出射波和散射参数的方程组，从而计算出网络的各种特性参数，如失配时的反射系数、电压驻波比、输入阻抗以及传输系数等，这就是网络分析仪的基本工作原理。
对于单端口网络，它是双口网络的特殊情况，S21=S12=S22恒成立。多端口网络通过在非输入输出端口接入匹配负载，可以转化为双端口网络进行测量。通过选择不同的端口组合作为输入输出，测量相应的参数，可以得到n端口网络的所有n²个散射参数，从而获取其全部特性参数。
在四端口网络分析仪测量S11时，示意图展示了测试单元的工作方式：信号源u通过开关S1和定向耦合器D2输入到被测端口1，生成入射波a1。反射波b1经过定向耦合器和开关传输至接收机，同时信号源u的信号通过D1传输到参考通道。测量的是b1与a1的比例，即S11的幅值和相位。在测量过程中，需要保证端口2和D3都连接匹配负载以满足散射参数的要求。
在实际测量前，仪器会用标准器进行校准，通过与理想值的对比，计算误差因子并存储在计算机中，以便后续的测量结果修正。每一步都涉及复杂的计算，超出了人工操作的范围。
这种网络分析仪被命名为四端口网络分析仪，因其有四个端口，分别用于信号源、被测网络、测量通道和参考通道。然而，它的接收机结构复杂，且误差模型未充分考虑接收机本身的误差。
网络分析仪是测量网络参数的一种新型仪器，可直接测量有源或无源、可逆或不可逆的双口和单口网络的复数散射参数，并以扫频方式给出各散射参数的幅度、相位频率特性。自动网络分析仪能对测量结果逐点进行误差修正，并换算出其他几十种网络参数，如输入反射系数、输出反射系数、电压驻波比、阻抗（或导纳）、衰减（或增益）、相移和群延时等传输参数以及隔离度和定向度等。