矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)為什么這么重要

網(wǎng)絡(luò)分析儀可用于表征射頻(RF)器件。盡管最初只是測量 S 參數(shù)，但為了優(yōu)于被測器件，現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)分析儀已經(jīng)高度集成，并且非常先進(jìn)。

射頻電路需要獨(dú)特的測試方法。在高頻內(nèi)很難直接測量電壓和電流，因此在測量高頻器件時，必須通過它們對射頻信號的響應(yīng)情況來對其進(jìn)行表征。網(wǎng)絡(luò)分析儀可將已知信號發(fā)送到器件、然后對輸入信號和輸出信號進(jìn)行定比測量，以此來實現(xiàn)對器件的表征。

早期的網(wǎng)絡(luò)分析儀只測量幅度。這些標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測量回波損耗、增益、駐波比，以及執(zhí)行其他一些基于幅度的測量。

現(xiàn)如今，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)分析儀都是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀——可以同時測量幅度和相位。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是用途極廣的一類儀器，它們可以表征 S 參數(shù)、匹配復(fù)數(shù)阻抗以及進(jìn)行時域阻抗測量等。

PNA-X網(wǎng)絡(luò)分析儀的完整配置

下圖顯示，有一個正向發(fā)送的信號通過被測器件的輸入端到達(dá)了輸出端。從器件的輸入端到輸出端的測量被稱為正向測量。網(wǎng)絡(luò)分析儀的接收端可以測量入射、反射和傳輸?shù)男盘?，以便計算正?S 參數(shù)。

通用網(wǎng)絡(luò)分析儀的方框圖

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，元器件的類型越來越復(fù)雜，頻率越來越高，端口數(shù)越來越多，帶寬越來越寬，應(yīng)用的場景越來越繁多，對于測試的要求也越來越嚴(yán)苛。作為準(zhǔn)確的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量的基礎(chǔ)，校準(zhǔn)也面臨著更多、更大的挑戰(zhàn)，有些特殊的應(yīng)用場景更是需要格外注意的!

射頻測量極其敏感。測試電纜、連接器和夾具都會影響測量。我們要表征的是被測器件，而不是被測器件與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀之間的電纜。

在默認(rèn)情況下，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀會把測試端口之外的一切都視為被測器件。這就意味著網(wǎng)絡(luò)分析儀的參考平面就在測試端口上。超出參考平面的一切都會包含在測量中。

這些圖描述了校準(zhǔn)前后的參考平面。在校準(zhǔn)之前，網(wǎng)絡(luò)分析儀端口之外的一切，包括電纜和連接器，都包括在測量中。

在校準(zhǔn)之后，參考平面已經(jīng)移動，因此矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀會校正電纜和連接器，僅測量被測器件。在一個非常高的水平來看，對電纜和連接器執(zhí)行校準(zhǔn)類似于在稱重時進(jìn)行重量歸零。

兩種常用的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)方法

兩種常用的校準(zhǔn)方法是 TRL(直通、反射、線路)和 SOLT(短路、開路、負(fù)載、直通)。這些方法是阻抗和傳輸測量的不同組合，用于表征電纜和夾具以進(jìn)行校準(zhǔn)。

這些校準(zhǔn)技術(shù)包括將具有已知屬性的標(biāo)準(zhǔn)件連接到測量裝置，以便代替被測器件。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以通過將測量值與標(biāo)準(zhǔn)件的值進(jìn)行比較，對電纜和連接器進(jìn)行校正。

在傳統(tǒng)上，執(zhí)行校準(zhǔn)時會使用機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件。操作員需要單獨(dú)進(jìn)行每個連接，然后利用儀器執(zhí)行測量。一次全雙端口校準(zhǔn)需要七次機(jī)械連接。這個過程非常耗時，并且可能會產(chǎn)生人為錯誤。

電子校準(zhǔn)件僅需一次連接，便可通過電氣計算來重現(xiàn)不同類型的負(fù)載。電子校準(zhǔn)具有快速、可重復(fù)和減少連接器磨損的優(yōu)點(diǎn)。

SOLT和TRL/TRL*校準(zhǔn)之間的差別

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀要求在誤差校正測量前執(zhí)行測量校準(zhǔn)。對于二端口測量，確定響應(yīng)校準(zhǔn)套件的校準(zhǔn)算法為SOLT或TRL/TRL*。

傳統(tǒng)的二端口校準(zhǔn)通常用3個阻抗標(biāo)準(zhǔn)和1個傳輸標(biāo)準(zhǔn)定義校準(zhǔn)參考平面。這些標(biāo)準(zhǔn)一般為短路、開路、負(fù)載和直通，這就就構(gòu)成了SOLT校準(zhǔn)套件。

另一種二端口校準(zhǔn)用最少的3個標(biāo)準(zhǔn)定義校準(zhǔn)參考平面。TRL/TRL*校準(zhǔn)套件中的饋通、反射和線路標(biāo)準(zhǔn)測量參數(shù)提供與使用不同算法SOLT校準(zhǔn)同樣的信息。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)，為什么這么重要?

即使再好的測試設(shè)備也會存在瑕疵，從而導(dǎo)致測量結(jié)果不太理想。這些導(dǎo)致測量誤差的缺陷中，有一些是隨著時間和溫度的變化而可重復(fù)和可預(yù)測的，并且可以消除，而另一些則是隨機(jī)的，無法消除。

誤差修正對測量結(jié)果的影響非常顯著。下圖中，如果沒有誤差修正，帶通濾波器的測量結(jié)果顯示出相當(dāng)大的損耗和紋波。經(jīng)雙端口校準(zhǔn)后的跡線消除了系統(tǒng)誤差的影響而更加平滑，并且更準(zhǔn)確的表示了被測件 (DUT) 的實際性能。

測量濾波器插入損耗

所有測量系統(tǒng)，包括那些使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的系統(tǒng)，都可能受到三種測量誤差的困擾：

? 系統(tǒng)性誤差

? 隨機(jī)誤差

? 漂移誤差

系統(tǒng)誤差是由測試設(shè)備和測試設(shè)置的缺陷引起的。這些誤差不隨時間而變化，它們可以通過校準(zhǔn)來表征，并在測量過程中以數(shù)學(xué)方法來消除。網(wǎng)絡(luò)測量中遇到的系統(tǒng)誤差與信號泄漏、信號反射和頻率響應(yīng)有關(guān)。有六種類型的系統(tǒng)誤差：?與信號泄漏有關(guān)的方向性和串?dāng)_誤差?與反射有關(guān)的源和負(fù)載阻抗失配?由測試接收機(jī)內(nèi)的反射和傳輸跟蹤引起的頻率響應(yīng)誤差( 完整的兩端口誤差模型包括所有六個用于表示正向的誤差和另外的六個反向誤差，總共有十二個誤差項。這就是為什么經(jīng)常將兩端口校準(zhǔn)稱為十二項誤差修正)

隨機(jī)誤差隨時間而隨機(jī)變化。由于它們不可預(yù)測，因此無法通過校準(zhǔn)將其移除。造成隨機(jī)誤差的主要因素包括儀器噪聲(例如IF本底噪聲)、開關(guān)可重復(fù)性和連接器可重復(fù)性等。使用網(wǎng)絡(luò)分析儀時，通常可以通過提高源功率、減小IF帶寬或使用多次掃描的跡線平均等方法來降低噪聲誤差。漂移誤差是指經(jīng)過校準(zhǔn)的測試系統(tǒng)的性能發(fā)生的變化。這主要是由溫度變化引起的，可以通過額外的校準(zhǔn)來消除。漂移率決定了需要額外校準(zhǔn)的頻率。但是，通過構(gòu)建環(huán)境溫度穩(wěn)定的測試環(huán)境，通常可以將漂移誤差降至最低。雖然可以指定測試設(shè)備在0°C 至+55°C 的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，而更可控的溫度范圍(例如 +25°C ± 5°C)可以通過最大限度地減少漂移誤差來提高測量精度，并減少或消除對定期重新校準(zhǔn)的依賴。

【矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀多端口校準(zhǔn)】

網(wǎng)絡(luò)分析的早期，幾乎所有測量都集中在2端口S參數(shù)上。隨著矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA功能的擴(kuò)展，測試功分器、混頻器、差分設(shè)備等能力的提升推動了4端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA的發(fā)展，多端口測試的需求越來越多。

現(xiàn)在，很多元器件集成了多種功能于一體，其端口數(shù)量不斷增加，復(fù)雜度也越來越高。像智能手機(jī)中多頻段操作的射頻前端模塊 (FEM)、MIMO天線，以及用于射頻連接器或電纜組件等高速數(shù)字應(yīng)用的無源互連產(chǎn)品等。

作為完成準(zhǔn)確、高效的多端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA測試的前提，多端口校準(zhǔn)是必要且極具挑戰(zhàn)的。校準(zhǔn)多端口VNA測試系統(tǒng)要比校準(zhǔn)2端口或4端口VNA更耗時，也更復(fù)雜。對于N端口設(shè)備，有(N-1)*N/2 條可能的路徑，每條路徑都需要進(jìn)行相應(yīng)的2端口校準(zhǔn)，些許的疏忽都會造成前功盡棄，因此需要格外注意。

審核編輯：湯梓紅