利用矢量网络分析仪测试大动态范围微波器件的几种方法

利用矢量网络分析仪对微波器件进行测试时，矢量网络分析仪的测试动态范围将影响被测微波器件（DUT）的测量范围、测量精度和测量速度。只有矢量网络分析仪的测试动态范围大于被测微波器件的动态范围时，才能获得准确测试结果，进而在测试精度不受影响的前提下通过设置较宽的中频带宽从而提高测试速度。

矢量网络分析仪工作原理

了解矢量网络分析仪的工作原理和动态范围的定义，对开展大动态范围器件的测试很有必要。它是同时具备信号源和接收机（包括参考接收机和测量接收机）功能的高精度测量仪器，矢量网络分析仪工作原理框图 ，如图1所示。

图1 矢量网络分析仪的原理框图

矢量网络分析仪的测量动态范围，是指矢量网络分析仪接收机能测量到输入的最大功率和最小可测功率（本底噪声）之间的差值。要使测量正确有效，输入信号必须在这个范围内。图2为矢量网络分析仪的测量动态范围示意图。

图2 测量动态范围示意图

由此可知，影响矢量网络分析仪测量动态范围的因素主要有接收机最大输入功率P最大和接收机的本底噪声P最小，由此可以通过增大接收机输入功率和减小接收机本底噪声来增加矢量网络分析仪的动态范围，矢量网络分析仪的测量动态范围由以下参量决定。

1）测量动态范围的上限在系统工作电平较大时会受到系统非线性压缩的影响。

2）动态范围的下限在小信号状态下会受到系统噪声门限的影响。

为了减小测量的不确定度，矢量网络分析仪的动态范围要比被测微波器件的动态范围大，例如，当被测信号至少比本底噪声高10dB时，才能有效提高精度。

利用矢量网络分析仪测试

大动态范围器件的几种方法

2.1 提高被测微波器件的输入功率

提高被测微波器件的输入功率能使矢量网络分析仪更精确地检测被测微波器件的输出功率，但要注意如果矢量网络分析仪接收机输入功率过高，可能引起压缩失真，高到一定程度甚至会损坏接收机，有些矢量网络分析仪的0.1dB压缩点只有+5dBm甚至更低，输入电平在+15dBm时就可能损毁接收机，在采用设置增大矢量网络分析仪输出功率时要特别注意。

测试时还需要注意，如果被测微波器件增益很高，如测试放大器，则不能使用最大的源输出功率，因为，此时接入矢量网络分析仪接收机端口的功率非常大，可能会烧毁矢量网络分析仪的接收机。

在测试大动态范围器件时，建议采用功率计对矢量网络分析仪激励信号源输出电平值进行测试，以减小激励信号源电平不准确引入的测量不确定度。因为矢量网络分析仪在进行S参数测试时，是根据激励信号源和接收机相对功率电平得出测量结果，通常情况下，矢量网络分析仪激励信号源输出电平不准确，依然可以准确测量S参数，但在测试大动态范围器件时，尤其是矢量网络分析仪激励信号源输出电平比标称值偏低超差时，测试将受到很大影响。

KEYSIGHT矢量网络分析仪测试功率通常在【Stimulus】/(激励)菜单中【Power】/(功率)菜单下进行设置。

2.2 减小中频带宽降

低矢量网络分析仪接收机的本底噪声可以增大测量动态范围，而降低本底噪声与中频带通滤波器的带宽【IF Bandwidth】/(中频带宽)的设置有关。矢量网络分析仪测量时，将接收到的响应信号变频到频率较低的中频信号进行处理，减小中频带宽可以降低随机噪声对测量结果的影响，中频带宽每减小10倍就可以使矢量网络分析仪本底噪声降低10dB，从而使测量动态范围提高10dB，矢量网络分析仪在不同中频带宽设置时测试动态范围如图3，通道1中频带宽为100Hz，通道2中频带宽为300kHz。

图3 不同中频带宽下测试的器件动态范围

矢量网络分析仪的中频带宽设置一般可以从1Hz到3MHz，根据机型不同有的甚至更大，但设置较小的中频带宽会使扫描时间变长，测试速度也比较慢。矢量网络分析仪支持对每一个通道或段扫描设置中频带宽，中频带宽通常在【Response】/(响应)菜单下【Avg】/(平均)子菜单中【IF Bandwidth】/(中频带宽)进行设置。

在测试滤波器类微波器件时，建议采用分段扫描工作方式，将滤波器通带和阻带分为不同的分段，可设置不同的中频带宽：在通带内，较大的中频带宽就能得到准确测量结果，同时，获得较快的测试速度；在阻带内，测量结果受矢量网络分析仪本底噪声的影响较大，需要设置较小的中频带宽，以提高测试精度，如图4所示。

图4 采用分段扫描测试滤波器

2.3 设置扫描平均

增加矢量网络分析仪扫描平均，可降低随机噪声对测量的影响，从而增大测量动态范围。矢量网络分析仪通过几次连续扫描，对同一个测量点取平均来计算每一个测量值，平均次数越多，越能够有效降低噪声对测量的影响。

设置扫描平均通常在【Response】/(响应)菜单下【Avg】/(平均)子菜单中进行设置，需要同时设置【Average ON/Off】/(平均打开/关闭)和【Average Factor】/(平均因子)参数。开启平均扫描功能后，降低了随机噪声对测量的影响，扩大了测量动态范围。如图5所示。

图5 矢量网络分析仪启用平均后的随机噪声

增加扫描平均次数，会使扫描时间变长，通常情况下采用增加扫描平均降低噪声提高动态范围，要比减小中频带宽所需时间要长，尤其是平均次数较多时。

2.4 减少矢量网络分析仪接收机串扰

当测量接近于本底噪声的信号时，通过减少矢量网络分析仪接收机的串扰，可以增大动态范围。串扰是指矢量网络分析仪信号路径之间的能量泄漏，理想情况下，只有通过被测件的传输信号到达接收机，实际中会有少量的信号通过矢量网络分析仪中其它路径到达接收机，形成串扰信号。可以通过选择交替扫描方式和进行隔离校准减小串扰的影响。

1）设置交替扫描

在交替扫描方式中，矢量网络分析仪每次扫描时，只对一个接收机进行测量，断开其它接收机，降低接收机的串扰。

设置交替扫描方式通常在【Sweep】/(扫描)菜单下【Sweep Setup】/(扫描设置)子菜单中，对【Alternate Sweeps】/(交替扫描)进行设置。可以独立对矢量网络分析仪每个测量通道设定交替扫描工作方式。

矢量网络分析仪同时开展反射测量和传输测量，采用交替扫描方式时，扫描时间变长。只开展传输测量或反射测量，采用交替扫描方式时，扫描时间影响不大。

2）进行隔离校准

测试工程师在测试常规微波器件时，通常会省略隔离校准，这对测量结果影响不太明显，在测量大动态范围器件时进行隔离校准尤为必要，隔离校准过程能够修正端口间的串扰误差，提高校准精度，从而提高测量结果精度。

隔离校准适用于全双端口SOLT校准和TRL校准，可以在【Cal】/(校准)菜单下【Calibration Wizard】/(校准向导)中，选择【Isolation】/(隔离)进行设置。

在进行隔离校准时，需要在矢量网络分析仪两个测量端口同时连接负载，此时，测量接收机接收到的信号就是矢量网络分析仪内部泄漏的串扰信号，在测量时通过误差修正去除串扰误差。开展隔离校准时，要使用小的中频带宽，同时，打开扫描平均，提高校准精度。

2.5 利用矢量网络分析仪面板跳线

部分矢量网络分析仪安装有面板跳线，比如KEYSIGHT公司的高性能PNA系列矢量网络分析仪，利用这些跳线可以实现较多扩展测试功能，在测试大动态范围器件时就可以使用。

为扩大矢量网络分析仪测量动态范围，可以绕过测试端口耦合器而直接将信号馈入接收机。如图6所示，信号不接测试端口，先取下CPLR ARM—RCVR A IN连接端子，再将信号直接与RCVR A IN连接。

图6 PNA系列网络分析仪面板跳线

结束语

利用矢量网络分析仪，可以方便地测试大动态范围微波器件，只有选择合理的测试参数设置和校准测试方法，才能得到较精确的测试结果，文章介绍了几种利用矢量网络分析仪测试大动态范围器件的方法，这些方法操作简单，在日常测试中已得到很好的应用，希望对其他微波测试工程师能有所帮助。