矢量网络分析仪进行哪些测量 ?为什么需要校准？

VNA 是测量被测件 (DUT) 频率响应的仪器，测量的时候给被测器件输入一个正弦波激励信号，然后通过计算输入信号与传输信号 (S21) 或反射信号(S11) 之间的矢量幅度比 ( 图 2) 得到测量结果 ; 在测量的频率范围内对输入的信号进行扫描就可以获得被测器件的频率响应特性 ( 图 3); 在测量接收机中使用带通滤波器可以把噪声和不需要的信号从测量结果中去掉，提高测量精度。

图 2. 输入信号、反射信号和传输信号示意图。

图 3. 在测量频率范围内扫描正弦波激励信号，就可用 VNA 测得被测器件的频率响应特性。
网络分析仪为什么需要校准？
正确的校准是使用网络分析仪 VNA 的一个难点。网络分析仪VNA测量出来的S参数是否有错误并不能通过VNA直接能检查出来，只有导入仿真软件仿真出结果发现有问题时可能会怀疑是S参数测量有问题,再返回来检查VNA校准VNA测量时的操作有没有错误。
网络分析仪中的系统误差分析
由于被测件的多样性，使得矢量网络分析仪校准种类繁多，操作者容易出现误区。有时候校准出来的结果看很“漂亮”，但其实是错误值。下面将列举常见的误区。
网络分析仪测试过程中的误差主要分为三类：系统误差、 随机误差、 漂移误差。

系统误差
系统误差是由于仪表内部测试装置的不理想引起，它是可预示和可重复出现的。 由于是不随时间变化的，从而可以定量进行描述。系统误差可在测试过程中通过校准消除。
•由于仪表内部测试装置的不理想引起
•变化有规律，可预示和可重复出现
•不随时间变化，能够被定量描述
•可通过校准消除
随机误差
随机误差是不可预示的，因为它以随机形式存在，会随时间变化，因此不能通过校准消除。随机误差的主要来源为：仪表内部噪声(如：激励源相位噪声、 采样噪声、 中频接收机本振噪声等)，仪表的开关动作重复性和连接器重复性也属于随机误差。
•随时间随机变化，不可预示
•不能通过校准消除
•引起随机误差的原因: 设备噪声，开关重复性以及连接器重复性
漂移误差
漂移误差是仪表在校准后测试装置性能漂移。漂移误差主要是由于温度变化造成，可通过进一步校准消除。校准后仪表能够保持稳定精度的时间长短取决于测试环境中仪表的漂移速度。
•校准后仪表测试装置性能漂移
•主要由温度变化造成
•通过定期计量消除
•保持稳定精度的时间长短取决与测试环境中仪表的漂移速度。
网络分析仪系统误差的具体分析
网络分析仪校准可消除测试过程中出现的系统误差。
下面是反射特性测试过程中网络分析仪存在的系统误差的具体分析。

测试器件反射特性时网络分析仪存在的误差内容
上图中，正向的反射特性测试存在共 6 项误差，反向测试存在对称的 6 项测试误差，
所以双端口器件测试中共存在 12 项误差。
测试器件反射特性时网络分析仪存在的误差内容
相位测量功能使得VNA能够精确地计算所有的误差来源。方向误差会影响反射测量的精度。隔离误差会影响发射测量的精度。源和负载误差与被测件和分析仪测量端口阻抗之间的失配有关。反射和发射跟踪误差与分析仪的参考接收机和测量接收机的频率响应差异有关。
1、 频响误差
网络分析仪在扫频状态下工作，无论是仪表内部的功分器， 定向耦合器，还是外接的转换接头和测试电缆等， 在工作频带范围内其特性都会随频率而变化。这些频率响应特性造成的测试误差被称为“频响误差”，也被称为“跟踪误差”。 频响误差包括反射特性测试存在的反射跟踪误差以及传输特性测试存在的传输跟踪误差。
2、 方向性误差
由于定向耦合器有限方向性造成的误差为方向性误差，方向性误差引起的泄漏信号会叠加在真实的反射信号上，造成测试误差。当被测件端口匹配性能好时，方向性误差对测试影响较大。
3、 端口失配误差
反射指标测试过程中，反射信号通过传输路径返回仪表端口，仪表端口阻抗与传输线间会存在失配，该失配会造成信号二次入射，最终在传输路径中的信号的多次入射，相应又形成多次反射，这项误差称为源失配误差。被测件匹配性能越差，该项误差对测试的影响越明显。
同样，被测器件输出的传输信号也会由于接收端阻抗失配造成反射，该信号会通过被测件的反向传输而叠加在真实反射信号上。从而形成负载失配误差。如果被测件反向传输隔离性能较差，负载失配误差的影响较大。
4、 隔离误差
在网络分析仪内部 R1、 A、 B 接收机应该分别反映测试的输入、 反射及传输信号。但这些接收机之间会存在信号串扰，对于高隔离被测器件(开关、 隔离器、 大范围衰减器)的测试。该项误差影响明显。
网络分析仪的校准
矢量网络分析仪的校准包括三个部分: 矢量校准，相位校准和功率校准。网络分析仪的自动校准引导程序会告诉用户一步步地完成这些校准。
网络分析仪矢量校准
在进行矢量校准之前，用户需要先设定校准信号的功率。
在假设网络分析仪的测量装置没有做调整改动的情况下，校准信号功率的设定是 设定网络分析仪的测量端口上的信号的功率。任何接入到射频信号路径中的预放 大器和衰减器都会改变测量系统测量端口上的信号的功率，在计算真正的校准功率的时候必须要考虑到这一点。
当使用电子校准件(ECal)的时候，请谨记，如果校准信号的功率低于-18dBm 的话，电子校准件不能进行“自适应调整”。
当使用SOLT 机械校准件(N 型接头、APC-7 型接头、3.5 毫米接头或2.4 毫米接头) 进行校准的时候，由于负载校准件所能承受的功率有限，最大校准功率在+27 dBm 到+33 dBm 之间。为了避免负载校准件中产生过多的热量，最好把校准信号的功率控制在+20 dBm 以下。
当使用没有负载校准件的TRL机械校准件进行校准的时候，校准信号的最大 功率主要由导致校准件损坏的信号的电压和器件的发热特性决定，因此不带负载校准件的TRL校准件比起SOLT校准件来可以用于更大功率的校准信号。
网络分析仪相位校准
NVNA测量需要在一个测量端口上使用相位参考校准件进行相位校准。通常最好是在网络分析仪的测量端口1 上进行相位校准，这是因为网络分析仪 的测量端口1 的测量接收机通常比测量端口3 的测量接收机对信号的衰减量要小，比较小的测量接收机的衰减直接导致比较好的相位校准结果。
作为一般的经验，相位参考校准件输出信号的功率至少应该比测量接收机的底噪声高出20 dB。对于26.5 GHz 的相位参考校准件U9391C 来说，它的频率间隔为 10 MHz 的每个信号的输出功率为-80 dBm。当中频带宽为 10 Hz，在0.1 GHz 到20 GHz 的测量频率范围内，网络分析仪 N5242A 直接把测量信号接入测量接收机的工作模式下的底噪声的典型值为-128 dBm; 如果在1 GHz的频点上，测量接受机耦合器的耦合系数为15 dB 的话，这意味着耦合器和接收机之间的衰减器在 10 Hz 的中频带宽和 1 GHz 的频点上对信号的衰减量应该小于 23 dB。我们有几种方法来处理接收机衰减器对信号造成大的衰减的情况:
增加取平均操作/ 计算的次数，降低噪声;
提高驱动相位参考校准件的信号的频率来提高它的输出功率。例如，如果把驱动相位参考校准件的信号的频率从10 MHz 提高到100 MHz，那么会使它的输出功率提高 20 dB，相位参考校准件输出信号的功率变化和驱动它的信号的频率变化的关系是20log (信号频率2/ 信号频率1)。在实际测量中经常用到的一个非常好的做法是: 尽可能地使用一个高频率的信号驱动相位参考校准件，只要能同时保证它的频谱成分落在所要测量的各个频率上。
不对DUT的谐波分量进行测量。如果我们不对DUT的谐波特性进行表征的话， 那么我们就不需要用到相位参考校准件的数据。请注意，即便是不对谐波分量进行测量，我们仍然有可能提取出一些有用的X 参数。例如，DUT 对供电电源的敏感性、压缩特性、在基波频率上DUT 的匹配特性等的测量结果仍然能够形成对仿真很有用的器件的模型。
在完成NVNA 校准的过程中拿掉测量端口1 的衰减器，在NVNA 校准完成之后再把衰减器重新连接到测量的配置中，然后，对代表测量端口1 的测量装置的变化的S2P 文件进行去嵌入操作。
可以通过以下测量步骤得到这个S2P 文件:
○ 不使用衰减器在网络分析仪的测量端口1 和测量端口3 之间做2 端口矢量校准;
○ 把衰减器连接到网络分析仪 的测量端口 1 的测量接收机上;
○ 在网络分析仪 的测量端口 1 和测量端口 3 之间连接一个“零长度”的直通件;
○ 对这个直通件进行测量，把得到的S2P 文件存储起来。
网络分析仪幅度校准
在进行NVNA 测量的时候，会用功率计对网络分析仪 的一个测量端口进行幅度校准，这会校准网络分析仪 的测量接收机使之能够进行绝对功率的测量，并且会校准任何由于对测量装置进行调整和改变而造成的误差。需要注意的是，这种幅度的校准并不能够对网络分析仪 激励源输出信号的功率进行校准。进行一次幅度校准之后，网络分析仪再设定信号的功率时会假设测量装置没有经过任何调整和改动。
通常情况下，因为测量端口1 的射频通路上的信号的功率会最小，因此在端口 1 上做功率校准经常是最佳选择。
S参数的校准和功率校准在定义它们的校准功率时所使用的方法是非常不 同的。在进行S 参数校准时，功率的值是在校准功率的操作界面上设定的，在S参数校准中，网络分析仪在设定信号的功率时是假设测量装置没有经过任何的调整和改动的。相比之下，在做功率校准的时候，信号的功率大小是在功率计设置的操作界面上进行的。在这个操作界面上，如果把信号功率的偏置量设为0 dB 的话，那么校准功率会与S 参数校准中所选择的功率的大小是一样的， 如果在功率校准的操作界面上输入一个非零的偏置值就会改变校准功率。在功率校准的过程挡住，网络分析仪会对其输出信号的功率进行调整直到功率计测量到所规定的信号功率为止。因此，即便是网络分析仪 的测量装置经过了调整和改变， 仍然能够在DUT 的测量端口上设定并测量所规定的信号的功率。


审核编辑 黄宇