网络分析仪校准原理及校准方式

要想学会测试, 首先要学会校准，首先，我们还是从校准原理开始吧。
校准原理及校准方式
校准原理
校准原理是对已知参数的校准器件进行测量，将这些测量结果贮存到分析仪的存储器内，利用这些数据来计算误差模型。然后，利用误差模型从后续测量中去除系统误差的影响。
校准过程就是通过测试校准件来明确仪表系统误差的过程。
根据校准件的不同，校准方式可以分机械校准和电子校准。根据消除误差项的不同，机械校准又可分为频响校准和矢量校准。 其中矢量校准又可以分为单端口、双端口、多端口以及TRL 校准。
每种校准方式的校准件数目、测试的次数及消除误差项目的个数都不相同。 校准的精度从高到低分别为： TRL 校准、电子校准、矢量校准、频响校准。

1 频响校准
频响校准(Response)只测试 1 个校准件， 只用进行 1 次校准测试操作。
反射测试时为全反射校准件，可使用短路校准件(Short)或开路校准件(Open)。一般使用终端短路(Short)更接近理想全反射状态。
传输测试时，使用直通校准件(Through)。
频响校准比较简单， 精度低，只消除频率响应误差。频响校准过程相当于测试归一化过程。即先将测试结果存入存储器中得到参考线，然后用被测件测试结果与其比较。这样可消除参考线中系统误差影响。
2 矢量校准
矢量校准要求网络分析仪具有幅度和相位的测试能力，计算误差项的过程中需要联立方程组。矢量校准过程更复杂， 要求测试多个标准件，从而可消除更多的误差项，保证仪表具有更高的测试精度。
2.1 单端口矢量校准
单端口校准(1-Port Cal)需要用到 3 个校准件（ Open、 Short、 Load），进行 3 次校准测试操作。
当校准端口为仪表的端口 1 时，称为 S11 单端口校准；
当校准端口为仪表的端口 2 时，称为 S22单端口校准。
单端口校准可消除被校准端口的 3 项系统误差(方向性误差、 源失配误差、 反射跟踪误差)。
2.2 双端口矢量校准
双端口校准(2-Port Cal)需要用到 4 个校准件（ Open、 Short、 Load、 Through），进行 7 次校准测
试操作。 其中双端口的隔离校准只在测试高隔离（隔离器、开关）、大动态范围（滤波器）器件时才
用到。
当网络分析仪用于被测器件的传输性能测试时， 就需要对网络分析仪的测试端口和传输连接线进行双端口校准。 双端口校准可消除两个测试端口的全部 12 项系统误差。
2.3 多端口矢量校准
多端口校准(3-Port Cal 或 4-Port Cal)是双端口校准的两两组合，因此也需要用到 4 个校准件，但校准测试操作会有所增加。
2.4 TRL 校准
TRL 校准也属于矢量校准，只用于双端口及多端口校准，但与上面描述的传统双端口矢量校准所使用的校准器件及测试方式有所不同。
传统的机械校准的校准件参数不容易精确确定，因为短路件会存在寄生电感，开路件会存在寄生电容。而 TRL 校准使用的是传输线器件， 其参数更容易被确立，且校准精度不完全由校准件决定。
TRL 使用三种校准件：直通校准件(Through)、反射校准件(Reflect)、传输线校准件(Line)。
3 电子校准
Keysight 系列网络分析仪除可以使用传统的机械校准件进行校准外，还可以使用电子校准件（ E-Cal)。
Keysight网络分析仪与电子校准件间的通信控制采用 USB 接口。
与机械校准件相比，电子校准件具有以下特点：
1、校准过程简单， 电子校准件只需要和矢网连接一次，即可完成双端口校准所要求的测试项目。
2、校准速度快， 利用电子校准完成双端口校准只需要几秒钟时间，使整个测试过程的效率大大提高。
3、校准过程中不确定因素少， 由于不需多次的连接过程，所以电子校准受到误操作影响概率会降低。
4、支持混合端口校准， Keysight 可提供混合端口形式的电子校准件，可保证对许多非插入器件测试的准确性。

什么是网络分析仪？
网络分析仪可用于表征射频（RF）器件。尽管最初只是测量 S参数，但为了优于被测器件，现在的网络分析仪已经高度集成，并且非常先进。
射频电路需要独特的测试方法。在高频内很难直接测量电压和电流，因此在测量高频器件时，必须通过它们对射频信号的响应情况来对其进行表征。网络分析仪可将已知信号发送到器件、然后对输入信号和输出信号进行定比测量，以此来实现对器件的表征。
早期的网络分析仪只测量幅度。这些标量网络分析仪可以测量回波损耗、增益、驻波比，以及执行其他一些基于幅度的测量。现如今，大多数网络分析仪都是矢量网络分析仪——可以同时测量幅度和相位。矢量网络分析仪是用途极广的一类仪器，它们可以表征 S 参数、匹配复数阻抗、以及进行时域测量等。
对矢量网络分析仪进行大功率器件测量的设置进行校准有其特殊的难度。对测量装置进行改动并加入预放大器会使校准件工作在压缩区域，甚至会损坏校准件; 在测量装置中增加衰减器提高了测量系统处理大功率信号的能力，但是同时也导致校准结果会产生一定的噪声。
把预放大器从测量系统中拿掉之后，或者在增加了激励源衰减器的衰减量之后再对系统进行校准或许会有利于避免有可能出现的对校准件造成损坏的现象，但是这同时也会导致校准结果的噪声会比较大。如果预放大器和各个衰减器的位置是在射频激励源和参考耦合器之间的话，那么，在进行完网络分析仪的校准之后，再把预放大器加入到测量系统之中，或者改变衰减器的衰减量都不会对 S 参数和功率测量结果的精度造成影响，这是因为网络分析仪的校准是 8 项误差校准。不过，激励源的功率精度会受到影响。
如果在DUT 和矢量网络分析仪的测量端口之间加入了阻抗调谐器，那么在进行网络分析仪校准之前必须先要把阻抗调谐器从测量系统中拿掉。阻抗调谐器所带来的影响需要使用其它的运行于网络分析仪之外的应用软件对阻抗调谐器的特性予以 表征，然后用去嵌入的方法把阻抗调谐器的影响从测量结果中去除，最后再自动进行负载牵引的测量。
网络分析仪原理框图

网络分析仪原理框图
​上图所示为网络分析仪内部组成框图。为完成被测件传输/反射特性测试，网络分析仪包含：
1、激励信号源 -​ 提供被测件激励输入信号。
2、信号分离装置 -含功分器和定向耦合器件，分别提取被测试件输入和反射信号。
3、接收机 -对被测件的反射,传输,输入信号进行测试。通过R1来分析port1输入信号的功率，通过R2来分析port2输入信号的功率。A分析port1反射信号功率和port2输出信号功率，B分析port2反射信号功率和port1输出信号功率。
4、处理显示单元 -​对测试结果进行处理和显示。
​传输特性是被测件输出与输入激励的相对比值，网络分析仪要完成该项测试，需分别得到被测件输入激励信号和输出信号信息。
​反射特性是被测件反射与输入激励的相对比值，网络分析仪要完成该项测试，需分别得到被测件输入激励信号和测试端口反射信号。

审核编辑 黄宇