矢量网络分析仪的校准和使用教程

掌握矢量网络分析仪（VNA）的校准是精准测试的前提，尤其在大功率器件测量中更需谨慎操作。测量系统中加入预放大器或衰减器会带来校准挑战：预放大器可能导致校准件进入压缩区甚至损坏；增加衰减器虽提升功率耐受能力，却会引入噪声，影响校准精度。
为避免损坏校准件，可在校准前移除预放大器或增大激励源衰减。若预放大器和衰减器位于射频源与参考耦合器之间，校准后重新接入不会影响S参数和功率测量精度（得益于8项误差模型），但会影响激励源的功率精度。

若在被测器件（DUT）与VNA端口间加入阻抗调谐器，校准前必须将其移除。其影响需通过外部软件建模，并采用去嵌入法消除，再进行负载牵引测量。
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。
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。
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。
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。
安全与操作建议
VNA部分端口最大直流输入为0V，配置选件H85时更需注意，务必使用交流耦合。
施加射频功率应比损坏阈值低至少3dB，理想情况低6dB。
计算功率时考虑最坏情况，如两个0dBm信号同频叠加可能达+6dBm。
DUT和预放大器对源/负载匹配敏感，加电前须满足匹配条件，防止振荡，避免开路。
注意加电顺序：先确保匹配，再开启直流电源，最后施加射频信号。
测量接近+40dBm时，若使用内部耦合器，务必配置选件H85（移除直流偏置部件），因其损坏阈值仅+30dBm。
“预置”（Preset）会恢复默认功率，可能损坏系统，建议设置低功率“用户预置”状态。
测量结束后及时关闭射频输出，防止DUT过热。
综上，正确校准与规范操作是保障测量精度与设备安全的关键。合理配置系统、科学选择校准方式，并严格遵循安全规程，方能充分发挥VNA性能，实现高精度、高可靠的大功率器件测试。

审核编辑 黄宇