VNA 是測(cè)量被測(cè)件 (DUT) 頻率響應(yīng)的儀器，測(cè)量的時(shí)候給被測(cè)器件輸入一個(gè)正弦波激勵(lì)信號(hào)，然后通過計(jì)算輸入信號(hào)與傳輸信號(hào) (S21) 或反射信號(hào)(S11) 之間的矢量幅度比 ( 圖 2) 得到測(cè)量結(jié)果 ; 在測(cè)量的頻率范圍內(nèi)對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行掃描就可以獲得被測(cè)器件的頻率響應(yīng)特性 ( 圖 3); 在測(cè)量接收機(jī)中使用帶通濾波器可以把噪聲和不需要的信號(hào)從測(cè)量結(jié)果中去掉，提高測(cè)量精度。

圖 2. 輸入信號(hào)、反射信號(hào)和傳輸信號(hào)示意圖。

圖 3. 在測(cè)量頻率范圍內(nèi)掃描正弦波激勵(lì)信號(hào)，就可用 VNA 測(cè)得被測(cè)器件的頻率響應(yīng)特性。
網(wǎng)絡(luò)分析儀為什么需要校準(zhǔn)？
正確的校準(zhǔn)是使用網(wǎng)絡(luò)分析儀 VNA 的一個(gè)難點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA測(cè)量出來的S參數(shù)是否有錯(cuò)誤并不能通過VNA直接能檢查出來，只有導(dǎo)入仿真軟件仿真出結(jié)果發(fā)現(xiàn)有問題時(shí)可能會(huì)懷疑是S參數(shù)測(cè)量有問題,再返回來檢查VNA校準(zhǔn)VNA測(cè)量時(shí)的操作有沒有錯(cuò)誤。
網(wǎng)絡(luò)分析儀中的系統(tǒng)誤差分析
由于被測(cè)件的多樣性，使得矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)種類繁多，操作者容易出現(xiàn)誤區(qū)。有時(shí)候校準(zhǔn)出來的結(jié)果看很“漂亮”，但其實(shí)是錯(cuò)誤值。下面將列舉常見的誤區(qū)。
網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試過程中的誤差主要分為三類：系統(tǒng)誤差、 隨機(jī)誤差、 漂移誤差。

系統(tǒng)誤差
系統(tǒng)誤差是由于儀表內(nèi)部測(cè)試裝置的不理想引起，它是可預(yù)示和可重復(fù)出現(xiàn)的。 由于是不隨時(shí)間變化的，從而可以定量進(jìn)行描述。系統(tǒng)誤差可在測(cè)試過程中通過校準(zhǔn)消除。
?由于儀表內(nèi)部測(cè)試裝置的不理想引起
?變化有規(guī)律，可預(yù)示和可重復(fù)出現(xiàn)
?不隨時(shí)間變化，能夠被定量描述
?可通過校準(zhǔn)消除
隨機(jī)誤差
隨機(jī)誤差是不可預(yù)示的，因?yàn)樗噪S機(jī)形式存在，會(huì)隨時(shí)間變化，因此不能通過校準(zhǔn)消除。隨機(jī)誤差的主要來源為：儀表內(nèi)部噪聲(如：激勵(lì)源相位噪聲、 采樣噪聲、 中頻接收機(jī)本振噪聲等)，儀表的開關(guān)動(dòng)作重復(fù)性和連接器重復(fù)性也屬于隨機(jī)誤差。
?隨時(shí)間隨機(jī)變化，不可預(yù)示
?不能通過校準(zhǔn)消除
?引起隨機(jī)誤差的原因: 設(shè)備噪聲，開關(guān)重復(fù)性以及連接器重復(fù)性
漂移誤差
漂移誤差是儀表在校準(zhǔn)后測(cè)試裝置性能漂移。漂移誤差主要是由于溫度變化造成，可通過進(jìn)一步校準(zhǔn)消除。校準(zhǔn)后儀表能夠保持穩(wěn)定精度的時(shí)間長(zhǎng)短取決于測(cè)試環(huán)境中儀表的漂移速度。
?校準(zhǔn)后儀表測(cè)試裝置性能漂移
?主要由溫度變化造成
?通過定期計(jì)量消除
?保持穩(wěn)定精度的時(shí)間長(zhǎng)短取決與測(cè)試環(huán)境中儀表的漂移速度。
網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)誤差的具體分析
網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)可消除測(cè)試過程中出現(xiàn)的系統(tǒng)誤差。
下面是反射特性測(cè)試過程中網(wǎng)絡(luò)分析儀存在的系統(tǒng)誤差的具體分析。

測(cè)試器件反射特性時(shí)網(wǎng)絡(luò)分析儀存在的誤差內(nèi)容
上圖中，正向的反射特性測(cè)試存在共 6 項(xiàng)誤差，反向測(cè)試存在對(duì)稱的 6 項(xiàng)測(cè)試誤差，
所以雙端口器件測(cè)試中共存在 12 項(xiàng)誤差。
測(cè)試器件反射特性時(shí)網(wǎng)絡(luò)分析儀存在的誤差內(nèi)容
相位測(cè)量功能使得VNA能夠精確地計(jì)算所有的誤差來源。方向誤差會(huì)影響反射測(cè)量的精度。隔離誤差會(huì)影響發(fā)射測(cè)量的精度。源和負(fù)載誤差與被測(cè)件和分析儀測(cè)量端口阻抗之間的失配有關(guān)。反射和發(fā)射跟蹤誤差與分析儀的參考接收機(jī)和測(cè)量接收機(jī)的頻率響應(yīng)差異有關(guān)。
1、 頻響誤差
網(wǎng)絡(luò)分析儀在掃頻狀態(tài)下工作，無論是儀表內(nèi)部的功分器， 定向耦合器，還是外接的轉(zhuǎn)換接頭和測(cè)試電纜等， 在工作頻帶范圍內(nèi)其特性都會(huì)隨頻率而變化。這些頻率響應(yīng)特性造成的測(cè)試誤差被稱為“頻響誤差”，也被稱為“跟蹤誤差”。 頻響誤差包括反射特性測(cè)試存在的反射跟蹤誤差以及傳輸特性測(cè)試存在的傳輸跟蹤誤差。
2、 方向性誤差
由于定向耦合器有限方向性造成的誤差為方向性誤差，方向性誤差引起的泄漏信號(hào)會(huì)疊加在真實(shí)的反射信號(hào)上，造成測(cè)試誤差。當(dāng)被測(cè)件端口匹配性能好時(shí)，方向性誤差對(duì)測(cè)試影響較大。
3、 端口失配誤差
反射指標(biāo)測(cè)試過程中，反射信號(hào)通過傳輸路徑返回儀表端口，儀表端口阻抗與傳輸線間會(huì)存在失配，該失配會(huì)造成信號(hào)二次入射，最終在傳輸路徑中的信號(hào)的多次入射，相應(yīng)又形成多次反射，這項(xiàng)誤差稱為源失配誤差。被測(cè)件匹配性能越差，該項(xiàng)誤差對(duì)測(cè)試的影響越明顯。
同樣，被測(cè)器件輸出的傳輸信號(hào)也會(huì)由于接收端阻抗失配造成反射，該信號(hào)會(huì)通過被測(cè)件的反向傳輸而疊加在真實(shí)反射信號(hào)上。從而形成負(fù)載失配誤差。如果被測(cè)件反向傳輸隔離性能較差，負(fù)載失配誤差的影響較大。
4、 隔離誤差
在網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部 R1、 A、 B 接收機(jī)應(yīng)該分別反映測(cè)試的輸入、 反射及傳輸信號(hào)。但這些接收機(jī)之間會(huì)存在信號(hào)串?dāng)_，對(duì)于高隔離被測(cè)器件(開關(guān)、 隔離器、 大范圍衰減器)的測(cè)試。該項(xiàng)誤差影響明顯。
網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)
矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)包括三個(gè)部分: 矢量校準(zhǔn)，相位校準(zhǔn)和功率校準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)分析儀的自動(dòng)校準(zhǔn)引導(dǎo)程序會(huì)告訴用戶一步步地完成這些校準(zhǔn)。
網(wǎng)絡(luò)分析儀矢量校準(zhǔn)
在進(jìn)行矢量校準(zhǔn)之前，用戶需要先設(shè)定校準(zhǔn)信號(hào)的功率。
在假設(shè)網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量裝置沒有做調(diào)整改動(dòng)的情況下，校準(zhǔn)信號(hào)功率的設(shè)定是 設(shè)定網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量端口上的信號(hào)的功率。任何接入到射頻信號(hào)路徑中的預(yù)放 大器和衰減器都會(huì)改變測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量端口上的信號(hào)的功率，在計(jì)算真正的校準(zhǔn)功率的時(shí)候必須要考慮到這一點(diǎn)。
當(dāng)使用電子校準(zhǔn)件(ECal)的時(shí)候，請(qǐng)謹(jǐn)記，如果校準(zhǔn)信號(hào)的功率低于-18dBm 的話，電子校準(zhǔn)件不能進(jìn)行“自適應(yīng)調(diào)整”。
當(dāng)使用SOLT 機(jī)械校準(zhǔn)件(N 型接頭、APC-7 型接頭、3.5 毫米接頭或2.4 毫米接頭) 進(jìn)行校準(zhǔn)的時(shí)候，由于負(fù)載校準(zhǔn)件所能承受的功率有限，最大校準(zhǔn)功率在+27 dBm 到+33 dBm 之間。為了避免負(fù)載校準(zhǔn)件中產(chǎn)生過多的熱量，最好把校準(zhǔn)信號(hào)的功率控制在+20 dBm 以下。
當(dāng)使用沒有負(fù)載校準(zhǔn)件的TRL機(jī)械校準(zhǔn)件進(jìn)行校準(zhǔn)的時(shí)候，校準(zhǔn)信號(hào)的最大 功率主要由導(dǎo)致校準(zhǔn)件損壞的信號(hào)的電壓和器件的發(fā)熱特性決定，因此不帶負(fù)載校準(zhǔn)件的TRL校準(zhǔn)件比起SOLT校準(zhǔn)件來可以用于更大功率的校準(zhǔn)信號(hào)。
網(wǎng)絡(luò)分析儀相位校準(zhǔn)
NVNA測(cè)量需要在一個(gè)測(cè)量端口上使用相位參考校準(zhǔn)件進(jìn)行相位校準(zhǔn)。通常最好是在網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量端口1 上進(jìn)行相位校準(zhǔn)，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)分析儀 的測(cè)量端口1 的測(cè)量接收機(jī)通常比測(cè)量端口3 的測(cè)量接收機(jī)對(duì)信號(hào)的衰減量要小，比較小的測(cè)量接收機(jī)的衰減直接導(dǎo)致比較好的相位校準(zhǔn)結(jié)果。
作為一般的經(jīng)驗(yàn)，相位參考校準(zhǔn)件輸出信號(hào)的功率至少應(yīng)該比測(cè)量接收機(jī)的底噪聲高出20 dB。對(duì)于26.5 GHz 的相位參考校準(zhǔn)件U9391C 來說，它的頻率間隔為 10 MHz 的每個(gè)信號(hào)的輸出功率為-80 dBm。當(dāng)中頻帶寬為 10 Hz，在0.1 GHz 到20 GHz 的測(cè)量頻率范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)分析儀 N5242A 直接把測(cè)量信號(hào)接入測(cè)量接收機(jī)的工作模式下的底噪聲的典型值為-128 dBm; 如果在1 GHz的頻點(diǎn)上，測(cè)量接受機(jī)耦合器的耦合系數(shù)為15 dB 的話，這意味著耦合器和接收機(jī)之間的衰減器在 10 Hz 的中頻帶寬和 1 GHz 的頻點(diǎn)上對(duì)信號(hào)的衰減量應(yīng)該小于 23 dB。我們有幾種方法來處理接收機(jī)衰減器對(duì)信號(hào)造成大的衰減的情況:
增加取平均操作/ 計(jì)算的次數(shù)，降低噪聲;
提高驅(qū)動(dòng)相位參考校準(zhǔn)件的信號(hào)的頻率來提高它的輸出功率。例如，如果把驅(qū)動(dòng)相位參考校準(zhǔn)件的信號(hào)的頻率從10 MHz 提高到100 MHz，那么會(huì)使它的輸出功率提高 20 dB，相位參考校準(zhǔn)件輸出信號(hào)的功率變化和驅(qū)動(dòng)它的信號(hào)的頻率變化的關(guān)系是20log (信號(hào)頻率2/ 信號(hào)頻率1)。在實(shí)際測(cè)量中經(jīng)常用到的一個(gè)非常好的做法是: 盡可能地使用一個(gè)高頻率的信號(hào)驅(qū)動(dòng)相位參考校準(zhǔn)件，只要能同時(shí)保證它的頻譜成分落在所要測(cè)量的各個(gè)頻率上。
不對(duì)DUT的諧波分量進(jìn)行測(cè)量。如果我們不對(duì)DUT的諧波特性進(jìn)行表征的話， 那么我們就不需要用到相位參考校準(zhǔn)件的數(shù)據(jù)。請(qǐng)注意，即便是不對(duì)諧波分量進(jìn)行測(cè)量，我們?nèi)匀挥锌赡芴崛〕鲆恍┯杏玫腦 參數(shù)。例如，DUT 對(duì)供電電源的敏感性、壓縮特性、在基波頻率上DUT 的匹配特性等的測(cè)量結(jié)果仍然能夠形成對(duì)仿真很有用的器件的模型。
在完成NVNA 校準(zhǔn)的過程中拿掉測(cè)量端口1 的衰減器，在NVNA 校準(zhǔn)完成之后再把衰減器重新連接到測(cè)量的配置中，然后，對(duì)代表測(cè)量端口1 的測(cè)量裝置的變化的S2P 文件進(jìn)行去嵌入操作。
可以通過以下測(cè)量步驟得到這個(gè)S2P 文件:
○ 不使用衰減器在網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量端口1 和測(cè)量端口3 之間做2 端口矢量校準(zhǔn);
○ 把衰減器連接到網(wǎng)絡(luò)分析儀 的測(cè)量端口 1 的測(cè)量接收機(jī)上;
○ 在網(wǎng)絡(luò)分析儀 的測(cè)量端口 1 和測(cè)量端口 3 之間連接一個(gè)“零長(zhǎng)度”的直通件;
○ 對(duì)這個(gè)直通件進(jìn)行測(cè)量，把得到的S2P 文件存儲(chǔ)起來。
網(wǎng)絡(luò)分析儀幅度校準(zhǔn)
在進(jìn)行NVNA 測(cè)量的時(shí)候，會(huì)用功率計(jì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)分析儀 的一個(gè)測(cè)量端口進(jìn)行幅度校準(zhǔn)，這會(huì)校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀 的測(cè)量接收機(jī)使之能夠進(jìn)行絕對(duì)功率的測(cè)量，并且會(huì)校準(zhǔn)任何由于對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行調(diào)整和改變而造成的誤差。需要注意的是，這種幅度的校準(zhǔn)并不能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)分析儀 激勵(lì)源輸出信號(hào)的功率進(jìn)行校準(zhǔn)。進(jìn)行一次幅度校準(zhǔn)之后，網(wǎng)絡(luò)分析儀再設(shè)定信號(hào)的功率時(shí)會(huì)假設(shè)測(cè)量裝置沒有經(jīng)過任何調(diào)整和改動(dòng)。
通常情況下，因?yàn)闇y(cè)量端口1 的射頻通路上的信號(hào)的功率會(huì)最小，因此在端口 1 上做功率校準(zhǔn)經(jīng)常是最佳選擇。
S參數(shù)的校準(zhǔn)和功率校準(zhǔn)在定義它們的校準(zhǔn)功率時(shí)所使用的方法是非常不 同的。在進(jìn)行S 參數(shù)校準(zhǔn)時(shí)，功率的值是在校準(zhǔn)功率的操作界面上設(shè)定的，在S參數(shù)校準(zhǔn)中，網(wǎng)絡(luò)分析儀在設(shè)定信號(hào)的功率時(shí)是假設(shè)測(cè)量裝置沒有經(jīng)過任何的調(diào)整和改動(dòng)的。相比之下，在做功率校準(zhǔn)的時(shí)候，信號(hào)的功率大小是在功率計(jì)設(shè)置的操作界面上進(jìn)行的。在這個(gè)操作界面上，如果把信號(hào)功率的偏置量設(shè)為0 dB 的話，那么校準(zhǔn)功率會(huì)與S 參數(shù)校準(zhǔn)中所選擇的功率的大小是一樣的， 如果在功率校準(zhǔn)的操作界面上輸入一個(gè)非零的偏置值就會(huì)改變校準(zhǔn)功率。在功率校準(zhǔn)的過程擋住，網(wǎng)絡(luò)分析儀會(huì)對(duì)其輸出信號(hào)的功率進(jìn)行調(diào)整直到功率計(jì)測(cè)量到所規(guī)定的信號(hào)功率為止。因此，即便是網(wǎng)絡(luò)分析儀 的測(cè)量裝置經(jīng)過了調(diào)整和改變， 仍然能夠在DUT 的測(cè)量端口上設(shè)定并測(cè)量所規(guī)定的信號(hào)的功率。


審核編輯 黃宇