網(wǎng)絡(luò)分析儀的誤差、校準(zhǔn)和應(yīng)用

　　摘要：理解矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀不確定度的來源有助于你采取行之有效的用戶校準(zhǔn)方法。對于下圖所示的完整的雙端口網(wǎng)絡(luò)分析儀結(jié)構(gòu)，本文將從前向開始分析。網(wǎng)絡(luò)分析儀在正確使用的前提下，是某些zui的射頻儀器，典型的精度為±0.1dB和±0.1度。它可以進(jìn)行，可重復(fù)的RF測量。現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)分析儀提供的配置和測量能力像他們應(yīng)用范圍一樣廣泛。選擇合適的儀器，校準(zhǔn)，功能，以及采用可靠的RF測量方法，可以*化你的網(wǎng)絡(luò)分析儀的結(jié)果。
　　
　　中心議題：
　　
　　網(wǎng)絡(luò)分析的基本原理誤差和不確定度
　　
　　網(wǎng)絡(luò)分析的校準(zhǔn)
　　
　　網(wǎng)絡(luò)分析的基本原理工序要求
　　
　　網(wǎng)絡(luò)分析的基本原理誤差和不確定度
　　
　　理解矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀不確定度的來源有助于你采取行之有效的用戶校準(zhǔn)方法。對于下圖所示的完整的雙端口網(wǎng)絡(luò)分析儀結(jié)構(gòu)，我們從前向開始分析。
　　
　　圖完整的兩端口網(wǎng)絡(luò)分析儀源的不確定性
　　
　　首先，*個不確定性是傳輸信號和反射信號由于在頻率上或者分別正，反向的軌道導(dǎo)致的信號丟失。其次，DUT的輸入阻抗和網(wǎng)絡(luò)分析儀或系統(tǒng)阻抗的差異。同樣，DUT輸出端也存在類似情況，它們分別屬于源匹配和負(fù)載匹配。
　　
　　用于信號分離的定向耦合器的效率，也需要考慮。理想的定向耦合器在耦合臂產(chǎn)生輸出信號，它是與主臂一個方向上的標(biāo)準(zhǔn)信號成比例，而相反方向的信號不產(chǎn)生輸出信號。耦合器輸出（耦合臂）和標(biāo)準(zhǔn)輸入信號（直通臂）的區(qū)別是耦合系數(shù)。耦合系數(shù)通常在10分貝到30分貝之間，意味著當(dāng)輸入信號以適當(dāng)方向通過直通臂時，輸出RF功率電平比其小10到30分貝。
　　
　　定向耦合器對于反方向的信號不產(chǎn)生輸出。但實(shí)際上，這是很難實(shí)現(xiàn)的。盡管是很小的，反方向的信號通過實(shí)際的耦合器仍然會在輸出端產(chǎn)生不必要的響應(yīng)。這種不需要的信號定義為耦合器泄露。耦合系數(shù)與耦合泄露的差別稱為耦合器的定向性。
　　
　　zui后是隔離。端口2的接收器檢測到端口1輻射或傳導(dǎo)的少量的信號，在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)分析儀，這種不必要的泄露通常很小。總的來說，不影響測量，除非DUT有很高的損失。盡管推薦，在許多現(xiàn)代矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中。隔離在校準(zhǔn)中只是一種可選的操作。
　　
　　一個完整的網(wǎng)絡(luò)分析儀正向不確定性的來源包括：傳輸和反射追蹤;負(fù)載和源匹配;定向性和隔離，這些再結(jié)合反向6個誤差項(xiàng)，共有12誤差項(xiàng)。用戶校準(zhǔn)需要充分考慮這12個誤差，以便得到適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)來用到測量數(shù)據(jù)當(dāng)中。這項(xiàng)修正是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的顯著的精度的主要原因。
　　
　　網(wǎng)絡(luò)分析的校準(zhǔn)
　　
　　RF設(shè)備的校準(zhǔn)經(jīng)常需要把儀器周期性的送到一個經(jīng)過認(rèn)定的儀器校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室來進(jìn)行以確保該儀器運(yùn)行在生產(chǎn)商的說明以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)室也往往把儀器的性能調(diào)整到一個標(biāo)準(zhǔn)，比如說國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院所的標(biāo)準(zhǔn)。（NIST）。
　　
　　網(wǎng)絡(luò)分析儀也不例外。它們太需要周期性的校準(zhǔn)，以至于有時達(dá)不到高的度，用戶的校準(zhǔn)也經(jīng)常被需要。網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)通常通過一個網(wǎng)絡(luò)分析儀的套包的一系列校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)或者是用戶制定，用戶定義的標(biāo)準(zhǔn)來完成。一系列的修正參數(shù)通過比較已經(jīng)知道的存儲在網(wǎng)絡(luò)分析儀的數(shù)據(jù)和根據(jù)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)所產(chǎn)生的測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生了出來。在校準(zhǔn)測試中這些就被用在數(shù)據(jù)中以補(bǔ)償在前面章節(jié)討論過的錯誤源。
　　
　　許多因素決定著用戶校準(zhǔn)需要多久進(jìn)行一次。你需要考慮的因素包括需要的測試精度，環(huán)境因素，以及DUT連接的可重復(fù)性。通常情況下，網(wǎng)絡(luò)分析儀每幾個小時或每幾天需要一次用戶校準(zhǔn)，你應(yīng)當(dāng)根據(jù)核實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)，測試不穩(wěn)定因素來源的認(rèn)定，以及個人經(jīng)驗(yàn)來決定多久才需要進(jìn)行校準(zhǔn)。需要說明一點(diǎn)，本次討論用周期校準(zhǔn)來描述用戶校準(zhǔn)，不要與推薦的每年經(jīng)過認(rèn)定的工廠校準(zhǔn)相混淆。
　　
　　三個系列的校準(zhǔn)經(jīng)常用在網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)當(dāng)中：
　　
　　1.短路的，開路的，負(fù)荷的，直達(dá)的（SOLT）
　　
　　2.直達(dá)的，反射的，線性的（TRL）
　　
　　3.使用外部自動化的校準(zhǔn)模型的自動校準(zhǔn)
　　
　　由于每一個系列的校準(zhǔn)都有很多不同的要求，需要根據(jù)DUT，測試系統(tǒng)，以及測試要求來決定使用哪一種方法。由于SOLT被廣泛地使用，我們用它來說明一個校準(zhǔn)系列中的變化。
　　
　　SOLT要求在系統(tǒng)（和DUT）以及阻抗中采用短路的，開路的，負(fù)荷型的，直通的的標(biāo)準(zhǔn)。由他們的機(jī)械上的特點(diǎn)所決定的的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)在校準(zhǔn)之前被載入到網(wǎng)絡(luò)分析器中。你連接校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的位置（網(wǎng)絡(luò)分析儀端口，線纜的末端，或者在測試的固定裝置里面）就是測試時開始和結(jié)束的地方。這就是參考平臺或者是測試平臺。
　　
　　進(jìn)一步說明，你必須用一個可插入的連接制作一個直通的連接。舉個例子，一個公口對母口的連接，或者其他不需要外部設(shè)備或轉(zhuǎn)接器的連接來完成在SOLT測試期間的直通連接。在校準(zhǔn)期間插入任何器件以及不在校準(zhǔn)測量中使用該器件都會導(dǎo)致測量錯誤。
　　
　　如果你不能做一個直通的連接，將會被稱為不可插入的。這里有幾種方法可以用來處理不可插入的情況。，zui簡單的是使用一套相位相同的（包括在大多數(shù)的校準(zhǔn)套包中）轉(zhuǎn)接器以及每種類型的短路，開路，負(fù)載,在校準(zhǔn)過程中使用一個轉(zhuǎn)接器來完成直通的連接，而且在校準(zhǔn)測試過程中為了DUT連接用一個合適的轉(zhuǎn)接器與其交換。
　　
　　其他校準(zhǔn)在SOLT系列的校準(zhǔn)包括響應(yīng)型校準(zhǔn)。它比較迅速，但是卻沒有移除在頻率上的帶寬損失那樣。它只考慮了在12錯誤模型的正反向的情況。你可以通過放置短路，開路，負(fù)載的情況在端口一來進(jìn)行一個端口的校準(zhǔn)。這樣可以節(jié)省一些時間，如果你只要進(jìn)行一個端口測量的話，比如一個天線的回傳損失。一個加強(qiáng)的一個端口校準(zhǔn)如同一個*的一端口校準(zhǔn)，而且使用直通的連接來測量端口二，這在端口二沒有源的T/R結(jié)構(gòu)中很普遍。zui終這里有按照校準(zhǔn)規(guī)定的可以在兩個端口都放置短路，開路，負(fù)載的*雙端口SOLT校準(zhǔn)。
　　
　　SOLT和TRL校準(zhǔn)有很多變化，你可以在實(shí)際端子不存在比如探針節(jié)點(diǎn)或者如果DUT是在一個測試固定物中的應(yīng)用中使用TRL校準(zhǔn)。因?yàn)門RL并不需要負(fù)載，在這些情況下他可以得到很好的實(shí)現(xiàn)。
　　
　　自動化校準(zhǔn)是一種比較新的途徑，由于它們的速度，可重復(fù)性，簡單易用很快已經(jīng)獲得了流行。更進(jìn)一步，它們?nèi)コ舜蠖鄶?shù)的人工干預(yù)，從而極大地減少了在校準(zhǔn)期間誤操作的概率。這些單元傳統(tǒng)上包括一個電子元件，比如二極管，終端或者其他的標(biāo)志物以及在EEPROM上存儲的經(jīng)過編碼的相關(guān)的細(xì)節(jié)化的電子描述信息。當(dāng)連接到了網(wǎng)絡(luò)分析器上以后，自動校準(zhǔn)就會被設(shè)置到不同的狀態(tài)。在校準(zhǔn)過程中這些狀態(tài)被測量并和EEPROM中存儲的相關(guān)狀態(tài)相比較，以達(dá)到正確的修正值。
　　
　　無論你采用了哪一種校準(zhǔn)方法，隨機(jī)的錯誤發(fā)生來源都應(yīng)當(dāng)予以避免，減少IF帶寬，使用平均值減少噪音，提供更好的結(jié)果。當(dāng)校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀的時候，高質(zhì)量的組成部分，鞏固的測量實(shí)踐，以及一個關(guān)于校準(zhǔn)步驟和儀器的全面理解是同等重要的。
　　
　　網(wǎng)絡(luò)分析的基本原理工序要求
　　
　　當(dāng)用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測量時，需要理解和正確執(zhí)行每個步驟以便得到得到*結(jié)果。使用高性能的元件和全面的測量實(shí)踐。考慮一臺經(jīng)過良好校準(zhǔn)的并提供校正參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)分析儀和一臺要求測量的高性能DUT之間RF連接：
　　
　　是否有電纜，適配器，和其它高性能的組成部分?
　　
　　你是否適當(dāng)?shù)厍鍧嵙怂麄?br />　　
　　是否使用了合適的轉(zhuǎn)矩?
　　
　　如果連接到DUT的RF的性能與規(guī)定的系統(tǒng)精度不相符，即使的網(wǎng)絡(luò)分析儀也是沒有作用的。
　　
　　當(dāng)使用網(wǎng)絡(luò)分析儀時，使用工序是非常有用的。工序可以增強(qiáng)操作并改善結(jié)果。下面是一個使用網(wǎng)絡(luò)分析儀的例子架構(gòu)。
　　
　　準(zhǔn)備
　　
　　準(zhǔn)備網(wǎng)絡(luò)分析儀和DUT
　　
　　清潔，檢查和測量所有連接器
　　
　　如果使用SOLT校準(zhǔn)，選擇一種處理非插入式連接的方法
　　
　　連接分析儀的電纜和適配器到分析儀上
　　
　　操作
　　
　　預(yù)調(diào)網(wǎng)絡(luò)分析儀
　　
　　設(shè)定源參數(shù)，包括頻率，功率，速度系數(shù)和IF帶寬
　　
　　連接DUT，驗(yàn)證安裝，電纜，適配器和運(yùn)行
　　
　　選擇S-參數(shù)測量和顯示格式
　　
　　若可以，設(shè)定特殊的測量目標(biāo)，如參考平面的擴(kuò)展
　　
　　
　　
　　觀察響應(yīng)
　　
　　移除DUT
　　
　　校準(zhǔn)
　　
　　選擇適當(dāng)?shù)男?zhǔn)工具包或定義輸入校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)
　　
　　設(shè)置IF帶寬并平均以zui小化校準(zhǔn)期間的噪聲
　　
　　手動校正或使用自動校準(zhǔn)
　　
　　采用熟知的核查標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證校準(zhǔn)質(zhì)量
　　
　　保存儀器狀態(tài)和校準(zhǔn)
　　
　　執(zhí)行
　　
　　連接DUT
　　
　　從校準(zhǔn)步驟中得到合適的校正參數(shù)
　　
　　測量并保存DUT參數(shù)
　　
　　網(wǎng)絡(luò)分析儀在正確使用的前提下，是某些zui的射頻儀器，典型的精度為±0.1dB和±0.1度。它可以進(jìn)行，可重復(fù)的RF測量。現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)分析儀提供的配置和測量能力像他們應(yīng)用范圍一樣廣泛。選擇合適的儀器，校準(zhǔn)，功能，以及采用可靠的RF測量方法，可以*化你的網(wǎng)絡(luò)分析儀的結(jié)果。