?了解矢量網(wǎng)絡(luò)分析校準(zhǔn)的限值

在本文中，我們比較了矢量分析儀（VNA）的工廠校準(zhǔn)和用戶校準(zhǔn)的范圍。然后我們了解校準(zhǔn)技術(shù)不能糾正的錯(cuò)誤類型。

本系列的上一篇文章介紹了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）用戶校準(zhǔn)的基本概念。在某些方面，用戶校準(zhǔn)過程類似于稱重系統(tǒng)的收費(fèi)或歸零，以消除容器中的誤差。當(dāng)你想要稱量一個(gè)物體時(shí)，你首先把它的空容器放在天平上，然后按下皮重或零按鈕。這會(huì)將比例設(shè)定為零，并指示忽略容器的重量。

同樣，在用戶校準(zhǔn)過程中，我們首先測(cè)量一些已知標(biāo)準(zhǔn)。例如，我們可以使用上一篇文章中的短期、開放和（匹配的）負(fù)載校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。這些測(cè)量值允許我們確定互聯(lián)的影響以及VNA的缺陷，并修正它們的誤差項(xiàng)。這種獨(dú)特的用戶校準(zhǔn)功能使VNA成為最精確的射頻測(cè)試儀器。

這些技術(shù)并非沒有限制，盡管VNA校準(zhǔn)可以最小化幅度和相位測(cè)量中的系統(tǒng)誤差，但它不能校正漂移或隨機(jī)誤差。我們將在本文中討論這些錯(cuò)誤類型。我們還將花時(shí)間澄清工廠校準(zhǔn)和用戶校準(zhǔn)之間的差異。與隨機(jī)誤差和漂移誤差的討論一起，這應(yīng)該有助于您更好地了解VNA用戶校準(zhǔn)的范圍。

工廠校準(zhǔn)與用戶校準(zhǔn)

對(duì)于大多數(shù)儀表，“校準(zhǔn)”是指由制造商或服務(wù)中心進(jìn)行的工廠校準(zhǔn)，以確保儀表符合制造商的規(guī)范?？赡苄枰ㄆ谥貜?fù)進(jìn)行工廠校準(zhǔn)，通常每年進(jìn)行一次，以確保儀表在這些規(guī)格范圍內(nèi)繼續(xù)運(yùn)行。

與任何其他測(cè)試設(shè)備一樣，可變截面葉片也經(jīng)過了工廠校準(zhǔn)。這確保了，除其他外，VNA的接收器測(cè)量信號(hào)達(dá)到規(guī)定的精度水平，并且VNA的內(nèi)部信號(hào)源的輸出功率和頻率符合制造商的要求。如圖1中的簡(jiǎn)化框圖所示，工廠校準(zhǔn)包括所有VNA直到測(cè)試端口連接器。

顯示VNA工廠校準(zhǔn)范圍的簡(jiǎn)化框圖。

?圖1。VNA工廠校準(zhǔn)包括藍(lán)色輪廓中包含的測(cè)試設(shè)置的所有部分。圖片由提供

一些非理想性會(huì)在工廠校準(zhǔn)后持續(xù)存在。例如，VNA內(nèi)的定向耦合器仍具有有限的方向性。同樣，工廠校準(zhǔn)的VNA端口提供了一個(gè)不錯(cuò)的匹配，但不是一個(gè)完美的匹配。

除了來自虛擬網(wǎng)絡(luò)分析的這些殘余誤差項(xiàng)外，還通過測(cè)試設(shè)置中使用的電纜、適配器等的缺陷將誤差引入測(cè)量中。上述不匹配誤差受電纜損耗和相位響應(yīng)的影響，這反過來又取決于信號(hào)頻率和電纜長(zhǎng)度。簡(jiǎn)而言之，誤差項(xiàng)取決于以下所有因素：

虛擬網(wǎng)絡(luò)分析。

測(cè)試設(shè)置中使用的電纜和連接器。

這就是為什么需要用戶校準(zhǔn)的原因——它不僅考慮了VNA的缺陷，而且考慮了測(cè)試設(shè)置中使用的配件的缺陷。這將整個(gè)校準(zhǔn)參考平面從VNA的測(cè)試端口移動(dòng)到DUT的端口，如圖2所示?？紤]到互聯(lián)的影響，我們現(xiàn)在可以單獨(dú)測(cè)量被測(cè)器械的性能。

虛擬網(wǎng)絡(luò)分析測(cè)試設(shè)置的簡(jiǎn)化框圖。用于VNA用戶校準(zhǔn)的參考平面以綠色標(biāo)記。

?圖2。虛擬網(wǎng)絡(luò)分析測(cè)試設(shè)置的簡(jiǎn)化框圖。用于VNA用戶校準(zhǔn)的參考平面以綠色標(biāo)記。

當(dāng)處理系統(tǒng)誤差時(shí)，用戶校準(zhǔn)是有效的，系統(tǒng)誤差是隨著時(shí)間推移趨向一致的測(cè)試設(shè)置的缺陷。這種一致性使得誤差項(xiàng)是可預(yù)測(cè)的，從而使得校準(zhǔn)技術(shù)能夠確定和校正它們。測(cè)試端口失配和有限的耦合器方向性——分別由圖3中的紅色和品紅色路徑所示——是可變截面天線系統(tǒng)誤差的兩個(gè)常見來源。

由于有限的耦合器方向性和端口失配導(dǎo)致的不希望信號(hào)的路徑。

?圖3。當(dāng)使用VNA進(jìn)行輸入反射測(cè)量時(shí)，由有限的耦合器方向性（洋紅色虛線）和測(cè)試端口不匹配（紅色虛線）導(dǎo)致的不希望信號(hào)的路徑。

在應(yīng)用用戶校準(zhǔn)之前，VNA的方向性和端口匹配可能是大約30dB和22dB。用戶校準(zhǔn)可以將這些值分別提高到大約45dB和40dB。然而，由隨機(jī)誤差產(chǎn)生的測(cè)量不確定度（根據(jù)定義，隨時(shí)間不一致）即使在校準(zhǔn)后也會(huì)保持不變。

噪聲導(dǎo)致的隨機(jī)誤差

校準(zhǔn)和實(shí)際測(cè)量過程中，噪聲都會(huì)限制測(cè)量精度。雖然用戶校準(zhǔn)不能減少噪聲，但我們可以使用其他技術(shù)，例如減少中頻（IF）帶寬或增加平均因子，以最小化噪聲對(duì)測(cè)量的影響。然而，這些噪聲的減少是以增加測(cè)量時(shí)間為代價(jià)的。

此外，雖然IF帶寬的減少可以顯著減少涉及低功率激勵(lì)的測(cè)量的噪聲，但它不太可能對(duì)高功率測(cè)量產(chǎn)生大的影響。要了解為什么要測(cè)量噪音，重要的是要知道測(cè)量噪音有兩個(gè)主要因素：

VNA接收機(jī)產(chǎn)生的白噪聲。

VNA信號(hào)源的相位噪聲。

當(dāng)VNA的接收機(jī)測(cè)量具有低功率電平的信號(hào)時(shí)，主要噪聲源是接收機(jī)本身——VNA的信號(hào)源在產(chǎn)生低功率激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生相對(duì)少量的噪聲。然而，如果我們的測(cè)量需要高水平的刺激，我們正在增加刺激信號(hào)的功率水平和噪聲水平。

在更高的功率電平下，信號(hào)源的相位噪聲可以上升到高于接收器的噪聲本底。然后，這種相位噪聲成為我們測(cè)量中噪聲的主要因素。隨著我們?cè)絹碓浇咏蓄l載頻，相位噪聲繼續(xù)增加。因此，當(dāng)使用高電平信號(hào)時(shí)，減小VNA的IF帶寬可能不能像預(yù)期的那樣提高噪聲性能。

圖4顯示了具有兩個(gè)不同功率等級(jí)的信號(hào)的VNA源的頻譜內(nèi)容。

高功率信號(hào)和低功率信號(hào)的VNA信號(hào)源的光譜內(nèi)容。

?圖4。高功率（暗跟蹤）和低功率（光跟蹤）信號(hào)的VNA信號(hào)源的光譜內(nèi)容。圖片由喬爾·P·鄧斯莫爾提供

圖4中的淺灰色曲線對(duì)應(yīng)于功率等級(jí)為-10dBm的刺激信號(hào)。我們可以看到，這種情況下的噪聲具有平坦的頻率特性。這是因?yàn)樾盘?hào)源的相位噪聲低于接收機(jī)的噪聲本底。

當(dāng)我們將功率水平增加到+10dBm時(shí)，我們會(huì)得到該數(shù)字的較暗軌跡。在這種情況下，隨著我們接近載頻，噪聲水平增加。這與相位噪聲的典型行為一致，確認(rèn)信號(hào)源的相位噪聲為+10dBm。

當(dāng)測(cè)量低電平信號(hào)時(shí)，從100Hz的IF頻率到10Hz通常導(dǎo)致信噪比（SNR）增加10dB。然而，當(dāng)處理高電平信號(hào)時(shí)，相同的IF帶寬變化可能會(huì)產(chǎn)生更小的SNR改善，這是因?yàn)橄辔辉肼暿侵饕脑肼曉础?/p>

噪聲并不是我們唯一需要應(yīng)對(duì)的隨機(jī)誤差。接下來，我們將討論由于缺乏可重復(fù)性而導(dǎo)致的錯(cuò)誤。

連接器和電纜重復(fù)性差導(dǎo)致的隨機(jī)誤差

重復(fù)性是指當(dāng)我們?cè)谙嗤瑮l件下在短時(shí)間內(nèi)重復(fù)相同的測(cè)量時(shí)，測(cè)量結(jié)果的一致性。需要注意的是，低成本、低質(zhì)量的電纜和連接器可能會(huì)產(chǎn)生不可重復(fù)的錯(cuò)誤。如果它們不可重復(fù)，則不能通過校準(zhǔn)進(jìn)行校正。

為了檢查電纜的可重復(fù)性，我們首先測(cè)量電纜的響應(yīng)并將其存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。接下來，我們?cè)陔娎|中放置一些彎曲或彎曲，測(cè)量彎曲電纜的響應(yīng)，并將其標(biāo)準(zhǔn)化為第一個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。利用這些信息，我們可以對(duì)電纜重復(fù)性進(jìn)行初步評(píng)估。

圖5顯示了兩種不同類型電纜的本程序結(jié)果，即左側(cè)的消費(fèi)品質(zhì)量RG400電纜和右側(cè)的更高質(zhì)量電纜。兩種電纜的彎曲半徑和彎曲角度相同。

消費(fèi)者質(zhì)量電纜（左）和相對(duì)質(zhì)量電纜（右）的重復(fù)性測(cè)試結(jié)果。

?圖5。消費(fèi)者質(zhì)量電纜（左）和更高質(zhì)量電纜（右）的重復(fù)性測(cè)試結(jié)果。圖片由Rohde&Schwarz提供

消費(fèi)者質(zhì)量電纜的前向傳輸（S21）的標(biāo)準(zhǔn)化幅值在測(cè)試的頻率范圍上變化大約0.4dB。在相同范圍內(nèi)，高質(zhì)量電纜的偏差僅為0.004 dB。

我們可以看到，更高質(zhì)量的電纜提供了更高程度的重復(fù)性，包括更可重復(fù)的相位響應(yīng)。上述討論還建議，在進(jìn)行VNA校準(zhǔn)后，我們應(yīng)盡量減少測(cè)試設(shè)置中電纜的移動(dòng)。

應(yīng)注意的是，連接器的重復(fù)性可能會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生顯著影響。有關(guān)正確處理連接組件的更多提示，請(qǐng)參閱以下文件：

Rohde&Schwarz矢量網(wǎng)絡(luò)分析的基本原理。

銅山科技有限公司VNA測(cè)量的計(jì)量介紹。

漂移誤差

我們將討論的最后一類誤差，稱為漂移誤差，是由校準(zhǔn)后測(cè)試系統(tǒng)條件發(fā)生的任何變化引起的。我們可以通過重新校準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)以反映新的條件來消除現(xiàn)有的漂移誤差。然而，校準(zhǔn)不能防止性能進(jìn)一步漂移。

漂移通常是由于環(huán)境溫度和濕度的變化而發(fā)生的，因此有時(shí)使用溫度和濕度控制的房間來減少隨時(shí)間推移的漂移誤差。關(guān)于熱影響的主題，值得一提的是，我們必須為VNA的內(nèi)部溫度穩(wěn)定預(yù)留足夠的時(shí)間。為了達(dá)到最佳測(cè)量精度，上述Copper Mountain Technologies應(yīng)用程序注釋建議VNA預(yù)熱時(shí)間為一小時(shí)。

圖6顯示了我們將儀表放入45°C的溫度室內(nèi)并通電后，一對(duì)TR1300/1 VNA的內(nèi)部溫度如何變化。

VNA在溫度控制環(huán)境中通電后，VNA內(nèi)部溫度隨時(shí)間的變化。

?圖6。VNA通電后，VNA內(nèi)部溫度隨時(shí)間變化。圖片由銅礦山科技有限公司提供

在這兩種情況下，我們都會(huì)發(fā)現(xiàn)VNA的內(nèi)部溫度要穩(wěn)定大約需要一個(gè)小時(shí)。

總結(jié)

正如我們所見，VNA用戶校準(zhǔn)技術(shù)不能糾正測(cè)試設(shè)置中所有類型的缺陷。然而，它們確實(shí)將系統(tǒng)誤差降到最低，使VNA成為射頻和微波工程中最精確的測(cè)量?jī)x器之一。通過介紹12項(xiàng)誤差模型和伴隨的校準(zhǔn)技術(shù)，本系列的下一篇文章將更深入地探討如何。