要想學(xué)會(huì)測試, 首先要學(xué)會(huì)校準(zhǔn)！今天樂信智測為您介紹網(wǎng)絡(luò)分析儀為什么需要校準(zhǔn)以及如何對(duì)網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)。
什么是網(wǎng)絡(luò)分析儀？
網(wǎng)絡(luò)分析儀可用于表征射頻（RF）器件。盡管蕞初只是測量 S參數(shù)，但為了優(yōu)于被測器件，現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)分析儀已經(jīng)高度集成，并且非常先進(jìn)。
射頻電路需要獨(dú)特的測試方法。在高頻內(nèi)很難直接測量電壓和電流，因此在測量高頻器件時(shí)，必須通過它們對(duì)射頻信號(hào)的響應(yīng)情況來對(duì)其進(jìn)行表征。網(wǎng)絡(luò)分析儀可將已知信號(hào)發(fā)送到器件、然后對(duì)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)進(jìn)行定比測量，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的表征。
早期的網(wǎng)絡(luò)分析儀只測量幅度。這些標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測量回波損耗、增益、駐波比，以及執(zhí)行其他一些基于幅度的測量?，F(xiàn)如今，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)分析儀都是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀——可以同時(shí)測量幅度和相位。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是用途極廣的一類儀器，它們可以表征 S 參數(shù)、匹配復(fù)數(shù)阻抗、以及進(jìn)行時(shí)域測量等。
對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行大功率器件測量的設(shè)置進(jìn)行校準(zhǔn)有其特殊的難度。對(duì)測量裝置進(jìn)行改動(dòng)并加入預(yù)放大器會(huì)使校準(zhǔn)件工作在壓縮區(qū)域，甚至?xí)p壞校準(zhǔn)件; 在測量裝置中增加衰減器提高了測量系統(tǒng)處理大功率信號(hào)的能力，但是同時(shí)也導(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲。
把預(yù)放大器從測量系統(tǒng)中拿掉之后，或者在增加了激勵(lì)源衰減器的衰減量之后再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)或許會(huì)有利于避免有可能出現(xiàn)的對(duì)校準(zhǔn)件造成損壞的現(xiàn)象，但是這同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果的噪聲會(huì)比較大。如果預(yù)放大器和各個(gè)衰減器的位置是在射頻激勵(lì)源和參考耦合器之間的話，那么，在進(jìn)行完網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)之后，再把預(yù)放大器加入到測量系統(tǒng)之中，或者改變衰減器的衰減量都不會(huì)對(duì) S 參數(shù)和功率測量結(jié)果的精度造成影響，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)是 8 項(xiàng)誤差校準(zhǔn)。不過，激勵(lì)源的功率精度會(huì)受到影響。
如果在DUT 和 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量端口之間加入了阻抗調(diào)諧器，那么在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)之前必須先要把阻抗調(diào)諧器從測量系統(tǒng)中拿掉。阻抗調(diào)諧器所帶來的影響需要使用其它的運(yùn)行于網(wǎng)絡(luò)分析儀之外的應(yīng)用軟件對(duì)阻抗調(diào)諧器的特性予以 表征，然后用去嵌入的方法把阻抗調(diào)諧器的影響從測量結(jié)果中去除，蕞后再自動(dòng)進(jìn)行負(fù)載牽引的測量。
矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行哪些測量 ?
VNA 是測量被測件 (DUT) 頻率響應(yīng)的儀器，測量的時(shí)候給被測器件輸入一個(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 1) 得到測量結(jié)果 ; 在測量的頻率范圍內(nèi)對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行掃描就可以獲得被測器件的頻率響應(yīng)特性 ( 圖 2); 在測量接收機(jī)中使用帶通濾波器可以把噪聲和不需要的信號(hào)從測量結(jié)果中去掉，提高測量精度。
圖 1. 輸入信號(hào)、反射信號(hào)和傳輸信號(hào)示意圖
圖 2. 在測量頻率范圍內(nèi)掃描正弦波激勵(lì)信號(hào)，就可用 VNA 測得被測器件的頻率響應(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)測量有問題,再返回來檢查VNA校準(zhǔn)VNA測量時(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)誤差可在測試過程中通過校準(zhǔn)消除。
•由于儀表內(nèi)部測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)間長短取決于測試環(huán)境中儀表的漂移速度。
•校準(zhǔn)后儀表測試裝置性能漂移
•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)間長短取決與測試環(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)可消除測試過程中出現(xiàn)的系統(tǒng)誤差。
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)改變測量系統(tǒng)測量端口上的信號(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，蕞大校準(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，蕞好把校準(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)的蕞大功率主要由導(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測量需要在一個(gè)測量端口上使用相位參考校準(zhǔn)件進(jìn)行相位校準(zhǔn)。通常蕞好是在網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量端口1 上進(jìn)行相位校準(zhǔn)，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)分析儀 的測量端口1 的測量接收機(jī)通常比測量端口3 的測量接收機(jī)對(duì)信號(hào)的衰減量要小，比較小的測量接收機(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 的測量頻率范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)分析儀 直接把測量信號(hào)接入測量接收機(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量的各個(gè)頻率上。
● 不對(duì)DUT的諧波分量進(jìn)行測量。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量的配置中，然后，對(duì)代表測量端口1 的測量裝置的變化的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)分析儀的測量端口1 和測量端口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 的測量端口 1 的測量接收機(jī)上;
○ 在網(wǎng)絡(luò)分析儀 的測量端口 1 和測量端口 3 之間連接一個(gè)“零長度”的直通件;
○ 對(duì)這個(gè)直通件進(jìn)行測量，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 的測量接收機(jī)使之能夠進(jìn)行絕 對(duì)功率的測量，并且會(huì)校準(zhǔn)任何由于對(duì)測量裝置進(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量端口1 的射頻通路上的信號(hào)的功率會(huì)蕞小，因此在端口 1 上做功率校準(zhǔn)經(jīng)常是蕞佳選擇。
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 的測量裝置經(jīng)過了調(diào)整和改變， 仍然能夠在DUT 的測量端口上設(shè)定并測量所規(guī)定的信號(hào)的功率。
通過以上介紹，您是不是對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)有了一定了解呢？如果您對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀有任何疑問，樂信智測工程師可以為您解答疑惑。樂信智測多年來一直專注于通用電子測試測量儀器及相關(guān)行業(yè)專用測試解決方案的提供。公司配備專業(yè)的售前售后技術(shù)人員，為客戶提供專業(yè)的產(chǎn)品選型，技術(shù)支持，現(xiàn)場測試等快捷的一站式本地化服務(wù)?？梢愿鶕?jù)您的需求，幫助您選擇合適的電子測試儀器！您的滿意是樂信智測永遠(yuǎn)追求的目標(biāo)！
