?了解矢量網絡分析校準的限值

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

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

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

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

工廠校準與用戶校準

對于大多數儀表，“校準”是指由制造商或服務中心進行的工廠校準，以確保儀表符合制造商的規范?？赡苄枰ㄆ谥貜瓦M行工廠校準，通常每年進行一次，以確保儀表在這些規格范圍內繼續運行。

與任何其他測試設備一樣，可變截面葉片也經過了工廠校準。這確保了，除其他外，VNA的接收器測量信號達到規定的精度水平，并且VNA的內部信號源的輸出功率和頻率符合制造商的要求。如圖1中的簡化框圖所示，工廠校準包括所有VNA直到測試端口連接器。

顯示VNA工廠校準范圍的簡化框圖。

?圖1。VNA工廠校準包括藍色輪廓中包含的測試設置的所有部分。圖片由提供

一些非理想性會在工廠校準后持續存在。例如，VNA內的定向耦合器仍具有有限的方向性。同樣，工廠校準的VNA端口提供了一個不錯的匹配，但不是一個完美的匹配。

除了來自虛擬網絡分析的這些殘余誤差項外，還通過測試設置中使用的電纜、適配器等的缺陷將誤差引入測量中。上述不匹配誤差受電纜損耗和相位響應的影響，這反過來又取決于信號頻率和電纜長度。簡而言之，誤差項取決于以下所有因素：

虛擬網絡分析。

測試設置中使用的電纜和連接器。

這就是為什么需要用戶校準的原因——它不僅考慮了VNA的缺陷，而且考慮了測試設置中使用的配件的缺陷。這將整個校準參考平面從VNA的測試端口移動到DUT的端口，如圖2所示?？紤]到互聯的影響，我們現在可以單獨測量被測器械的性能。

虛擬網絡分析測試設置的簡化框圖。用于VNA用戶校準的參考平面以綠色標記。

?圖2。虛擬網絡分析測試設置的簡化框圖。用于VNA用戶校準的參考平面以綠色標記。

當處理系統誤差時，用戶校準是有效的，系統誤差是隨著時間推移趨向一致的測試設置的缺陷。這種一致性使得誤差項是可預測的，從而使得校準技術能夠確定和校正它們。測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誤差的兩個常見來源。

由于有限的耦合器方向性和端口失配導致的不希望信號的路徑。

?圖3。當使用VNA進行輸入反射測量時，由有限的耦合器方向性（洋紅色虛線）和測試端口不匹配（紅色虛線）導致的不希望信號的路徑。

在應用用戶校準之前，VNA的方向性和端口匹配可能是大約30dB和22dB。用戶校準可以將這些值分別提高到大約45dB和40dB。然而，由隨機誤差產生的測量不確定度（根據定義，隨時間不一致）即使在校準后也會保持不變。

噪聲導致的隨機誤差

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

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

VNA接收機產生的白噪聲。

VNA信號源的相位噪聲。

當VNA的接收機測量具有低功率電平的信號時，主要噪聲源是接收機本身——VNA的信號源在產生低功率激勵時產生相對少量的噪聲。然而，如果我們的測量需要高水平的刺激，我們正在增加刺激信號的功率水平和噪聲水平。

在更高的功率電平下，信號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量中噪聲的主要因素。隨著我們越來越接近中頻載頻，相位噪聲繼續增加。因此，當使用高電平信號時，減小VNA的IF帶寬可能不能像預期的那樣提高噪聲性能。

圖4顯示了具有兩個不同功率等級的信號的VNA源的頻譜內容。

高功率信號和低功率信號的VNA信號源的光譜內容。

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

圖4中的淺灰色曲線對應于功率等級為-10dBm的刺激信號。我們可以看到，這種情況下的噪聲具有平坦的頻率特性。這是因為信號源的相位噪聲低于接收機的噪聲本底。

當我們將功率水平增加到+10dBm時，我們會得到該數字的較暗軌跡。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，確認信號源的相位噪聲為+10dBm。

當測量低電平信號時，從100Hz的IF頻率到10Hz通常導致信噪比（SNR）增加10dB。然而，當處理高電平信號時，相同的IF帶寬變化可能會產生更小的SNR改善，這是因為相位噪聲是主要的噪聲源。

噪聲并不是我們唯一需要應對的隨機誤差。接下來，我們將討論由于缺乏可重復性而導致的錯誤。

連接器和電纜重復性差導致的隨機誤差

重復性是指當我們在相同條件下在短時間內重復相同的測量時，測量結果的一致性。需要注意的是，低成本、低質量的電纜和連接器可能會產生不可重復的錯誤。如果它們不可重復，則不能通過校準進行校正。

為了檢查電纜的可重復性，我們首先測量電纜的響應并將其存儲在存儲器中。接下來，我們在電纜中放置一些彎曲或彎曲，測量彎曲電纜的響應，并將其標準化為第一個實驗的結果。利用這些信息，我們可以對電纜重復性進行初步評估。

圖5顯示了兩種不同類型電纜的本程序結果，即左側的消費品質量RG400電纜和右側的更高質量電纜。兩種電纜的彎曲半徑和彎曲角度相同。

消費者質量電纜（左）和相對質量電纜（右）的重復性測試結果。

?圖5。消費者質量電纜（左）和更高質量電纜（右）的重復性測試結果。圖片由Rohde&Schwarz提供

消費者質量電纜的前向傳輸（S21）的標準化幅值在測試的頻率范圍上變化大約0.4dB。在相同范圍內，高質量電纜的偏差僅為0.004 dB。

我們可以看到，更高質量的電纜提供了更高程度的重復性，包括更可重復的相位響應。上述討論還建議，在進行VNA校準后，我們應盡量減少測試設置中電纜的移動。

應注意的是，連接器的重復性可能會對測量精度產生顯著影響。有關正確處理連接組件的更多提示，請參閱以下文件：

Rohde&Schwarz矢量網絡分析的基本原理。

銅山科技有限公司VNA測量的計量介紹。

漂移誤差

我們將討論的最后一類誤差，稱為漂移誤差，是由校準后測試系統條件發生的任何變化引起的。我們可以通過重新校準測量系統以反映新的條件來消除現有的漂移誤差。然而，校準不能防止性能進一步漂移。

漂移通常是由于環境溫度和濕度的變化而發生的，因此有時使用溫度和濕度控制的房間來減少隨時間推移的漂移誤差。關于熱影響的主題，值得一提的是，我們必須為VNA的內部溫度穩定預留足夠的時間。為了達到最佳測量精度，上述Copper Mountain Technologies應用程序注釋建議VNA預熱時間為一小時。

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

VNA在溫度控制環境中通電后，VNA內部溫度隨時間的變化。

?圖6。VNA通電后，VNA內部溫度隨時間變化。圖片由銅礦山科技有限公司提供

在這兩種情況下，我們都會發現VNA的內部溫度要穩定大約需要一個小時。

總結

正如我們所見，VNA用戶校準技術不能糾正測試設置中所有類型的缺陷。然而，它們確實將系統誤差降到最低，使VNA成為射頻和微波工程中最精確的測量儀器之一。通過介紹12項誤差模型和伴隨的校準技術，本系列的下一篇文章將更深入地探討如何。