了解矢量网络分析校准的限值

作者：时间：2024-03-08来源：EEPW编译收藏

在本文中，我们比较了矢量分析仪（VNA）的工厂校准和用户校准的范围。然后我们了解校准技术不能纠正的错误类型。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202403/456148.htm

本系列的上一篇文章介绍了矢量网络分析仪（VNA）用户校准的基本概念。在某些方面，用户校准过程类似于称重系统的收费或归零，以消除容器中的误差。当你想要称量一个物体时，你首先把它的空容器放在天平上，然后按下皮重或零按钮。这会将比例设定为零，并指示忽略容器的重量。

同样，在用户校准过程中，我们首先测量一些已知标准。例如，我们可以使用上一篇文章中的短期、开放和（匹配的）负载校准标准。这些测量值允许我们确定互联的影响以及VNA的缺陷，并修正它们的误差项。这种独特的用户校准功能使VNA成为最精确的射频测试仪器。

这些技术并非没有限制，尽管VNA校准可以最小化幅度和相位测量中的系统误差，但它不能校正漂移或随机误差。我们将在本文中讨论这些错误类型。我们还将花时间澄清工厂校准和用户校准之间的差异。与随机误差和漂移误差的讨论一起，这应该有助于您更好地了解VNA用户校准的范围。

工厂校准与用户校准

对于大多数仪表，“校准”是指由制造商或服务中心进行的工厂校准，以确保仪表符合制造商的规范。可能需要定期重复进行工厂校准，通常每年进行一次，以确保仪表在这些规格范围内继续运行。

与任何其他测试设备一样，可变截面叶片也经过了工厂校准。这确保了，除其他外，VNA的接收器测量信号达到规定的精度水平，并且VNA的内部信号源的输出功率和频率符合制造商的要求。如图1中的简化框图所示，工厂校准包括所有VNA直到测试端口连接器。

显示VNA工厂校准范围的简化框图。

•图1。VNA工厂校准包括蓝色轮廓中包含的测试设置的所有部分。图片由提供

一些非理想性会在工厂校准后持续存在。例如，VNA内的定向耦合器仍具有有限的方向性。同样，工厂校准的VNA端口提供了一个不错的匹配，但不是一个完美的匹配。

除了来自虚拟网络分析的这些残余误差项外，还通过测试设置中使用的电缆、适配器等的缺陷将误差引入测量中。上述不匹配误差受电缆损耗和相位响应的影响，这反过来又取决于信号频率和电缆长度。简而言之，误差项取决于以下所有因素：

虚拟网络分析。

测试设置中使用的电缆和连接器。

这就是为什么需要用户校准的原因——它不仅考虑了VNA的缺陷，而且考虑了测试设置中使用的配件的缺陷。这将整个校准参考平面从VNA的测试端口移动到DUT的端口，如图2所示。考虑到互联的影响，我们现在可以单独测量被测器械的性能。

虚拟网络分析测试设置的简化框图。用于VNA用户校准的参考平面以绿色标记。

•图2。虚拟网络分析测试设置的简化框图。用于VNA用户校准的参考平面以绿色标记。

当处理系统误差时，用户校准是有效的，系统误差是随着时间推移趋向一致的测试设置的缺陷。这种一致性使得误差项是可预测的，从而使得校准技术能够确定和校正它们。测试端口失配和有限的耦合器方向性——分别由图3中的红色和品红色路径所示——是可变截面天线系统误差的两个常见来源。

由于有限的耦合器方向性和端口失配导致的不希望信号的路径。

•图3。当使用VNA进行输入反射测量时，由有限的耦合器方向性（洋红色虚线）和测试端口不匹配（红色虚线）导致的不希望信号的路径。

在应用用户校准之前，VNA的方向性和端口匹配可能是大约30dB和22dB。用户校准可以将这些值分别提高到大约45dB和40dB。然而，由随机误差产生的测量不确定度（根据定义，随时间不一致）即使在校准后也会保持不变。

噪声导致的随机误差

校准和实际测量过程中，噪声都会限制测量精度。虽然用户校准不能减少噪声，但我们可以使用其他技术，例如减少中频（IF）带宽或增加平均因子，以最小化噪声对测量的影响。然而，这些噪声的减少是以增加测量时间为代价的。

此外，虽然IF带宽的减少可以显著减少涉及低功率激励的测量的噪声，但它不太可能对高功率测量产生大的影响。要了解为什么要测量噪音，重要的是要知道测量噪音有两个主要因素：

VNA接收机产生的白噪声。

VNA信号源的相位噪声。

当VNA的接收机测量具有低功率电平的信号时，主要噪声源是接收机本身——VNA的信号源在产生低功率激励时产生相对少量的噪声。然而，如果我们的测量需要高水平的刺激，我们正在增加刺激信号的功率水平和噪声水平。

在更高的功率电平下，信号源的相位噪声可以上升到高于接收器的噪声本底。然后，这种相位噪声成为我们测量中噪声的主要因素。随着我们越来越接近中频载频，相位噪声继续增加。因此，当使用高电平信号时，减小VNA的IF带宽可能不能像预期的那样提高噪声性能。

图4显示了具有两个不同功率等级的信号的VNA源的频谱内容。

高功率信号和低功率信号的VNA信号源的光谱内容。

•图4。高功率（暗跟踪）和低功率（光跟踪）信号的VNA信号源的光谱内容。图片由乔尔·P·邓斯莫尔提供

图4中的浅灰色曲线对应于功率等级为-10dBm的刺激信号。我们可以看到，这种情况下的噪声具有平坦的频率特性。这是因为信号源的相位噪声低于接收机的噪声本底。

当我们将功率水平增加到+10dBm时，我们会得到该数字的较暗轨迹。在这种情况下，随着我们接近载频，噪声水平增加。这与相位噪声的典型行为一致，确认信号源的相位噪声为+10dBm。

当测量低电平信号时，从100Hz的IF频率到10Hz通常导致信噪比（SNR）增加10dB。然而，当处理高电平信号时，相同的IF带宽变化可能会产生更小的SNR改善，这是因为相位噪声是主要的噪声源。

噪声并不是我们唯一需要应对的随机误差。接下来，我们将讨论由于缺乏可重复性而导致的错误。

连接器和电缆重复性差导致的随机误差

重复性是指当我们在相同条件下在短时间内重复相同的测量时，测量结果的一致性。需要注意的是，低成本、低质量的电缆和连接器可能会产生不可重复的错误。如果它们不可重复，则不能通过校准进行校正。

为了检查电缆的可重复性，我们首先测量电缆的响应并将其存储在存储器中。接下来，我们在电缆中放置一些弯曲或弯曲，测量弯曲电缆的响应，并将其标准化为第一个实验的结果。利用这些信息，我们可以对电缆重复性进行初步评估。

图5显示了两种不同类型电缆的本程序结果，即左侧的消费品质量RG400电缆和右侧的更高质量电缆。两种电缆的弯曲半径和弯曲角度相同。

消费者质量电缆（左）和相对质量电缆（右）的重复性测试结果。

•图5。消费者质量电缆（左）和更高质量电缆（右）的重复性测试结果。图片由Rohde&Schwarz提供

消费者质量电缆的前向传输（S21）的标准化幅值在测试的频率范围上变化大约0.4dB。在相同范围内，高质量电缆的偏差仅为0.004 dB。

我们可以看到，更高质量的电缆提供了更高程度的重复性，包括更可重复的相位响应。上述讨论还建议，在进行VNA校准后，我们应尽量减少测试设置中电缆的移动。

应注意的是，连接器的重复性可能会对测量精度产生显著影响。有关正确处理连接组件的更多提示，请参阅以下文件：

Rohde&Schwarz矢量网络分析的基本原理。

铜山科技有限公司VNA测量的计量介绍。

漂移误差

我们将讨论的最后一类误差，称为漂移误差，是由校准后测试系统条件发生的任何变化引起的。我们可以通过重新校准测量系统以反映新的条件来消除现有的漂移误差。然而，校准不能防止性能进一步漂移。

漂移通常是由于环境温度和湿度的变化而发生的，因此有时使用温度和湿度控制的房间来减少随时间推移的漂移误差。关于热影响的主题，值得一提的是，我们必须为VNA的内部温度稳定预留足够的时间。为了达到最佳测量精度，上述Copper Mountain Technologies应用程序注释建议VNA预热时间为一小时。

图6显示了我们将仪表放入45°C的温度室内并通电后，一对TR1300/1 VNA的内部温度如何变化。

VNA在温度控制环境中通电后，VNA内部温度随时间的变化。