VNA 是測量被測件 (DUT) 頻率響應(yīng)的儀器，測量的時候給被測器件輸入一個正弦波激勵信號，然后通過計算輸入信號與傳輸信號 (S21) 或反射信號(S11) 之間的矢量幅度比 ( 圖 2) 得到測量結(jié)果 ; 在測量的頻率范圍內(nèi)對輸入的信號進行掃描就可以獲得被測器件的頻率響應(yīng)特性 ( 圖 3); 在測量接收機中使用帶通濾波器可以把噪聲和不需要的信號從測量結(jié)果中去掉，提高測量精度。

圖 2. 輸入信號、反射信號和傳輸信號示意圖。

圖 3. 在測量頻率范圍內(nèi)掃描正弦波激勵信號，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？
正確的校準是使用網(wǎng)絡(luò)分析儀 VNA 的一個難點。網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA測量出來的S參數(shù)是否有錯誤并不能通過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)有問題時可能會懷疑是S參數(shù)測量有問題,再返回來檢查VNA校準VNA測量時的操作有沒有錯誤。
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)分析儀校準種類繁多，操作者容易出現(xiàn)誤區(qū)。有時候校準出來的結(jié)果看很“漂亮”，但其實是錯誤值。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。 由于是不隨時間變化的，從而可以定量進行描述。系統(tǒng)誤差可在測試過程中通過校準消除。
?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)
?不隨時間變化，能夠被定量描述
?可通過校準消除
隨機誤差
隨機誤差是不可預(yù)示的，因為它以隨機形式存在，會隨時間變化，因此不能通過校準消除。隨機誤差的主要來源為：儀表內(nèi)部噪聲(如：激勵源相位噪聲、 采樣噪聲、 中頻接收機本振噪聲等)，儀表的開關(guān)動作重復(fù)性和連接器重復(fù)性也屬于隨機誤差。
?隨時間隨機變化，不可預(yù)示
?不能通過校準消除
?引起隨機誤差的原因: 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，可通過進一步校準消除。校準后儀表能夠保持穩(wěn)定精度的時間長短取決于測試環(huán)境中儀表的漂移速度。
?校準后儀表測試裝置性能漂移
?主要由溫度變化造成
?通過定期計量消除
?保持穩(wěn)定精度的時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)分析儀校準可消除測試過程中出現(xiàn)的系統(tǒng)誤差。
下面是反射特性測試過程中網(wǎng)絡(luò)分析儀存在的系統(tǒng)誤差的具體分析。

測試器件反射特性時網(wǎng)絡(luò)分析儀存在的誤差內(nèi)容
上圖中，正向的反射特性測試存在共 6 項誤差，反向測試存在對稱的 6 項測試誤差，
所以雙端口器件測試中共存在 12 項誤差。
測試器件反射特性時網(wǎng)絡(luò)分析儀存在的誤差內(nèi)容
相位測量功能使得VNA能夠精確地計算所有的誤差來源。方向誤差會影響反射測量的精度。隔離誤差會影響發(fā)射測量的精度。源和負載誤差與被測件和分析儀測量端口阻抗之間的失配有關(guān)。反射和發(fā)射跟蹤誤差與分析儀的參考接收機和測量接收機的頻率響應(yīng)差異有關(guān)。
1、 頻響誤差
網(wǎng)絡(luò)分析儀在掃頻狀態(tài)下工作，無論是儀表內(nèi)部的功分器， 定向耦合器，還是外接的轉(zhuǎn)換接頭和測試電纜等， 在工作頻帶范圍內(nèi)其特性都會隨頻率而變化。這些頻率響應(yīng)特性造成的測試誤差被稱為“頻響誤差”，也被稱為“跟蹤誤差”。 頻響誤差包括反射特性測試存在的反射跟蹤誤差以及傳輸特性測試存在的傳輸跟蹤誤差。
2、 方向性誤差
由于定向耦合器有限方向性造成的誤差為方向性誤差，方向性誤差引起的泄漏信號會疊加在真實的反射信號上，造成測試誤差。當(dāng)被測件端口匹配性能好時，方向性誤差對測試影響較大。
3、 端口失配誤差
反射指標(biāo)測試過程中，反射信號通過傳輸路徑返回儀表端口，儀表端口阻抗與傳輸線間會存在失配，該失配會造成信號二次入射，最終在傳輸路徑中的信號的多次入射，相應(yīng)又形成多次反射，這項誤差稱為源失配誤差。被測件匹配性能越差，該項誤差對測試的影響越明顯。
同樣，被測器件輸出的傳輸信號也會由于接收端阻抗失配造成反射，該信號會通過被測件的反向傳輸而疊加在真實反射信號上。從而形成負載失配誤差。如果被測件反向傳輸隔離性能較差，負載失配誤差的影響較大。
4、 隔離誤差
在網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部 R1、 A、 B 接收機應(yīng)該分別反映測試的輸入、 反射及傳輸信號。但這些接收機之間會存在信號串?dāng)_，對于高隔離被測器件(開關(guān)、 隔離器、 大范圍衰減器)的測試。該項誤差影響明顯。
網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準
矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準包括三個部分: 矢量校準，相位校準和功率校準。網(wǎng)絡(luò)分析儀的自動校準引導(dǎo)程序會告訴用戶一步步地完成這些校準。
網(wǎng)絡(luò)分析儀矢量校準
在進行矢量校準之前，用戶需要先設(shè)定校準信號的功率。
在假設(shè)網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量裝置沒有做調(diào)整改動的情況下，校準信號功率的設(shè)定是 設(shè)定網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量端口上的信號的功率。任何接入到射頻信號路徑中的預(yù)放 大器和衰減器都會改變測量系統(tǒng)測量端口上的信號的功率，在計算真正的校準功率的時候必須要考慮到這一點。
當(dāng)使用電子校準件(ECal)的時候，請謹記，如果校準信號的功率低于-18dBm 的話，電子校準件不能進行“自適應(yīng)調(diào)整”。
當(dāng)使用SOLT 機械校準件(N 型接頭、APC-7 型接頭、3.5 毫米接頭或2.4 毫米接頭) 進行校準的時候，由于負載校準件所能承受的功率有限，最大校準功率在+27 dBm 到+33 dBm 之間。為了避免負載校準件中產(chǎn)生過多的熱量，最好把校準信號的功率控制在+20 dBm 以下。
當(dāng)使用沒有負載校準件的TRL機械校準件進行校準的時候，校準信號的最大 功率主要由導(dǎo)致校準件損壞的信號的電壓和器件的發(fā)熱特性決定，因此不帶負載校準件的TRL校準件比起SOLT校準件來可以用于更大功率的校準信號。
網(wǎng)絡(luò)分析儀相位校準
NVNA測量需要在一個測量端口上使用相位參考校準件進行相位校準。通常最好是在網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量端口1 上進行相位校準，這是因為網(wǎng)絡(luò)分析儀 的測量端口1 的測量接收機通常比測量端口3 的測量接收機對信號的衰減量要小，比較小的測量接收機的衰減直接導(dǎo)致比較好的相位校準結(jié)果。
作為一般的經(jīng)驗，相位參考校準件輸出信號的功率至少應(yīng)該比測量接收機的底噪聲高出20 dB。對于26.5 GHz 的相位參考校準件U9391C 來說，它的頻率間隔為 10 MHz 的每個信號的輸出功率為-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 N5242A 直接把測量信號接入測量接收機的工作模式下的底噪聲的典型值為-128 dBm; 如果在1 GHz的頻點上，測量接受機耦合器的耦合系數(shù)為15 dB 的話，這意味著耦合器和接收機之間的衰減器在 10 Hz 的中頻帶寬和 1 GHz 的頻點上對信號的衰減量應(yīng)該小于 23 dB。我們有幾種方法來處理接收機衰減器對信號造成大的衰減的情況:
增加取平均操作/ 計算的次數(shù)，降低噪聲;
提高驅(qū)動相位參考校準件的信號的頻率來提高它的輸出功率。例如，如果把驅(qū)動相位參考校準件的信號的頻率從10 MHz 提高到100 MHz，那么會使它的輸出功率提高 20 dB，相位參考校準件輸出信號的功率變化和驅(qū)動它的信號的頻率變化的關(guān)系是20log (信號頻率2/ 信號頻率1)。在實際測量中經(jīng)常用到的一個非常好的做法是: 盡可能地使用一個高頻率的信號驅(qū)動相位參考校準件，只要能同時保證它的頻譜成分落在所要測量的各個頻率上。
不對DUT的諧波分量進行測量。如果我們不對DUT的諧波特性進行表征的話， 那么我們就不需要用到相位參考校準件的數(shù)據(jù)。請注意，即便是不對諧波分量進行測量，我們?nèi)匀挥锌赡芴崛〕鲆恍┯杏玫腦 參數(shù)。例如，DUT 對供電電源的敏感性、壓縮特性、在基波頻率上DUT 的匹配特性等的測量結(jié)果仍然能夠形成對仿真很有用的器件的模型。
在完成NVNA 校準的過程中拿掉測量端口1 的衰減器，在NVNA 校準完成之后再把衰減器重新連接到測量的配置中，然后，對代表測量端口1 的測量裝置的變化的S2P 文件進行去嵌入操作。
可以通過以下測量步驟得到這個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;
○ 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“零長度”的直通件;
○ 對這個直通件進行測量，把得到的S2P 文件存儲起來。
網(wǎng)絡(luò)分析儀幅度校準
在進行NVNA 測量的時候，會用功率計對網(wǎng)絡(luò)分析儀 的一個測量端口進行幅度校準，這會校準網(wǎng)絡(luò)分析儀 的測量接收機使之能夠進行絕對功率的測量，并且會校準任何由于對測量裝置進行調(diào)整和改變而造成的誤差。需要注意的是，這種幅度的校準并不能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)分析儀 激勵源輸出信號的功率進行校準。進行一次幅度校準之后，網(wǎng)絡(luò)分析儀再設(shè)定信號的功率時會假設(shè)測量裝置沒有經(jīng)過任何調(diào)整和改動。
通常情況下，因為測量端口1 的射頻通路上的信號的功率會最小，因此在端口 1 上做功率校準經(jīng)常是最佳選擇。
S參數(shù)的校準和功率校準在定義它們的校準功率時所使用的方法是非常不 同的。在進行S 參數(shù)校準時，功率的值是在校準功率的操作界面上設(shè)定的，在S參數(shù)校準中，網(wǎng)絡(luò)分析儀在設(shè)定信號的功率時是假設(shè)測量裝置沒有經(jīng)過任何的調(diào)整和改動的。相比之下，在做功率校準的時候，信號的功率大小是在功率計設(shè)置的操作界面上進行的。在這個操作界面上，如果把信號功率的偏置量設(shè)為0 dB 的話，那么校準功率會與S 參數(shù)校準中所選擇的功率的大小是一樣的， 如果在功率校準的操作界面上輸入一個非零的偏置值就會改變校準功率。在功率校準的過程擋住，網(wǎng)絡(luò)分析儀會對其輸出信號的功率進行調(diào)整直到功率計測量到所規(guī)定的信號功率為止。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)定的信號的功率。


審核編輯 黃宇