2021年03月23日 | 矢网系列文章：反射计(Reflectometer)基础介绍

2021-03-23 来源：eefocus

矢量网络分析仪是射频微波器件测试必不可少的设备，主要用于测试器件的S参数及其衍生参数。大多数射频工程师都有接触，但是对于其基本组成及测试原理深度探究的并不多。后面计划写一些文章，专门介绍矢网的基础内容。本文主要介绍矢网的基础组成部分——反射计(Reflectometer)，包含哪些关键部件，以及基本工作原理。

图1给出了反射计的基本结构示意图，主要包含信号源、参考接收机、测量接收机、定向元件及衰减器等部分，有的矢网可能还含有Bias-Tee模块，用于给DUT提供直流偏置。反射计的基本工作过程为：激励源提供的扫频信号或者单频点信号，馈入DUT，经DUT反射的信号经过定向元件进入接收机测试，将测得的信号与激励源提供的信号取比值即可得到反射系数。

曾经在给客户介绍矢网基本原理的时候，被问到“既然矢网上可以设置功率，为什么还需要参考接收机？直接利用测量接收机测试的信号与信号设置功率比较，不就可以确定DUT的传输特性吗？”

这个问题其实并不难，且不论矢网设置的功率是否准确，功率是一个标量，只能表征幅度，却没有相位信息。而S参数测试是矢网最基本的测试功能，不仅仅要得到幅度参数，还要有相位信息，如果参与计算的激励信号是一个标量，那怎么可能得到矢量参数呢？

正因为此，反射计中需要有一个接收机能够对激励信号进行幅度和相位的标定，以此作为参考信号，用于计算DUT的S参数，这就是参考接收机的由来。

图1. 反射计基本架构示意图

源步进衰减器位于激励源与定向元件之间，主要用于扩展矢网端口输出功率范围的，适用于高增益有源器件或模块的测试。接收机步进衰减器位于测量接收机的通道上，防止接收机过载饱和而恶化测试精度。一般在测试PA等大功率应用下，才会用到接收机步进衰减器。

定向元件作为反射计的核心部件之一，主要用于分离入射波和反射波，这样才能够测试反射系数。对于10 GHz以下的矢网，定向元件多数采用VSWR bridge实现，更高频率的矢网基本都采用双定向耦合器。

介绍完了反射计基本架构及各个部件的作用，下面聊聊一个深度问题：源步进衰减器的位置对于测试的影响如何？

目前业界的矢网，源步进衰减器除了具有图1所示的位置，还有一种图2所示的位置，定向元件不再是双定向耦合器，而是使用两个普通的定向耦合器实现的，源步进衰减器位于两个耦合器之间。源步进衰减器的位置不同对测试有什么影响呢？

图2. 衰减器位置不同的反射计架构

如果DUT是无源器件，则一般不需要调节源步进衰减器，所以其位于哪个位置，对测试都没有影响。如果DUT为高增益有源器件或者模块，要求的端口输出功率可能超过了激励源本身输出的动态范围，此时就需要设置源步进衰减器。

对于图1，如果使用了源步进衰减器，端口输出的功率减小的同时，馈入到参考接收机的信号也会减弱，那么SNR就会降低，从而使得测试结果波动较大。但是这种架构的优势就是，强信号(比如-10 dBm)下做完系统误差校准，测试时激励功率降低至弱信号时，校准依然有效，无需重新校准。

对于图2，如果在强信号下做完校准，测试时再使用源步进衰减器降低端口输出功率，则校准将失效。因此，只能在测试时所要求的信号电平上校准。但是，这样会恶化校准精度，因为校准的过程就是测试校准件的过程，如果激励信号小了，测量接收机的SNR就会降低，从而降低了校准精度。对于这种测试场景，只能先在高功率状态下校准，通过一定的方法事先将引入衰减器后的频响变化确定下来，然后再进行补偿，才能保证校准、测试精度。

从源步进衰减器位置的角度看，不同厂家的矢网采用的架构不同，在这种要求低功率激励信号的应用下，各家都有自己的应对措施。比如图1这种架构，为了提高参考接收机的SNR，可以通过降低测量带宽或者平均的方式抑制迹线噪声，这需要在测量速度与精度之间权衡。采用图2所示架构的厂家，据称可以通过技术手段来消除衰减器的变化引入的影响，由于参考接收机受SNR的影响较小，所以迹线噪声相对较小，测试结果更加平滑。

最后介绍一下如何完成准确的反射测试。由于组成反射计的部件并非是理想的，会引入损耗与相移，而且还存在失配，所以直接由两个接收机测得的信号计算出的反射系数并不是DUT真实的反射系数，可以称之为反射系数测量值。如何得到真正的反射系数？

这就需要系统误差校准了，对于单端口反射测试，一般采用精度最高的OSM校准，采用OpenShortMatch三个校准件，就可以求解出所涉及的所有误差项。关于OSM校准，具体细节在前面发布的文章中已有描述，此处不再赘述，可以参考“Knight：浅析矢量网络分析仪误差模型及校准”。

矢网系列反射计基础介绍

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