2021年07月15日 | 矢量网络分析仪教准

要想学会测试, 首先要学会校准!

什么是网络分析仪？

网络分析仪可用于表征射频（RF）器件。尽管最初只是测量 S 参数，但为了优于被测器件，现在的网络分析仪已经高度集成，并且非常先进。

射频电路需要独特的测试方法。在高频内很难直接测量电压和电流，因此在测量高频器件时，必须通过它们对射频信号的响应情况来对其进行表征。网络分析仪可将已知信号发送到器件、然后对输入信号和输出信号进行定比测量，以此来实现对器件的表征。

早期的网络分析仪只测量幅度。这些标量网络分析仪可以测量回波损耗、增益、驻波比，以及执行其他一些基于幅度的测量。现如今，大多数网络分析仪都是矢量网络分析仪——可以同时测量幅度和相位。矢量网络分析仪是用途极广的一类仪器，它们可以表征 S 参数、匹配复数阻抗、以及进行时域测量等。

对网络分析仪进行大功率器件测量的设置进行校准有其特殊的难度。对测量装置进行改动并加入预放大器会使校准件工作在压缩区域，甚至会损坏校准件; 在测量装置中增加衰减器提高了测量系统处理大功率信号的能力，但是同时也导致校准结果会产生一定的噪声。

把预放大器从测量系统中拿掉之后，或者在增加了激励源衰减器的衰减量之后再对系统进行校准或许会有利于避免有可能出现的对校准件造成损坏的现象，但是这同时也会导致校准结果的噪声会比较大。如果预放大器和各个衰减器的位置是在射频激励源和参考耦合器之间的话，那么，在进行完网络分析仪的校准之后，再把预放大器加入到测量系统之中，或者改变衰减器的衰减量都不会对 S 参数和功率测量结果的精度造成影响，这是因为网络分析仪的校准是 8 项误差校准。不过，激励源的功率精度会受到影响。

如果在DUT 和 网络分析仪 的测量端口之间加入了阻抗调谐器，那么在进行网络分析仪校准之前必须先要把阻抗调谐器从测量系统中拿掉。阻抗调谐器所带来 的影响需要使用其它的运行于网络分析仪之外的应用软件对阻抗调谐器的特性予以 表征，然后用去嵌入的方法把阻抗调谐器的影响从测量结果中去除，最后再自动进行负载牵引的测量。

网络分析仪的校准包括三个部分: 矢量校准，相位校准和功率校准。网络分析仪的自动校准引导程序会告诉用户一步步地完成这些校准。

矢量校准

● 在进行矢量校准之前，用户需要先设定校准信号的功率。

● 在假设网络分析仪的测量装置没有做调整改动的情况下，校准信号功率的设定是 设定网络分析仪的测量端口上的信号的功率。任何接入到射频信号路径中的预放 大器和衰减器都会改变测量系统测量端口上的信号的功率，在计算真正的校准功率的时候必须要考虑到这一点。

● 当使用电子校准件(ECal)的时候，请谨记，如果校准信号的功率低于-18dBm 的话，电子校准件不能进行“自适应调整”。

● 当使用SOLT 机械校准件(N 型接头、APC-7 型接头、3.5 毫米接头或2.4 毫米接头) 进行校准的时候，由于负载校准件所能承受的功率有限，最大校准功率在+27 dBm 到+33 dBm 之间。为了避免负载校准件中产生过多的热量，最好把校准信号的功率控制在+20 dBm 以下。

● 当使用没有负载校准件的TRL机械校准件进行校准的时候，校准信号的最大 功率主要由导致校准件损坏的信号的电压和器件的发热特性决定，因此不带负载校准件的TRL校准件比起SOLT校准件来可以用于更大功率的校准信号。

相位校准

NVNA测量需要在一个测量端口上使用相位参考校准件进行相位校准。通常最好是在网络分析仪的测量端口1 上进行相位校准，这是因为网络分析仪 的测量端口1 的测量接收机通常比测量端口3 的测量接收机对信号的衰减量要小，比较小的测量接收机的衰减直接导致比较好的相位校准结果。

作为一般的经验，相位参考校准件输出信号的功率至少应该比测量接收机的底噪声高出20 dB。对于26.5 GHz 的相位参考校准件U9391C 来说，它的频率间隔为 10 MHz 的每个信号的输出功率为-80 dBm。当中频带宽为 10 Hz，在0.1 GHz 到20 GHz 的测量频率范围内，网络分析仪 N5242A 直接把测量信号接入测量接收机的工作模式下的底噪声的典型值为-128 dBm; 如果在1 GHz的频点上，测量接受机耦合器的耦合系数为15 dB 的话，这意味着耦合器和接收机之间的衰减器在 10 Hz 的中频带宽和 1 GHz 的频点上对信号的衰减量应该小于 23 dB。我们有几种方法来处理接收机衰减器对信号造成大的衰减的情况:

● 增加取平均操作/ 计算的次数，降低噪声;

● 提高驱动相位参考校准件的信号的频率来提高它的输出功率。例如，如果把驱动相位参考校准件的信号的频率从10 MHz 提高到100 MHz，那么会使它的输出功率提高 20 dB，相位参考校准件输出信号的功率变化和驱动它的信号的频率变化的关系是20log (信号频率2/ 信号频率1)。在实际测量中经常用到的一个非常好的做法是: 尽可能地使用一个高频率的信号驱动相位参考校准件，只要能同时保证它的频谱成分落在所要测量的各个频率上。

● 不对DUT的谐波分量进行测量。如果我们不对DUT的谐波特性进行表征的话， 那么我们就不需要用到相位参考校准件的数据。请注意，即便是不对谐波分量进行测量，我们仍然有可能提取出一些有用的X 参数。例如，DUT 对供电电源的敏感性、压缩特性、在基波频率上DUT 的匹配特性等的测量结果仍然能够形成对仿真很有用的器件的模型。

● 在完成NVNA 校准的过程中拿掉测量端口1 的衰减器，在NVNA 校准完成之后再把衰减器重新连接到测量的配置中，然后，对代表测量端口1 的测量装置的变化的S2P 文件进行去嵌入操作。可以通过以下测量步骤得到这个S2P 文件:

○ 不使用衰减器在网络分析仪的测量端口1 和测量端口3 之间做2 端口矢量校准;

○ 把衰减器连接到网络分析仪 的测量端口 1 的测量接收机上;

○ 在网络分析仪 的测量端口 1 和测量端口 3 之间连接一个“零长度”的直通件;

○ 对这个直通件进行测量，把得到的S2P 文件存储起来。

幅度校准

在进行NVNA 测量的时候，会用功率计对网络分析仪 的一个测量端口进行幅度校准，这会校准网络分析仪 的测量接收机使之能够进行绝对功率的测量，并且会校准任何由于对测量装置进行调整和改变而造成的误差。需要注意的是，这种幅度的校准并不能够对网络分析仪 激励源输出信号的功率进行校准。进行一次幅度校准之后，网络分析仪再设定信号的功率时会假设测量装置没有经过任何调整和改动。

通常情况下，因为测量端口1 的射频通路上的信号的功率会最小，因此在端口 1 上做功率校准经常是最佳选择。

S参数的校准和功率校准在定义它们的校准功率时所使用的方法是非常不 同的。在进行S 参数校准时，功率的值是在校准功率的操作界面上设定的，在S参数校准中，网络分析仪在设定信号的功率时是假设测量装置没有经过任何的调整和改动的。相比之下，在做功率校准的时候，信号的功率大小是在功率计设置的操作界面上进行的。在这个操作界面上，如果把信号功率的偏置量设为0 dB 的话，那么校准功率会与S 参数校准中所选择的功率的大小是一样的， 如果在功率校准的操作界面上输入一个非零的偏置值就会改变校准功率。在功率校准的过程挡住，网络分析仪会对其输出信号的功率进行调整直到功率计测量到所规定的信号功率为止。因此，即便是网络分析仪 的测量装置经过了调整和改变， 仍然能够在DUT 的测量端口上设定并测量所规定的信号的功率。

结论

在用网络分析仪测量大功率器件时，需要保持一定程度的小心和谨慎以避免损坏矢量网络分析仪、辅助测量器件，甚至是对被测器件本身的损坏。

● 在网络分析仪的一些端口上最大可允许的直流输入电平为 0 伏，在配置了选件 H85 时更是要倍加小心，它的射频测量端口能够承受的直流电平就是 0 伏，如有可能，应该使用交流耦合。

● 施加到网络分析仪端口上的射频信号的功率应该比这些端口的射频损坏功率至少 低 3 dB，在理想情况下应该至少低 6 dB。

● 当计算测量设置中某个点的信号的功率时，要确保您所计算的值是反应了最坏结果的情况。例如，如果两个 0 dBm 的信号在相同的频率上合并在一起， 在最坏的情况下，最终所得到的信号的功率可能是 +6 dBm。

● DUT和预放大器可能都会有具体的输入和输出匹配要求，在给这些放大器加 电之前要确保这些匹配条件能够得到满足以避免放大器产生振荡。要对开路工作条件倍加小心。

● DUT和预放大器可能会对加电的顺序很敏感，通常会要求先要保证有正确的 源和负载匹配，然后在打开给放大器供电的直流电源，最后再施加射频激励信号。在打开测量系统之前，您要确保您已经很清楚地了解你所用的预放大器和所要测量的 DUT 的要求。

● 如果测量的设置会在大功率(将近+40 dBm) 上用到网络分析仪测量端口的耦合器， 您要确保您的网络分析仪 配置了选件 H85 (配置了H85 选件之后，网络分析仪 内部的直流偏置部件会被拿掉)，因为导致直流偏置部件损坏的信号的功率只有+30dBm。

● 对网络分析仪进行预置 (Preset) 会使网络分析仪输出信号的功率恢复到预置的状态，这可能会对测量系统和DUT 造成损坏。您应当考虑存储一个“用户预置”状态， 把信号的功率设定在比缺省预置状态的信号的功率低的水平上。

● 在网络分析仪完成了测量以后，网络分析仪 的射频激励源仍然会处于打开的状态。在测量完成后立即把射频激励源关闭是很好的操作习惯，这样会避免使DUT被 激励过热。

矢量网络分析仪VNA 进行哪些测量 ?

VNA 是测量被测件 (DUT) 频率响应的仪器，测量的时候给被测器件输入一个正弦波激励信号，然后通过计算输入信号与传输信号 (S21) 或反射信号(S11) 之间的矢量幅度比 ( 图 2) 得到测量结果 ; 在测量的频率范围内对输入的信号进行扫描就可以获得被测器件的频率响应特性 ( 图 3); 在测量接收机中使用带通滤波器可以把噪声和不需要的信号从测量结果中去掉，提高测量精度。

图 2. 输入信号、反射信号和传输信号示意图。

图 3. 在测量频率范围内扫描正弦波激励信号，就可用 VNA 测得被测器件的频率响应特性。