矢量网络分析仪校准为什么这么重要

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阻抗测量等。

PNA-X网络分析仪的完整配置

下图显示，有一个正向发送的信号通过被测器件的输入端到达了输出端。从器件的输入端到输出端的测量被称为正向测量。网络分析仪的接收端可以测量入射、反射和传输的信号，以便计算正向 S 参数。

通用网络分析仪的方框图

随着现代技术的发展，元器件的类型越来越复杂，频率越来越高，端口数越来越多，带宽越来越宽，应用的场景越来越繁多，对于测试的要求也越来越严苛。作为准确的矢量网络分析仪测量的基础，校准也面临着更多、更大的挑战，有些特殊的应用场景更是需要格外注意的!

射频测量极其敏感。测试电缆、连接器和夹具都会影响测量。我们要表征的是被测器件，而不是被测器件与矢量网络分析仪之间的电缆。

在默认情况下，矢量网络分析仪会把测试端口之外的一切都视为被测器件。这就意味着网络分析仪的参考平面就在测试端口上。超出参考平面的一切都会包含在测量中。

这些图描述了校准前后的参考平面。在校准之前，网络分析仪端口之外的一切，包括电缆和连接器，都包括在测量中。

在校准之后，参考平面已经移动，因此矢量网络分析仪会校正电缆和连接器，仅测量被测器件。在一个非常高的水平来看，对电缆和连接器执行校准类似于在称重时进行重量归零。

两种常用的矢量网络分析仪校准方法

两种常用的校准方法是 TRL(直通、反射、线路)和 SOLT(短路、开路、负载、直通)。这些方法是阻抗和传输测量的不同组合，用于表征电缆和夹具以进行校准。

这些校准技术包括将具有已知属性的标准件连接到测量装置，以便代替被测器件。矢量网络分析仪可以通过将测量值与标准件的值进行比较，对电缆和连接器进行校正。

在传统上，执行校准时会使用机械标准件。操作员需要单独进行每个连接，然后利用仪器执行测量。一次全双端口校准需要七次机械连接。这个过程非常耗时，并且可能会产生人为错误。

电子校准件仅需一次连接，便可通过电气计算来重现不同类型的负载。电子校准具有快速、可重复和减少连接器磨损的优点。

SOLT和TRL/TRL*校准之间的差别

矢量网络分析仪要求在误差校正测量前执行测量校准。对于二端口测量，确定响应校准套件的校准算法为SOLT或TRL/TRL*。

传统的二端口校准通常用3个阻抗标准和1个传输标准定义校准参考平面。这些标准一般为短路、开路、负载和直通，这就就构成了SOLT校准套件。

另一种二端口校准用最少的3个标准定义校准参考平面。TRL/TRL*校准套件中的馈通、反射和线路标准测量参数提供与使用不同算法SOLT校准同样的信息。

矢量网络分析仪校准，为什么这么重要?

即使再好的测试设备也会存在瑕疵，从而导致测量结果不太理想。这些导致测量误差的缺陷中，有一些是随着时间和温度的变化而可重复和可预测的，并且可以消除，而另一些则是随机的，无法消除。

误差修正对测量结果的影响非常显著。下图中，如果没有误差修正，带通滤波器的测量结果显示出相当大的损耗和纹波。经双端口校准后的迹线消除了系统误差的影响而更加平滑，并且更准确的表示了被测件 (DUT) 的实际性能。

测量滤波器插入损耗

所有测量系统，包括那些使用矢量网络分析仪的系统，都可能受到三种测量误差的困扰：

• 系统性误差

• 随机误差

• 漂移误差

系统误差是由测试设备和测试设置的缺陷引起的。这些误差不随时间而变化，它们可以通过校准来表征，并在测量过程中以数学方法来消除。网络测量中遇到的系统误差与信号泄漏、信号反射和频率响应有关。有六种类型的系统误差：•与信号泄漏有关的方向性和串扰误差•与反射有关的源和负载阻抗失配•由测试接收机内的反射和传输跟踪引起的频率响应误差( 完整的两端口误差模型包括所有六个用于表示正向的误差和另外的六个反向误差，总共有十二个误差项。这就是为什么经常将两端口校准称为十二项误差修正)

随机误差随时间而随机变化。由于它们不可预测，因此无法通过校准将其移除。造成随机误差的主要因素包括仪器噪声(例如IF本底噪声)、开关可重复性和连接器可重复性等。使用网络分析仪时，通常可以通过提高源功率、减小IF带宽或使用多次扫描的迹线平均等方法来降低噪声误差。漂移误差是指经过校准的测试系统的性能发生的变化。这主要是由温度变化引起的，可以通过额外的校准来消除。漂移率决定了需要额外校准的频率。但是，通过构建环境温度稳定的测试环境，通常可以将漂移误差降至最低。虽然可以指定测试设备在0°C 至+55°C 的温度范围内运行，而更可控的温度范围(例如 +25°C ± 5°C)可以通过最大限度地减少漂移误差来提高测量精度，并减少或消除对定期重新校准的依赖。

【矢量网络分析仪多端口校准】

网络分析的早期，几乎所有测量都集中在2端口S参数上。随着矢量网络分析仪VNA功能的扩展，测试功分器、混频器、差分设备等能力的提升推动了4端口矢量网络分析仪VNA的发展，多端口测试的需求越来越多。

现在，很多元器件集成了多种功能于一体，其端口数量不断增加，复杂度也越来越高。像智能手机中多频段操作的射频前端模块 (FEM)、MIMO天线，以及用于射频连接器或电缆组件等高速数字应用的无源互连产品等。

作为完成准确、高效的多端口矢量网络分析仪VNA测试的前提，多端口校准是必要且极具挑战的。校准多端口VNA测试系统要比校准2端口或4端口VNA更耗时，也更复杂。对于N端口设备，有(N-1)*N/2 条可能的路径，每条路径都需要进行相应的2端口校准，些许的疏忽都会造成前功尽弃，因此需要格外注意。

审核编辑：汤梓红