矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的誤差分析和處理

1、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的誤差分析和處理一、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的誤差來源矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量的誤差主要有漂移誤差、隨機誤差、系統(tǒng)誤差這三大種類。1、漂移誤差漂移誤差是由于進行校準(zhǔn)之后儀器或測試系統(tǒng)性能發(fā)生變化所引起，主要由測試裝置內(nèi)部互連電纜的熱膨脹特性以及微波變頻器的變換穩(wěn)定性引起，且可以通過重新校準(zhǔn)來消除。校準(zhǔn)維持精確的時間范圍取決于在測試環(huán)境下測試系統(tǒng)所經(jīng)受到的漂移速率。通常，提供穩(wěn)定的環(huán)境溫度便能將漂移減至最小。2、隨機誤差隨機誤差是不可預(yù)測的且不能通過誤差予以消除，然而，有若干可以將其對測量精度的影響減至最小的方法，以下是隨機誤差的三個主要來源：（1）儀器噪聲誤差噪聲是分析儀元件中產(chǎn)生的不希望的電

2、擾動。這些擾動包括：接收機的寬帶本底噪聲引起的低電平噪聲；測試裝置內(nèi)部本振源的本底噪聲和相位噪聲引起的高電平噪聲或跡線數(shù)據(jù)抖動?？梢酝ㄟ^采取以下一種或多種措施來減小噪聲誤差：提高饋至被測裝置的源功率；減小中頻帶寬；應(yīng)用多次測量掃描平均。（2）開關(guān)重復(fù)性誤差分析儀中使用了用來轉(zhuǎn)換源衰減器設(shè)置的機械射頻開關(guān)。有時，機械射頻開關(guān)動作時，觸點的閉合不同于其上次動作的閉合。在分析儀內(nèi)部出現(xiàn)這種情況時，便會嚴重影響測量的精度。在關(guān)鍵性測量期間，避免轉(zhuǎn)換衰減器設(shè)置，可以減小開關(guān)重復(fù)性誤差的影響。（3）連接器重復(fù)性誤差連接器的磨損會改變電性能?？梢酝ㄟ^實施良好的連接器維護方法來減小連接器的重復(fù)性誤差。3、系統(tǒng)

3、誤差系統(tǒng)誤差是由分析儀和測試裝置中的不完善性所引起。系統(tǒng)誤差是重復(fù)誤差（因而可預(yù)測），且假定不隨時間變化，可以在校準(zhǔn)過程中加以確定，且可以在測量期間用數(shù)學(xué)方法減小。系統(tǒng)誤差決不能完全消除，由于校準(zhǔn)過程的局限性而總是存在某些殘余誤差，殘余（測量校準(zhǔn)后的）系統(tǒng)誤差來自下列因素：校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的不完善性、連接器界面、互連電纜、儀表。反射測量產(chǎn)生下列三項系統(tǒng)誤差：方向性、源匹配、頻率響應(yīng)反射跟蹤。傳輸測量產(chǎn)生下列三項系統(tǒng)誤差：隔離、負載匹配、頻率響應(yīng)傳輸跟蹤。下面分別介紹這六項系統(tǒng)誤差，其中提到的通道A為反射接收機，通道B為傳輸接收機，通道R為參考接收機。（1）方向性誤差所有網(wǎng)絡(luò)分析儀都利用定向耦合器或電橋

4、來進行反射測量。對理想的耦合器，只有來自被測件（DUT）的反射信號出現(xiàn)在通道A上。實際上，有少量入射信號經(jīng)耦合器的正向路徑泄漏并進入通道A（如圖1）。這類測量誤差稱為方向性誤差，它可以用分析儀進行測量和減小。圖 1（2）隔離誤差在理想情況下，通道B測量的只是經(jīng)被測件（DUT）傳輸?shù)男盘枴嶋H上，有少量信號經(jīng)分析儀中的各種不同路經(jīng)泄漏進入通道B的接收機（如圖2）。信號泄漏（也稱為串?dāng)_）是隔離誤差，它可以用分析儀進行測量和減小。圖 2（3）源匹配誤差在反射測量中，理想情況下，通道A測量所有從被測件（DUT）反射的信號。實際上，一部分由被測件反射的信號再次由Port1（端口1）反射而未在通道A內(nèi)測量

5、（如圖3）。這類測量稱為源匹配誤差，它可以用分析儀進行測量和減小。圖 3（4）負載匹配誤差在傳輸測量中，理想情況下，入射信號經(jīng)被測件（DUT）傳輸并在通道B內(nèi)測出。實際上，一部分信號被Port2（端口2）反射而未在通道B內(nèi)被測量（如圖4）。這類測量稱為負載匹配誤差，它可以用分析儀進行測量和減小。圖 4（5）頻率響應(yīng)反射跟蹤誤差反射測量是通過將通道A（反射通道）內(nèi)的信號與通道R（參考通道）內(nèi)的信號進行比較來完成，這稱為比值測量。對于理想的反射測量，通道A和通道R的接收機的頻率響應(yīng)應(yīng)完全相同。實際上，兩者并不完全相同，從而引起頻率響應(yīng)反射跟蹤誤差（如圖5）。這是所有測試變化的矢量和，其幅度和相位隨

6、頻率而變。這包括由以下因素引起的變化：信號分離器件、測試電纜、適配器、參考路徑與測試信號路徑之間的變化。此誤差可以用分析儀進行測量和減小。圖 5（6）頻率響應(yīng)傳輸跟蹤誤差傳輸測量是通過將通道B（傳輸通道）內(nèi)的信號與通道R（參考通道）內(nèi)的信號進行比較來完成。對于理想的傳輸測量，通道B和通道R的接收機的頻率響應(yīng)應(yīng)完全相同。實際上，兩者并不完全相同，從而引起頻率響應(yīng)傳輸跟蹤誤差。這是所有測試變化的矢量和，其幅度和相位隨頻率而變。這包括由下列因素引起的變化：信號分離器件、測試電纜、適配器、參考路徑與測試信號路徑之間的變化。頻率響應(yīng)傳輸跟蹤誤差可以用分析儀進行測量和減小。圖 6二、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的系統(tǒng)誤

7、差模型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中測量待測件各項S參數(shù)所用的微波電路最早是按反射參數(shù)和傳輸參數(shù)分別將之接入兩個單獨的測試單元中，將分離出的參考和測試信號各自加到兩路接收機的諧波變頻器，然后進行幅相測量。后來為了免除兩次換接之繁，將反射/傳輸測試單元合為一體，除送出公用參考信號外，將反射或傳輸?shù)臏y試信號用電動微波開關(guān)換接到兩路接收機以依次測量S11和S21。有的為了代替改測S22和S12時手動倒換被測件接入方向之需要，也用電動開關(guān)改變信號源的輸入方向，以便能全自動地選測4種S參數(shù)。完全免除手動改接被測件雖可免除接頭重復(fù)性的影響，但微波開關(guān)的加入也會引起一些缺點和問題。在接收機電路成本允許情況下，新式網(wǎng)絡(luò)分析

8、儀中寧愿將接收機的信道數(shù)由兩路擴增為三個或四個獨立的信道，以盡量免除設(shè)置微波開關(guān)的需要。下面分別介紹常用的6參數(shù)、12參數(shù)以及10參數(shù)系統(tǒng)誤差模型。這里的誤差模型不是隨意給出的，一般可由實際測量電路的信號流圖分析的結(jié)果加以簡化而抽象出來，誤差網(wǎng)絡(luò)流圖中的每個系數(shù)都有一定的物理意義。但其實際的測量電路這里并不做介紹。1、6參數(shù)系統(tǒng)誤差模型s21s22s11s12    b0a0b3e30e32e22s22s12s21s11e11e01e001      圖 7 6參數(shù)系統(tǒng)誤差模型各個誤差參數(shù)的物理

9、意義為e00：方向性誤差e11：源匹配誤差e01：頻率響應(yīng)反射跟蹤誤差e30：隔離誤差e22：負載匹配誤差e32：頻率響應(yīng)傳輸跟蹤誤差按照圖7信流圖可以看出，當(dāng)被測網(wǎng)絡(luò)S正向接入時，諸項誤差參數(shù)使S11和S21的測得值變?yōu)?(2.1.1 a) (2.1.1 b)僅根據(jù)以上兩式還不能解出S11和S21以消除誤差，必須等到測出S'22和S'12之后才能一起求解。將被測網(wǎng)絡(luò)改為反向接入后，因測量裝置本身未變，誤差參數(shù)不變，故只要將上兩式中各S的下標(biāo)11與22互換，21與12互換即得 (2.1.1 c) (2.1.1 d)有了這4個方程之后，一旦通過校準(zhǔn)（方法見后）測定出6項誤差參數(shù)，

10、連同4個S參數(shù)測得值一起成為已知數(shù)，便可由上列4個方程聯(lián)解求出4個S參數(shù)的真值。其顯式解如下： (2.1.2 a) (2.1.2 b) (2.1.2 c) (2.1.2 d)其中2、12參數(shù)系統(tǒng)誤差模型a0口2口1e00e32s111口3口0b0b3e30e22s22s12s21e11e01     a0口1口2e'00e'32s221口3口0b0b3e'30e'22s11s21s12e'11e'01      圖8 12參數(shù)系統(tǒng)誤差模型

11、12參數(shù)誤差模型跟6參數(shù)的誤差模型相類似，但前者不需要手動改變電路便能任意選擇4種S參數(shù)進行測量。圖8中上面的信號流圖應(yīng)用于正向傳輸信號的情況，下面的信號流圖應(yīng)用于反向傳輸信號的情況。這樣，在有自動倒向情況下總共便有了12個誤差參數(shù)（復(fù)數(shù)）。由圖8中所示含12個誤差的兩個信號流圖求取被測網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)測得值與6參數(shù)時相似，正向測得 (2.2.1 a) (2.2.1 b)反向測得 (2.2.1 c) (2.2.1 d)校準(zhǔn)方法與6參數(shù)時一樣，但每個頻率點上要在正向時校一次，反向時再照樣校一次。校準(zhǔn)之后，12項誤差參數(shù)連同4個S參數(shù)測得值一起成為已知數(shù)，便可由上列4個方程聯(lián)解求出4個S參數(shù)的真值。其

12、顯式解如下： (2.2.2 a) (2.2.2 b) (2.2.2 c) (2.2.2 d)其中3、10參數(shù)系統(tǒng)誤差模型e23e33a3a0口2口1e00e32s11e10b0b3e30e22s22s12s21e11e01     e03圖9 10參數(shù)系統(tǒng)誤差模型由圖9的信號流圖可解出被測網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)的測得值為 (2.3.1 a) (2.3.1 b) (2.3.1 c) (2.3.1 d)以上4式中分母式子是一樣的。10個誤差參數(shù)經(jīng)校準(zhǔn)得出后，聯(lián)合以上4個方程可求解出4個S參數(shù)的真值。其顯式解如下： (2.3.2 a) (2.3.2 b) (2.

13、3.2 c) (2.3.2 d)其中 (2.3.1 a)三、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)為了能將自動網(wǎng)絡(luò)分析儀在每個步進頻率點上測量結(jié)果中的系統(tǒng)誤差自動扣除，必須預(yù)先在那些頻率點上將誤差模型參數(shù)都測出來存于計算機中，這種誤差參數(shù)測定過程稱為校準(zhǔn)。校準(zhǔn)的方法是在每個步進點上暫時將信號源頻率固定不變，用若干個S參數(shù)已知的標(biāo)準(zhǔn)件接入網(wǎng)絡(luò)分析儀而測出該件的S'值，得到足夠數(shù)目的方程，便可解出誤差模型中的全部待校參數(shù)。1、6參數(shù)及12參數(shù)誤差模型的校準(zhǔn)a0口2口1e00e32s111b0b3e30e22s22s12s21e11e01     圖10 6參

14、數(shù)誤差模型的校準(zhǔn)為了便于區(qū)別，將式（2.1.1）求出的S'11改稱為反射測得值MR，S'21改稱為傳輸測得值MT。為了校準(zhǔn)6個參數(shù)，一般需要設(shè)計6個測量步驟以得出6個獨立的方程。（1）在口1接全匹配負載，口2也接匹配負載。這相當(dāng)于在圖10中接入了一個S11=0，S22=0而且S21=S12=0的標(biāo)準(zhǔn)件。于是從式（2.1.1 a）可看出此步的反射測得值MR之值M1應(yīng)為 （3.1.1）（2）在口1接良好短路器，口2仍接匹配負載。這相當(dāng)于測一個S11=-1，S22=0而且S21=S12=0的已知網(wǎng)絡(luò)。于是由式（2.1.1 a）得此步的反射測得值MR之值M2為 （3.1.2）（3）在口

15、1接長為的偏置短路器，口2接匹配負載。這等于測S11=1，S22= S21=S12=0網(wǎng)絡(luò)的反射測得值MR之值M3為為了在一定頻率范圍內(nèi)可以不改變短路活塞的偏置長度，于是標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的S11成為，則上式變?yōu)檩^廣義的形式 （3.1.3）經(jīng)過以上3步，測出了M1 ，M2和 M3的值后，便可聯(lián)解方程式（3.1.1，3.1.2，3.1.3）得出e00，e11和e01，再繼續(xù)進行下步。（4）將兩個測試端口直接對接。這相當(dāng)于接入了一個S11=S22= 0，S21=S12=1的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，由式（2.1.1 a）知反射測得值MR的值為 （3.1.4）在已得到e00，e11和e01后，由上式可解出e22。（5）將兩個

16、測試端口直接對接時，改測傳輸。于是由式（2.1.1 b）得知測得的傳輸測得值MT值為 （3.1.5）（6）兩測試端口分別接匹配負載。相當(dāng)于接入了一個S11=S22= 0，S21=S12=0的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，由式（2.1.1 b）可知傳輸測得值MT的值為 （3.1.6）由式（3.1.5，3.1.6）加上已求出的e11和e22便可解除e32。到此6個誤差參數(shù)都可由上列校準(zhǔn)步驟中測出的M1 M6求出，以下為計算諸項誤差參數(shù)公式的總結(jié)。 （3.1.7 a） （3.1.7 b） （3.1.7 c） （3.1.7 d） （3.1.7 e） （3.1.7 f）在每個頻率點上校出著6項誤差參數(shù)后便將之存入計算機內(nèi)。

17、當(dāng)需要在此頻率上測量某未知網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)時，再將它們?nèi)〕龉┬拚?。在用手動倒接元件方向的測試單元中，不需另外進行反向校準(zhǔn)，就用上列6項誤差參數(shù)，連同正、反兩次測出的S'11 、S'21 、S'22 和S'12一起代入式(2.1.2 a d)，便可得出被測元件的S參數(shù)的真值。在自動倒換信號源方向以改測反向S參數(shù)的測試單元校準(zhǔn)中（指12參數(shù)誤差模型），除需在按上述步驟校準(zhǔn)出6項正向誤差參數(shù)e之外，還需也仿照上述步驟重新校準(zhǔn)出反向6項誤差參數(shù)e'，一并存貯起來，然后在測量時才取出這12項誤差參數(shù)，連同被測網(wǎng)絡(luò)的4項S參數(shù)測得值，代入(2.2.2 a d)，求出

18、被測元件的S參數(shù)的真值。2、10參數(shù)誤差模型的校準(zhǔn)（用TRL法）按TRL法校準(zhǔn)時，在圖9的1口和2口間依次接入直通（T），反射（R）和線段（L）三種校準(zhǔn)件，作為被測的網(wǎng)絡(luò)S。每接一種校準(zhǔn)件時都分別測出它的正、反兩向的傳輸和反射參數(shù)測得值，得到4個方程。三個校準(zhǔn)件共可得12個方程。聯(lián)解這些方程，除能解出10項誤差參數(shù)外，還能同時得出所用反射件（R）的R值和線段（L）的長度l。因此對實際僅需的兩種校準(zhǔn)件R和L的參數(shù)原先也不必已知，唯一要求只是所用標(biāo)準(zhǔn)空氣線段的Z0準(zhǔn)確等于測試口的額定特性阻抗即可。先看“R”狀態(tài)，就是將兩測試口都接同樣的大反射負載（如短路），設(shè)兩者反射系數(shù)都為R，同時亦使兩口之間無直接傳輸信號。這樣等同于在兩口間接入了S11=S22= R，S21=S12=0的網(wǎng)絡(luò)。此時測得值由式(2.3.1 )得知應(yīng)為 （3.2.1 a） （3.2.1 b） （3.2.1 c） （3.2.1 d）再看“T”狀態(tài),即將兩測試口直接接通，等于接入了S11=S22= 0，S21=S12=1的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，此時測得值由式(2.3.1 )得知應(yīng)為 （3.2.2 a