網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)原理及校準(zhǔn)方式

要想學(xué)會測試, 首先要學(xué)會校準(zhǔn)，首先，我們還是從校準(zhǔn)原理開始吧。

校準(zhǔn)原理及校準(zhǔn)方式

校準(zhǔn)原理

校準(zhǔn)原理是對已知參數(shù)的校準(zhǔn)器件進(jìn)行測量，將這些測量結(jié)果貯存到分析儀的存儲器內(nèi)，利用這些數(shù)據(jù)來計(jì)算誤差模型。然后，利用誤差模型從后續(xù)測量中去除系統(tǒng)誤差的影響。

校準(zhǔn)過程就是通過測試校準(zhǔn)件來明確儀表系統(tǒng)誤差的過程。

根據(jù)校準(zhǔn)件的不同，校準(zhǔn)方式可以分機(jī)械校準(zhǔn)和電子校準(zhǔn)。根據(jù)消除誤差項(xiàng)的不同，機(jī)械校準(zhǔn)又可分為頻響校準(zhǔn)和矢量校準(zhǔn)。 其中矢量校準(zhǔn)又可以分為單端口、雙端口、多端口以及 TRL 校準(zhǔn)。

每種校準(zhǔn)方式的校準(zhǔn)件數(shù)目、測試的次數(shù)及消除誤差項(xiàng)目的個(gè)數(shù)都不相同。 校準(zhǔn)的精度從高到低分別為： TRL 校準(zhǔn)、電子校準(zhǔn)、矢量校準(zhǔn)、頻響校準(zhǔn)。

1 頻響校準(zhǔn)

頻響校準(zhǔn)(Response)只測試 1 個(gè)校準(zhǔn)件， 只用進(jìn)行 1 次校準(zhǔn)測試操作。

反射測試時(shí)為全反射校準(zhǔn)件，可使用短路校準(zhǔn)件(Short)或開路校準(zhǔn)件(Open)。一般使用終端短路(Short)更接近理想全反射狀態(tài)。

傳輸測試時(shí)，使用直通校準(zhǔn)件(Through)。

頻響校準(zhǔn)比較簡單， 精度低，只消除頻率響應(yīng)誤差。頻響校準(zhǔn)過程相當(dāng)于測試歸一化過程。即先將測試結(jié)果存入存儲器中得到參考線，然后用被測件測試結(jié)果與其比較。這樣可消除參考線中系統(tǒng)誤差影響。

2 矢量校準(zhǔn)

矢量校準(zhǔn)要求網(wǎng)絡(luò)分析儀具有幅度和相位的測試能力，計(jì)算誤差項(xiàng)的過程中需要聯(lián)立方程組。矢量校準(zhǔn)過程更復(fù)雜， 要求測試多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件，從而可消除更多的誤差項(xiàng)，保證儀表具有更高的測試精度。

2.1 單端口矢量校準(zhǔn)

單端口校準(zhǔn)(1-Port Cal)需要用到 3 個(gè)校準(zhǔn)件（ Open、 Short、 Load），進(jìn)行 3 次校準(zhǔn)測試操作。

當(dāng)校準(zhǔn)端口為儀表的端口 1 時(shí)，稱為 S11 單端口校準(zhǔn)；

當(dāng)校準(zhǔn)端口為儀表的端口 2 時(shí)，稱為 S22單端口校準(zhǔn)。

單端口校準(zhǔn)可消除被校準(zhǔn)端口的 3 項(xiàng)系統(tǒng)誤差(方向性誤差、 源失配誤差、 反射跟蹤誤差)。

2.2 雙端口矢量校準(zhǔn)

雙端口校準(zhǔn)(2-Port Cal)需要用到 4 個(gè)校準(zhǔn)件（ Open、 Short、 Load、 Through），進(jìn)行 7 次校準(zhǔn)測

試操作。 其中雙端口的隔離校準(zhǔn)只在測試高隔離（隔離器、開關(guān)）、大動態(tài)范圍（濾波器）器件時(shí)才

用到。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)分析儀用于被測器件的傳輸性能測試時(shí)， 就需要對網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試端口和傳輸連接線進(jìn)行雙端口校準(zhǔn)。 雙端口校準(zhǔn)可消除兩個(gè)測試端口的全部 12 項(xiàng)系統(tǒng)誤差。

2.3 多端口矢量校準(zhǔn)

多端口校準(zhǔn)(3-Port Cal 或 4-Port Cal)是雙端口校準(zhǔn)的兩兩組合，因此也需要用到 4 個(gè)校準(zhǔn)件，但校準(zhǔn)測試操作會有所增加。

2.4 TRL 校準(zhǔn)

TRL 校準(zhǔn)也屬于矢量校準(zhǔn)，只用于雙端口及多端口校準(zhǔn)，但與上面描述的傳統(tǒng)雙端口矢量校準(zhǔn)所使用的校準(zhǔn)器件及測試方式有所不同。

傳統(tǒng)的機(jī)械校準(zhǔn)的校準(zhǔn)件參數(shù)不容易精確確定，因?yàn)槎搪芳嬖诩纳姼?，開路件會存在寄生電容。而 TRL 校準(zhǔn)使用的是傳輸線器件， 其參數(shù)更容易被確立，且校準(zhǔn)精度不全部由校準(zhǔn)件決定。

TRL 使用三種校準(zhǔn)件：直通校準(zhǔn)件(Through)、反射校準(zhǔn)件(Reflect)、傳輸線校準(zhǔn)件(Line)。

3 電子校準(zhǔn)

Keysight 系列網(wǎng)絡(luò)分析儀除可以使用傳統(tǒng)的機(jī)械校準(zhǔn)件進(jìn)行校準(zhǔn)外，還可以使用電子校準(zhǔn)件（ E-Cal)。

Keysight網(wǎng)絡(luò)分析儀與電子校準(zhǔn)件間的通信控制采用 USB 接口。

與機(jī)械校準(zhǔn)件相比，電子校準(zhǔn)件具有以下特點(diǎn)：

1、校準(zhǔn)過程簡單， 電子校準(zhǔn)件只需要和矢網(wǎng)連接一次，即可完成雙端口校準(zhǔn)所要求的測試項(xiàng)目。

2、校準(zhǔn)速度快， 利用電子校準(zhǔn)完成雙端口校準(zhǔn)只需要幾秒鐘時(shí)間，使整個(gè)測試過程的效率大大提高。

3、校準(zhǔn)過程中不確定因素少， 由于不需多次的連接過程，所以電子校準(zhǔn)受到誤操作影響概率會降低。

4、支持混合端口校準(zhǔn)， Keysight 可提供混合端口形式的電子校準(zhǔn)件，可保證對許多非插入器件測試的準(zhǔn)確性。

什么是網(wǎng)絡(luò)分析儀？

網(wǎng)絡(luò)分析儀可用于表征射頻（RF）器件。盡管最初只是測量 S參數(shù)，但為了優(yōu)于被測器件，現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)分析儀已經(jīng)高度集成，并且非常先進(jìn)。

射頻電路需要獨(dú)特的測試方法。在高頻內(nèi)很難直接測量電壓和電流，因此在測量高頻器件時(shí)，必須通過它們對射頻信號的響應(yīng)情況來對其進(jìn)行表征。網(wǎng)絡(luò)分析儀可將已知信號發(fā)送到器件、然后對輸入信號和輸出信號進(jìn)行定比測量，以此來實(shí)現(xiàn)對器件的表征。

早期的網(wǎng)絡(luò)分析儀只測量幅度。這些標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測量回波損耗、增益、駐波比，以及執(zhí)行其他一些基于幅度的測量?，F(xiàn)如今，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)分析儀都是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀——可以同時(shí)測量幅度和相位。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是用途極廣的一類儀器，它們可以表征 S 參數(shù)、匹配復(fù)數(shù)阻抗、以及進(jìn)行時(shí)域測量等。

對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行大功率器件測量的設(shè)置進(jìn)行校準(zhǔn)有其特殊的難度。對測量裝置進(jìn)行改動并加入預(yù)放大器會使校準(zhǔn)件工作在壓縮區(qū)域，甚至?xí)p壞校準(zhǔn)件; 在測量裝置中增加衰減器提高了測量系統(tǒng)處理大功率信號的能力，但是同時(shí)也導(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果會產(chǎn)生一定的噪聲。

把預(yù)放大器從測量系統(tǒng)中拿掉之后，或者在增加了激勵(lì)源衰減器的衰減量之后再對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)或許會有利于避免有可能出現(xiàn)的對校準(zhǔn)件造成損壞的現(xiàn)象，但是這同時(shí)也會導(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果的噪聲會比較大。如果預(yù)放大器和各個(gè)衰減器的位置是在射頻激勵(lì)源和參考耦合器之間的話，那么，在進(jìn)行完網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)之后，再把預(yù)放大器加入到測量系統(tǒng)之中，或者改變衰減器的衰減量都不會對 S 參數(shù)和功率測量結(jié)果的精度造成影響，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)是 8 項(xiàng)誤差校準(zhǔn)。不過，激勵(lì)源的功率精度會受到影響。

如果在DUT 和 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量端口之間加入了阻抗調(diào)諧器，那么在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)之前必須先要把阻抗調(diào)諧器從測量系統(tǒng)中拿掉。阻抗調(diào)諧器所帶來的影響需要使用其它的運(yùn)行于網(wǎng)絡(luò)分析儀之外的應(yīng)用軟件對阻抗調(diào)諧器的特性予以 表征，然后用去嵌入的方法把阻抗調(diào)諧器的影響從測量結(jié)果中去除，最后再自動進(jìn)行負(fù)載牽引的測量。

網(wǎng)絡(luò)分析儀原理框圖

網(wǎng)絡(luò)分析儀原理框圖

上圖所示為網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部組成框圖。為完成被測件傳輸/反射特性測試，網(wǎng)絡(luò)分析儀包含：

1、激勵(lì)信號源 -  提供被測件激勵(lì)輸入信號。

2、信號分離裝置 - 含功分器和定向耦合器件，分別提取被測試件輸入和反射信號。

3、接收機(jī) - 對被測件的反射,傳輸,輸入信號進(jìn)行測試。通過R1來分析port1輸入信號的功率，通過R2來分析port2輸入信號的功率。A分析port1反射信號功率和port2輸出信號功率，B分析port2反射信號功率和port1輸出信號功率。

4、處理顯示單元 - 對測試結(jié)果進(jìn)行處理和顯示。

傳輸特性是被測件輸出與輸入激勵(lì)的相對比值，網(wǎng)絡(luò)分析儀要完成該項(xiàng)測試，需分別得到被測件輸入激勵(lì)信號和輸出信號信息。

反射特性是被測件反射與輸入激勵(lì)的相對比值，網(wǎng)絡(luò)分析儀要完成該項(xiàng)測試，需分別得到被測件輸入激勵(lì)信號和測試端口反射信號。

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