現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試VNA校驗(yàn)探討

由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試通常在極端條件下進(jìn)行，因此測(cè)量準(zhǔn)確度、校驗(yàn)便捷性、掃描速度和分析儀可移植性都非常重要。

射頻和微波系統(tǒng)及元器件的安裝、故障排除和維護(hù)，都需要在各種室內(nèi)和室外環(huán)境及條件下，對(duì)其反射和傳輸特性進(jìn)行測(cè)量。這類測(cè)量通常會(huì)以具現(xiàn)場(chǎng)使用校驗(yàn)功能的手持式矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)進(jìn)行。由于測(cè)試通常在極端條件下進(jìn)行，范圍可從安裝戶外信號(hào)塔和信號(hào)桿的高海拔環(huán)境，到輪船、飛機(jī)和車輛應(yīng)用所需的密閉空間，因此測(cè)量準(zhǔn)確度、校驗(yàn)便捷性、掃描速度和分析儀可移植性都非常重要。所需的測(cè)量可通過具有簡(jiǎn)單用戶校驗(yàn)和快速測(cè)量掃描功能的VNA輕松進(jìn)行，這些功能FieldFox手持式分析儀皆可提供。

使用VNA時(shí)，測(cè)量準(zhǔn)確度直接與所選用戶校驗(yàn)類型和相關(guān)測(cè)試配置有關(guān)。測(cè)試配置包括連接待測(cè)設(shè)備(DUT)和VNA所需的測(cè)試線纜和適配器。FieldFox的可用校驗(yàn)類型包括儀器開啟時(shí)即可使用的內(nèi)置校驗(yàn)(CalReady)和較復(fù)雜的用戶校驗(yàn)，后者需通過一組高質(zhì)量校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量。

選擇校驗(yàn)類型(cal type)時(shí)通常需在測(cè)量準(zhǔn)確度、速度和校驗(yàn)過程復(fù)雜度之間進(jìn)行取舍。例如，圖1中顯示使用兩種不同F(xiàn)ieldFox校驗(yàn)類型對(duì)一小段同軸電纜進(jìn)行插入損耗測(cè)量(S21)的比較。黃色軌跡表示稱為QuickCal的創(chuàng)新校驗(yàn)類型進(jìn)行的線纜測(cè)量，藍(lán)色軌跡則代表使用傳統(tǒng)全2端口機(jī)械校驗(yàn)對(duì)相同線纜所進(jìn)行的測(cè)量。用戶在全2端口校驗(yàn)過程中需對(duì)各種高質(zhì)量校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行七次連接，執(zhí)行QuickCal時(shí)則無需任何校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。如圖所示，兩種測(cè)量結(jié)果差異非常小，但QuickCal的校驗(yàn)過程很簡(jiǎn)單，非常便于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。一般來說，由于各測(cè)試配置可能需在FieldFox和DUT之間使用適配器和測(cè)試線纜，因此了解FieldFox各種可用校驗(yàn)類型的應(yīng)用和限制非常重要。本應(yīng)用說明將探討VNA校驗(yàn)的新發(fā)展，并會(huì)比較使用不同校驗(yàn)類型對(duì)各種射頻和微波器件(包括線纜、濾波器和放大器)進(jìn)行校驗(yàn)后的測(cè)量結(jié)果。

圖1：使用Keysight FieldFox VNA提供的全2端口校驗(yàn)(藍(lán)色)和快速Q(mào)uickCal(黃色)來測(cè)量同軸電纜的結(jié)果比較。

分析儀硬件配置

本節(jié)將介紹各種適用單端口和雙端口裝置測(cè)量的FieldFox硬件配置。FieldFox手持式分析儀包括VNA、線纜和天線測(cè)試(CAT)分析儀、頻譜分析儀，以及于單一儀器中集成VNA、CAT和頻譜分析儀功能的組合分析儀。FieldFox是一款適合于現(xiàn)場(chǎng)使用的精密儀器，符合MIL-PRF-28800F Class 2和MIL-STD-810G、Method 511.5、Procedure 1要求，可在爆炸環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量(通過類型測(cè)試)。Class 2設(shè)備專為最惡劣的環(huán)境設(shè)計(jì)，包括不受保護(hù)和不受控制的環(huán)境條件。采用VNA配置時(shí)，F(xiàn)ieldFox可以測(cè)量復(fù)雜的器件參數(shù)，如單端口與雙端口DUT反射和傳輸特性的幅度及相位。測(cè)量到的復(fù)雜參數(shù)又稱為散射參數(shù)(S參數(shù))，稍后將于本應(yīng)用說明中進(jìn)行討論。采用CAT分析儀配置時(shí)，F(xiàn)ieldFox也會(huì)測(cè)量DUT的反射和傳輸特性，但只會(huì)報(bào)告幅度特性。

VNA和CAT兩種模式都包含創(chuàng)新的QuickCal，可消除任何與儀器相連接的測(cè)試線纜和適配器影響，并修正校驗(yàn)中因溫度變化而產(chǎn)生的漂移誤差。采用頻譜分析儀配置時(shí)，F(xiàn)ieldFox即為一款高性能接收器，能夠測(cè)量已知與未知信號(hào)、干擾和/或噪聲的頻率內(nèi)容。FieldFox頻譜分析儀不僅具備桌上型頻譜分析儀的功能，更包含一種稱為InstAlign的獨(dú)特功能，開啟后便可于-10℃~+55℃間為整個(gè)射頻和微波頻率范圍提供更高的振幅精準(zhǔn)度。本應(yīng)用說明會(huì)繼續(xù)將重點(diǎn)放在FieldFox VNA的VNA測(cè)量和校驗(yàn)功能。

網(wǎng)絡(luò)分析儀硬件可決定DUT的測(cè)量方式：使用傳輸/反射(T/R)硬件配置進(jìn)行正向測(cè)量，或使用全2端口配置進(jìn)行正向與反向測(cè)量。圖2a顯示采用T/R硬件配置的FieldFox VNA輸出和輸入信號(hào)路徑。測(cè)試信號(hào)在T/R配置下會(huì)由分析儀的端口1發(fā)出，并以輸入至DUT的反射信號(hào)或通過DUT的傳輸信號(hào)方式進(jìn)行正向測(cè)量。在此配置下，反射信號(hào)會(huì)在分析儀的端口1測(cè)量，正向信號(hào)傳輸測(cè)量則在分析儀的端口2進(jìn)行。使用T/R配置時(shí)，進(jìn)行反向測(cè)量必須先中斷聯(lián)機(jī)DUT，調(diào)轉(zhuǎn)方向，然后再重新聯(lián)機(jī)。圖2b則說明采用全2端口硬件配置的VNA。在這種配置中，DUT參數(shù)可以正向和反向測(cè)量，無需在物理上調(diào)轉(zhuǎn)器件。分析儀內(nèi)部的開關(guān)矩陣可在端口1和端口2之間路由入射測(cè)試信號(hào)。使用全2端口配置不僅便于雙向測(cè)量DUT，還可對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的大部分系統(tǒng)誤差進(jìn)行特性分析并將其消除，以達(dá)最高測(cè)量精準(zhǔn)度。

圖2：使用配備(a)傳輸/反射(T/R)硬件和(b)全2端口硬件的分析儀進(jìn)行DUT測(cè)量時(shí)的網(wǎng)絡(luò)分析儀信號(hào)路徑。

系統(tǒng)誤差特性分析會(huì)在用戶校驗(yàn)過程中進(jìn)行，而全2端口校驗(yàn)是最精準(zhǔn)的VNA校驗(yàn)方式之一。本應(yīng)用說明將討論并比較幾種校驗(yàn)類型，其中包括全2端口校驗(yàn)、增強(qiáng)響應(yīng)校驗(yàn)，以及精準(zhǔn)度較低但操作非常簡(jiǎn)單的響應(yīng)(正規(guī)化)校驗(yàn)。采用全2端口硬件配置的FieldFox VNA可執(zhí)行所有可用校驗(yàn)類型。采用T/R硬件配置的FieldFox則僅可執(zhí)行增強(qiáng)響應(yīng)校驗(yàn)和響應(yīng)(正規(guī)化)校驗(yàn)。

系統(tǒng)誤差

系統(tǒng)誤差由測(cè)試線纜、適配器和分析儀元器件的頻率響應(yīng)，分析儀泄露路徑(通常位于內(nèi)部)，以及DUT和分析儀之間的多次反射造成。用戶校驗(yàn)的功能之一便是對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行特性分析，并以數(shù)學(xué)方法將其自測(cè)量結(jié)果中消除。某些類型的用戶校驗(yàn)只能校驗(yàn)一部分誤差，使得DUT測(cè)量結(jié)果精準(zhǔn)度降低。圖3說明使用全2端口校驗(yàn)(黃色)和增強(qiáng)響應(yīng)校驗(yàn)(藍(lán)色)對(duì)同軸電纜進(jìn)行傳輸響應(yīng)(S21)校驗(yàn)的比較。

圖3：使用FieldFox CalReady 2端口校驗(yàn)和CalReady增強(qiáng)響應(yīng)校驗(yàn)進(jìn)行同軸電纜測(cè)量的比較。

由于全2端口校驗(yàn)?zāi)軌蛐拚郎y(cè)試系統(tǒng)中大部分的系統(tǒng)誤差，因此其測(cè)量精準(zhǔn)度最高。若要使用全2端口校驗(yàn)消除所有系統(tǒng)誤差，需在校驗(yàn)和DUT測(cè)量過程中進(jìn)行正向和反向掃描。若以增強(qiáng)響應(yīng)校驗(yàn)類型進(jìn)行校驗(yàn)和DUT測(cè)量則只需掃描正反其中一個(gè)方向即可，因此可加快整體測(cè)量速度。增強(qiáng)響應(yīng)校驗(yàn)不能修正全部系統(tǒng)誤差，因此精準(zhǔn)度比全2端口校驗(yàn)低。如圖3所示，以增強(qiáng)響應(yīng)校驗(yàn)進(jìn)行的線纜測(cè)量因未修正的系統(tǒng)誤差而在測(cè)量頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)了漣波。圖3中顯示的兩種測(cè)量均采用FieldFox分析儀的創(chuàng)新型CalReady校驗(yàn)來進(jìn)行。

CalReady是一種隨時(shí)可用的內(nèi)置校驗(yàn)，無需用戶手動(dòng)校驗(yàn)。本應(yīng)用說明將討論CalReady和FieldFox VNA中其他可用的校驗(yàn)類型，以及如何在精準(zhǔn)度、速度及校驗(yàn)復(fù)雜度之間進(jìn)行取舍。

S參數(shù)測(cè)量和顯示格式

如前所述，通常會(huì)對(duì)VNA進(jìn)行配置以測(cè)量和顯示DUT的反射及傳輸屬性，也叫做散射參數(shù)(S參數(shù))。S參數(shù)即是測(cè)量信號(hào)和入射信號(hào)的比率。FieldFox VNA已包含所有適合測(cè)量和計(jì)算這些信號(hào)比的硬件，因此操作人員只需熟悉S參數(shù)的定義，及其與特定裝置規(guī)格之間的關(guān)系即可。圖4說明了雙端口DUT的S參數(shù)定義，單端口裝置將有一個(gè)S參數(shù)，雙端口裝置則有四個(gè)S參數(shù)。用戶決定以哪個(gè)DUT端口為端口1或端口2，通常會(huì)與DUT的預(yù)定操作有所關(guān)聯(lián)。例如，可以將放大器的輸入定義為端口1，輸出為端口2。如此一來放大器的正向傳輸參數(shù)就是從端口1到端口2的增益。圖4中S11參數(shù)被定義為來自DUT端口1的反射。S22被定義為來自DUT端口2的反射參數(shù)；S21為端口1到端口2的正向傳輸參數(shù)；S12則為反向傳輸參數(shù)。

圖4：2端口DUT的S參數(shù)定義。

對(duì)很多無源元件(包括同軸電纜、濾波器、波導(dǎo)元件、耦合器和功率分配器)來說，正向傳輸參數(shù)S21等于反向傳輸參數(shù)S12，即S21=S12。這種類型的DUT被視為具有“互易性”。放大器、環(huán)形器，以及大多數(shù)含有半導(dǎo)體和鐵氧體的有源器件則具有“非互易性”。非互易性器件的正向傳輸(例如放大器的增益)不等于反向傳輸(例如放大器的反向隔離)，即S21≠S12。了解器件為互易性器件還是非互易性器件，在選擇增強(qiáng)響應(yīng)校驗(yàn)時(shí)將變得非常重要，本應(yīng)用說明稍后會(huì)討論這個(gè)問題。

正向反射參數(shù)S11和反向反射參數(shù)S22在所有器件類型下通常不相等。圖5說明對(duì)采用全2端口配置的FieldFox VNA進(jìn)行測(cè)量，所得到的四個(gè)13GHz帶通濾波器S參數(shù)。如前所述，全2端口配置可通過單一分析儀聯(lián)機(jī)來測(cè)量四個(gè)S參數(shù)。S11和S22反射參數(shù)在5~18GHz測(cè)量頻率范圍內(nèi)的響應(yīng)略有不同。S21和S12的響應(yīng)相同，在無源濾波器等互易性器件中是可預(yù)期的結(jié)果。有關(guān)圖5中所顯示的測(cè)量結(jié)果，F(xiàn)ieldFox是通過最精準(zhǔn)的全2端口校驗(yàn)類型來進(jìn)行校驗(yàn)。圖5中的四個(gè)S參數(shù)測(cè)量值均以典型的“LogMag”格式顯示，Y軸則以分貝值(dB)表示。使用VNA測(cè)量到的S參數(shù)為復(fù)數(shù)，可以轉(zhuǎn)換為多種顯示格式，包括線性振幅、VSWR、史密斯圖、極性、相位、群組延遲以及實(shí)部和虛部。幸運(yùn)的是，F(xiàn)ieldFox可管理所有必要的計(jì)算結(jié)果，并適當(dāng)顯示所需格式。

圖5：測(cè)得的13GHz帶通濾波器的S參數(shù)。

眾所周知，S參數(shù)是相對(duì)測(cè)量值，理論上不受外加功率水平影響。例如，在測(cè)量一條理想短路傳輸線的S11參數(shù)時(shí)，反射信號(hào)和入射信號(hào)的比率具有1或0dB的線性振幅(=20LOG(|S11|))。無論入射信號(hào)功率為1皮瓦還是100瓦，短路線路的S11測(cè)量值均相同。這一狀況符合無源器件的S參數(shù)測(cè)量。顯然在測(cè)量放大器時(shí)，一旦放大器開始進(jìn)入飽和狀態(tài)，S參數(shù)便將隨入射功率而有所不同。在本應(yīng)用說明中，假定放大器在小信號(hào)或非飽和模式下運(yùn)作，且增益在一定的入射功率范圍內(nèi)保持恒定。

在測(cè)量放大器和其他對(duì)輸入功率水平敏感的器件時(shí)，可以調(diào)整FieldFox測(cè)試端口功率，以優(yōu)化測(cè)量精準(zhǔn)度并避免有源器件和分析儀中出現(xiàn)過載。FieldFox VNA具有三種設(shè)定入射(測(cè)試端口)功率水平的模式——高輸出功率、低輸出功率，以及允許操作人員手動(dòng)設(shè)定測(cè)試端口功率的設(shè)定。

FieldFox的預(yù)設(shè)設(shè)定為高輸出功率，可達(dá)到最高的測(cè)量精準(zhǔn)度和動(dòng)態(tài)范圍，而低功率或手動(dòng)設(shè)定則適用于測(cè)量高增益放大器或任何對(duì)驅(qū)動(dòng)功率敏感的器件。圖6的測(cè)量范例顯示了測(cè)試端口功率和顯示動(dòng)態(tài)范圍之間的關(guān)系。

圖6：使用FieldFox高輸出功率設(shè)定(黃色)和低輸出功率設(shè)定(藍(lán)色)對(duì)13GHz帶通濾波器響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的比較。

該圖比較了使用高輸出功率設(shè)定(黃色軌跡)和低輸出功率設(shè)定(藍(lán)色軌跡)對(duì)13GHz帶通濾波器S21參數(shù)的測(cè)量。在此濾波器的中心通帶內(nèi)，S21測(cè)量結(jié)果是相同的，但當(dāng)使用低功率設(shè)定時(shí)，噪聲明顯比阻帶高。FieldFox接收器信號(hào)的低信號(hào)噪聲比會(huì)導(dǎo)致噪聲水平增加，而濾波器會(huì)降低阻帶的信號(hào)水平。在低SNR條件下可降低FieldFox的中頻頻寬(IF BW)，以改善分析儀的噪聲水平。IF BW可在10Hz~100kHz的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過高輸出功率設(shè)定并將IF BW設(shè)定為最小值，便可達(dá)到最大動(dòng)態(tài)范圍和準(zhǔn)確度。