矢網(wǎng)：反射計包含哪些關(guān)鍵部件，以及基本工作原理

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是射頻微波器件測試必不可少的設(shè)備，主要用于測試器件的S參數(shù)及其衍生參數(shù)。大多數(shù)射頻工程師都有接觸，但是對于其基本組成及測試原理深度探究的并不多。后面計劃寫一些文章，專門介紹矢網(wǎng)的基礎(chǔ)內(nèi)容。本文主要介紹矢網(wǎng)的基礎(chǔ)組成部分——反射計(Reflectometer)，包含哪些關(guān)鍵部件，以及基本工作原理。

圖1給出了反射計的基本結(jié)構(gòu)示意圖，主要包含信號源、參考接收機、測量接收機、定向元件及衰減器等部分，有的矢網(wǎng)可能還含有Bias-Tee模塊，用于給DUT提供直流偏置。反射計的基本工作過程為：激勵源提供的掃頻信號或者單頻點信號，饋入DUT，經(jīng)DUT反射的信號經(jīng)過定向元件進入接收機測試，將測得的信號與激勵源提供的信號取比值即可得到反射系數(shù)。

曾經(jīng)在給客戶介紹矢網(wǎng)基本原理的時候，被問到“既然矢網(wǎng)上可以設(shè)置功率，為什么還需要參考接收機？直接利用測量接收機測試的信號與信號設(shè)置功率比較，不就可以確定DUT的傳輸特性嗎？”

這個問題其實并不難，且不論矢網(wǎng)設(shè)置的功率是否準(zhǔn)確，功率是一個標(biāo)量，只能表征幅度，卻沒有相位信息。而S參數(shù)測試是矢網(wǎng)最基本的測試功能，不僅僅要得到幅度參數(shù)，還要有相位信息，如果參與計算的激勵信號是一個標(biāo)量，那怎么可能得到矢量參數(shù)呢？

正因為此，反射計中需要有一個接收機能夠?qū)钚盘栠M行幅度和相位的標(biāo)定，以此作為參考信號，用于計算DUT的S參數(shù)，這就是參考接收機的由來。

圖1. 反射計基本架構(gòu)示意圖

源步進衰減器位于激勵源與定向元件之間，主要用于擴展矢網(wǎng)端口輸出功率范圍的，適用于高增益有源器件或模塊的測試。接收機步進衰減器位于測量接收機的通道上，防止接收機過載飽和而惡化測試精度。一般在測試PA等大功率應(yīng)用下，才會用到接收機步進衰減器。

定向元件作為反射計的核心部件之一，主要用于分離入射波和反射波，這樣才能夠測試反射系數(shù)。對于10 GHz以下的矢網(wǎng)，定向元件多數(shù)采用VSWR bridge實現(xiàn)，更高頻率的矢網(wǎng)基本都采用雙定向耦合器。

介紹完了反射計基本架構(gòu)及各個部件的作用，下面聊聊一個深度問題：源步進衰減器的位置對于測試的影響如何？

目前業(yè)界的矢網(wǎng)，源步進衰減器除了具有圖1所示的位置，還有一種圖2所示的位置，定向元件不再是雙定向耦合器，而是使用兩個普通的定向耦合器實現(xiàn)的，源步進衰減器位于兩個耦合器之間。源步進衰減器的位置不同對測試有什么影響呢？

圖2. 衰減器位置不同的反射計架構(gòu)

如果DUT是無源器件，則一般不需要調(diào)節(jié)源步進衰減器，所以其位于哪個位置，對測試都沒有影響。如果DUT為高增益有源器件或者模塊，要求的端口輸出功率可能超過了激勵源本身輸出的動態(tài)范圍，此時就需要設(shè)置源步進衰減器。

對于圖1，如果使用了源步進衰減器，端口輸出的功率減小的同時，饋入到參考接收機的信號也會減弱，那么SNR就會降低，從而使得測試結(jié)果波動較大。但是這種架構(gòu)的優(yōu)勢就是，強信號(比如-10 dBm)下做完系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)，測試時激勵功率降低至弱信號時，校準(zhǔn)依然有效，無需重新校準(zhǔn)。

對于圖2，如果在強信號下做完校準(zhǔn)，測試時再使用源步進衰減器降低端口輸出功率，則校準(zhǔn)將失效。因此，只能在測試時所要求的信號電平上校準(zhǔn)。但是，這樣會惡化校準(zhǔn)精度，因為校準(zhǔn)的過程就是測試校準(zhǔn)件的過程，如果激勵信號小了，測量接收機的SNR就會降低，從而降低了校準(zhǔn)精度。對于這種測試場景，只能先在高功率狀態(tài)下校準(zhǔn)，通過一定的方法事先將引入衰減器后的頻響變化確定下來，然后再進行補償，才能保證校準(zhǔn)、測試精度。

從源步進衰減器位置的角度看，不同廠家的矢網(wǎng)采用的架構(gòu)不同，在這種要求低功率激勵信號的應(yīng)用下，各家都有自己的應(yīng)對措施。比如圖1這種架構(gòu)，為了提高參考接收機的SNR，可以通過降低測量帶寬或者平均的方式抑制跡線噪聲，這需要在測量速度與精度之間權(quán)衡。采用圖2所示架構(gòu)的廠家，據(jù)稱可以通過技術(shù)手段來消除衰減器的變化引入的影響，由于參考接收機受SNR的影響較小，所以跡線噪聲相對較小，測試結(jié)果更加平滑。

最后介紹一下如何完成準(zhǔn)確的反射測試。由于組成反射計的部件并非是理想的，會引入損耗與相移，而且還存在失配，所以直接由兩個接收機測得的信號計算出的反射系數(shù)并不是DUT真實的反射系數(shù)，可以稱之為反射系數(shù)測量值。如何得到真正的反射系數(shù)？

這就需要系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)了，對于單端口反射測試，一般采用精度最高的OSM校準(zhǔn)，采用OpenShortMatch三個校準(zhǔn)件，就可以求解出所涉及的所有誤差項。關(guān)于OSM校準(zhǔn)，具體細(xì)節(jié)在前面發(fā)布的文章中已有描述，此處不再贅述，可以參考上一期文章“淺析矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀誤差模型及校準(zhǔn)”。

以上便是要給大家分享的內(nèi)容，希望對大家有所幫助~~

小文雖短但不乏精華，希望大家持續(xù)關(guān)注“微波射頻網(wǎng)”，后續(xù)精彩不斷~

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：矢網(wǎng)系列：反射計(Reflectometer)基礎(chǔ)介紹及工作原理

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