普尚電子科技有限公司是一家專注于無線通信和射頻微波領域， 自主研發(fā)、生產(chǎn)和銷售通訊儀器儀表的高技術企業(yè)。我們公司推出的SP809A矢量網(wǎng)絡分析儀在以下這幾個方面都有突出的表現(xiàn)。這款儀表10Hz中頻帶寬下的動態(tài)范圍超過135dB，能對抑制超過110dB的微波器件進行快速測量。同時它還具有高度的穩(wěn)定性，S21在48小時內(nèi)測試值漂移小于0.03dB。跡線噪聲水平也處于前列，傳輸跡線噪聲小于0.002dBrms。此外，這款儀表的測試速度也極為突出，未校準情況下，100kHz中頻帶寬時201點掃描時間小于3.1ms。這臺儀表對于濾波器、射頻線纜、天線及多端口微波器件測試場景極為適用，能夠幫助客戶應對高強度測試環(huán)境的挑戰(zhàn)。
好了，領導要求的任務完成，下面言歸正傳。
寫這篇文章的起因是曾經(jīng)有一個客戶在前不久和我們交流時提到，矢量網(wǎng)絡分析儀在使用一段時間后會出現(xiàn)測量結果漂移現(xiàn)象，特別在測量的S參數(shù)比較小的時候更加明顯。那么這種情況出現(xiàn)的原因是什么，為什么在測量的S參數(shù)比較小的時候漂移會更加明顯？以下對這種情況進行一下粗略的分析。
眾所周知，網(wǎng)絡分析儀測量得到的S參數(shù)實質(zhì)上是儀表內(nèi)部兩個接收機接收電平的比值，因此S參數(shù)的漂移根本來源是接收機電平的漂移。對于接收機而言，對它短期測量結果影響最大的就是環(huán)境溫度。網(wǎng)絡分析儀的接收通路上有定向耦合器、混頻器等器件，發(fā)射通道上有射頻信號源、ALC、射頻開關、定向耦合器、混頻器等器件，這些器件的性能都會隨溫度變化而變化。雖然儀表內(nèi)部也采取了多種措施對溫度漂移進行補償，但是最終測試結果還是會隨著溫度變化而有小的變化，最終表現(xiàn)就是接收機接收電平的溫漂，從而導致了網(wǎng)絡分析儀測試結果隨溫度變化而變化。
同時我們在使用網(wǎng)分時一般不會直接在儀表端口上進行測試，還會外接一些線纜等連接件，這些連接件的特性也會隨著溫度變化有一定的變化，這也導致了溫漂的出現(xiàn)。我司的SP809A產(chǎn)品在溫度變化10攝氏度時，S參數(shù)測量結果在低頻段變化大約為0.1dB左右，高頻段變化大約會到0.2到0.3dB。以下是我們的一些實測結果。
圖1 儀表1反射系數(shù)漂移測量
儀表1開機兩個小時后在前一天中午進行校準，端口不接任何器件，測量S11與S22，并把當時測量結果寫入內(nèi)存，儀表隨后保持測量狀態(tài)直至第二天中午?？梢钥吹皆跍囟然疽恢碌那闆r下兩條曲線變化很小，僅在高頻部分（8GHz到9GHz）有大約0.01dB的漂移。
圖2 儀表2反射系數(shù)漂移測量
這是儀表2的測試結果，與儀表1不同的是儀表2開始測試時間是在上午九點左右，與中午溫度有一定溫差。可以看到儀表2的漂移明顯要大于儀表1，高頻部分漂移量大約在0.02到0.03dB。
以上測試結果是校準后的漂移，儀表的實測值經(jīng)過校準修正算法計算之后在作為被測物的真實值顯示在我們面前。這種校準是否會對測試結果的漂移產(chǎn)品影響嗎？下圖是儀表2將校準修正關閉后的測量結果。
圖3 儀表2反射系數(shù)漂移測量（無校準修正）
漂移量基本與有校準修正時一致，看來在目前測量情況（反射系數(shù)比較大的時候）下，測量結果的溫度漂移基本與網(wǎng)絡分析儀接收通路的溫度漂移相當，校準修正對漂移量影響很小。對傳輸系數(shù)較大時的漂移進行測量后也基本是這個結果。
但是當反射系數(shù)或傳輸系數(shù)很小時校準修正是否還是對漂移量影響很小，這里需要進行一些分析。
首先還是實測，S21測量下來發(fā)現(xiàn)漂移量似乎與S21本身的大小關系不大，當S21很小時漂移量會稍稍增加，這可能與接收機接收小信號比較容易受外界影響有關，測量值的漂移量不一定是溫度變化的原因，實測時發(fā)現(xiàn)連接電纜的微小震動等都會導致測量結果的變化，這些變化已經(jīng)超過了溫漂導致的漂移。同時打開與關閉校準修正對測量結果漂移的影響也不明顯。
對與S11與S22的測量結果就不同了。我們將一個適配器作為測試件，測量時適配器另一端接上負載，測量得到的S11值大約在-40dB左右。當關閉校準修正時，儀表示值漂移量大約在0.5dB左右，這里的來源同樣不光是溫度變化，測試件本身的變化也是一個重要原因。當打開校準修正后，觀察到儀表示值在2～3dB的范圍內(nèi)不停移動，校準修正似乎將測量值的漂移放大了。
網(wǎng)分測量時先做校準修正是保證測量準確的必要步驟，但是當測量值產(chǎn)生小的漂移時，校準修正起到了什么作用是需要進行分析的。
網(wǎng)絡分析儀的校準修正實質(zhì)上是通過對一系列標準件的測試得到對測試結果的修正項，然后對網(wǎng)絡分析儀的測量結果（即根據(jù)網(wǎng)絡分析儀接收機實際測試數(shù)據(jù)計算得到的結果）來進行修正而得到被測物的S參數(shù)。當網(wǎng)分的接收機測量結果有所變化時，校準修正后的值也會隨之變化，那么可以通過校準修正的算法得到修正前后測試值變化量的關系。
先看看S11的變化量與校準修正的關系。進行校準修正時，與S11有關的誤差項有三個，EDF（方向性誤差項）、ESF（源匹配誤差項）以及ERF（頻率響應誤差項），我們用S11A代表修正后的測試結果，也就是儀表的顯示值，S11M代表修正前的測試結果，即網(wǎng)絡分析儀的測量值，兩者之間關系為：
對上面式子兩邊求微分，當S11A與S11M變化量都很小的情況下可以得到:
由于我們實際關心的是變化的相對量，即dB值，所以上式應該為：
ESF表示的是網(wǎng)絡分析儀端口阻抗與50歐姆特征阻抗的差異，一般來說網(wǎng)絡分析儀的這個參數(shù)會在-10dB以下，在S11A很小的情況下上式中的1-S11A?ESF可以粗略的認為就等于1，于是上式最后可以化簡為：
EDF一般數(shù)值都小于-20dB，因此當被測物的S11比較大時，校準修正對于測量穩(wěn)定度基本沒有影響。當被測物的S11很小的時候就是另外一個情況了。這種情況下，網(wǎng)絡分析儀的測量值S11M會非常接近EDF，從而導致測量值一個較小的波動會帶來修正后的S11值非常大的波動，從測量現(xiàn)象上來看就是測量穩(wěn)定度變得很差，溫度稍有變化或者連接件稍稍被觸動都會帶來測量結果的很大變動。
從上式看，S11M等于EDF的時儀表顯示值的漂移會在無窮大，儀表測量的穩(wěn)定性將完全喪失。實際上這種情況是不可能出現(xiàn)的。S11M只可能大于EDF，不會等于或小于它，從EDF的實際物理意義可以得到這個結論。EDF指的是測量S11時從發(fā)射通路向接收通路的泄漏，從某種意義上來說EDF相當于S11測量時的底噪，因此S11的測量值自然不可能小于EDF。我們做校準修正時，EDF等于負載校準件的S11，在實際測量中我們也不會遇到一個反射小于標準負載的被測物。
EDF是S11M測量的下限，但是并非是S11A的下限，在校準修正后S11A是可以小于EDF的，但是S11A小于EDF時，測量穩(wěn)定性會下降很多，以至于得到的測量結果的不確定度上升，最后使測試結果失去意義。因此EDF從某種意義上也給出了S11測量的下限，當被測物的S11等于或小于EDF時，測量結果準確度就會降低，當S11小到一定程度，即使是網(wǎng)絡分析儀測量的正常抖動，即Trace noise，也會使S11測量的抖動變得非常大，從而使對被測物S11的準確測量變得不可能。
下圖為一臺SP809A型號網(wǎng)絡分析儀某一次校準后的EDF，可以看到在整個頻率范圍內(nèi)EDF基本都小于-30dB，那么可以認為這臺網(wǎng)絡分析儀進行S11測量時，當被測物的S11大于-40dB時都可以得到較為準確與穩(wěn)定的測試結果。
圖4 儀表2校準誤差項EDF
那么從網(wǎng)絡分析儀的datasheet上我們是否能夠看到EDF這一項？由于EDF是校準時對負載校準件S11的測量結果，所以不會在網(wǎng)絡分析儀的datasheet上出現(xiàn)。但是我們可以從datasheet中提供的directivity與Reflection tracking這兩項數(shù)值計算出EDF來。
EDF=Directivity/(Reflection Tracking)
對于做的比較好的網(wǎng)絡分析儀來說，Reflection Tracking與1非常接近，因此可以近似認為EDF等同于Directivity，所以根據(jù)網(wǎng)絡分析儀規(guī)格書中的方向性這一指標就可以大致判斷出該網(wǎng)絡分析儀S11的測試能力。
這里再扯一句題外話，校準時我們用負載校準件的S11作為EDF，而無修正的S11測量值不會小于網(wǎng)絡分析儀的方向性，因此我們只要找一個反射小于網(wǎng)絡分析儀方向性指標的微波器件（比如衰減器）就可以當作校準中的負載件使用，而不會影響測試的準確度。
以上對S11的測量準確度進行了分析，S22與之基本相同，只不過需要把這些指標換到另一個端口就可以。S21的校準修正式比S11復雜很多，它與兩端口四個網(wǎng)絡參數(shù)的測量值以及所有的校準誤差項都有關系。不過大致分析下來可以得知，S21的測量下限與1端口的發(fā)射通路到2端口的接受通路的泄漏EXF有關。由于網(wǎng)絡分析儀中這個泄漏值一般都會遠小于接收機的底噪，所以S21或S12的測量準確度最終只與接收機底噪或網(wǎng)分的動態(tài)范圍有關系，當傳輸系數(shù)大于動態(tài)范圍10dB的時候基本都能得到比較穩(wěn)定與準確的測試結果。
以上對于網(wǎng)絡分析儀測量結果的穩(wěn)定性做了一個非常粗略的分析，雖然在分析中我們加上了種種限制條件以及各種近似，但是最終得到的結論還是有一定參考意義的。
網(wǎng)絡分析儀在測量值比較大的時候，測量穩(wěn)定性主要與儀表的溫度穩(wěn)定性以及跡線噪聲有關，校準修正與否對測量穩(wěn)定性基本沒有影響。當測量值比較小時，對穩(wěn)定性的考慮就與儀表的其它特性有關了。特別對于反射系數(shù)，當測量很小的反射系數(shù)時，在反射系數(shù)與儀表本身的方向性指標相近或者低于該項指標時，測量穩(wěn)定性將大幅度下降。
綜上所述，當我們選擇網(wǎng)絡分析儀時，對儀表測試能力的考察除了頻率范圍以及端口數(shù)量之外，還需要考察決定反射系數(shù)測試能力的方向性以及決定插損測試能力的動態(tài)范圍。一般來說，當儀表的方向性指標比被測物的反射系數(shù)高出不超過10dB時都能得到比較準確與穩(wěn)定的測試結果，當被測物反射系數(shù)比儀表的方向性指標低太多時，測試的穩(wěn)定性與準確度會有比較大的下降。動態(tài)范圍則直接確定了插損測試的下限，網(wǎng)絡分析儀所能測到的最大插損就等于動態(tài)范圍。為了得到比較穩(wěn)定和準確的測試結果，我們建議被測物的最大插損高于儀表動態(tài)范圍10到20dB。
最后還是推薦一下普尚電子自家的矢量網(wǎng)絡分析儀SP809A，它頻率范圍為100kHz到9GHz，兩端口與四端口可選，動態(tài)范圍接近140dB（10Hz中頻帶寬），方向性全頻段都能保持在-20dB以下，6GHz以下頻段基本能保持在-30到-35dB，基本能滿足可用頻段內(nèi)各種射頻、微波產(chǎn)品的測試。歡迎大家聯(lián)系我們。