2022年矢量网络分析仪的误差分析和处理 .pdf

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1、1 矢量网络分析仪的误差分析和处理一、矢量网络分析仪的误差来源矢量网络分析仪的测量的误差主要有漂移误差、随机误差、系统误差这三大种类。1、漂移误差漂移误差是由于进行校准之后仪器或测试系统性能发生变化所引起，主要由测试装置内部互连电缆的热膨胀特性以及微波变频器的变换稳定性引起，且可以通过重新校准来消除。校准维持精确的时间范围取决于在测试环境下测试系统所经受到的漂移速率。通常，提供稳定的环境温度便能将漂移减至最小。2、随机误差随机误差是不可预测的且不能通过误差予以消除，然而，有若干可以将其对测量精度的影响减至最小的方法，以下是随机误差的三个主要来源：（1）仪器噪声误差噪声是分析仪元件中产生的不希望

2、的电扰动。这些扰动包括：接收机的宽带本底噪声引起的低电平噪声；测试装置内部本振源的本底噪声和相位噪声引起的高电平噪声或迹线数据抖动。可以通过采取以下一种或多种措施来减小噪声误差：提高馈至被测装置的源功率；减小中频带宽；应用多次测量扫描平均。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 16 页 -2（2）开关重复性误差分析仪中使用了用来转换源衰减器设置的机械射频开关。有时，机械射频开关动作时，触点的闭合不同于其上次动作的闭合。在分析仪内部出现这种情况时，便会严重影响测量的精度。在关键性测量期间，避免转换衰减器设置，可以减小开关重复性误差的影响。（3）连接器重复性误差连接器的磨损

3、会改变电性能。可以通过实施良好的连接器维护方法来减小连接器的重复性误差。3、系统误差系统误差是由分析仪和测试装置中的不完善性所引起。系统误差是重复误差（因而可预测），且假定不随时间变化，可以在校准过程中加以确定，且可以在测量期间用数学方法减小。系统误差决不能完全消除，由于校准过程的局限性而总是存在某些残余误差，残余（测量校准后的）系统误差来自下列因素：校准标准的不完善性、连接器界面、互连电缆、仪表。反射测量产生下列三项系统误差：方向性、源匹配、频率响应反射跟踪。传输测量产生下列三项系统误差：隔离、负载匹配、频率响应传输跟踪。下面分别介绍这六项系统误差，其中提到的通道A 为反射接收机，通道 B

4、为传输接收机，通道R 为参考接收机。（1）方向性误差所有网络分析仪都利用定向耦合器或电桥来进行反射测量。对理想的耦合器，只有来自被测件（DUT）的反射信号出现在通道A 上。实际上，有少量入射信号经耦合器的正向路径泄漏并进入通道A（如名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 16 页 -3 图 1）。这类测量误差称为方向性误差，它可以用分析仪进行测量和减小。图 1（2）隔离误差在理想情况下，通道B 测量的只是经被测件（DUT）传输的信号。实际上，有少量信号经分析仪中的各种不同路经泄漏进入通道B的接收机（如图 2）。信号泄漏（也称为串扰）是隔离误差，它可以用分析仪进行测量和减小

5、。图 2 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 16 页 -4（3）源匹配误差在反射测量中，理想情况下，通道 A 测量所有从被测件（DUT）反射的信号。实际上，一部分由被测件反射的信号再次由Port1（端口 1）反射而未在通道A 内测量（如图 3）。这类测量称为源匹配误差，它可以用分析仪进行测量和减小。图 3（4）负载匹配误差在传输测量中，理想情况下，入射信号经被测件（DUT）传输并在通道 B 内测出。实际上，一部分信号被Port2（端口 2）反射而未在通道 B 内被测量（如图 4）。这类测量称为负载匹配误差，它可以用分析仪进行测量和减小。名师资料总结-精品资料欢迎下载

6、-名师精心整理-第 4 页，共 16 页 -5 图 4（5）频率响应反射跟踪误差反射测量是通过将通道A（反射通道）内的信号与通道R（参考通道）内的信号进行比较来完成，这称为比值测量。对于理想的反射测量，通道 A 和通道 R 的接收机的频率响应应完全相同。实际上，两者并不完全相同，从而引起频率响应反射跟踪误差（如图5）。这是所有测试变化的矢量和，其幅度和相位随频率而变。这包括由以下因素引起的变化：信号分离器件、测试电缆、适配器、参考路径与测试信号路径之间的变化。此误差可以用分析仪进行测量和减小。图 5 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 16 页 -6（6）频率响应传输

7、跟踪误差传输测量是通过将通道B（传输通道）内的信号与通道R（参考通道）内的信号进行比较来完成。对于理想的传输测量，通道B 和通道 R 的接收机的频率响应应完全相同。实际上，两者并不完全相同，从而引起频率响应传输跟踪误差。这是所有测试变化的矢量和，其幅度和相位随频率而变。这包括由下列因素引起的变化：信号分离器件、测试电缆、适配器、参考路径与测试信号路径之间的变化。频率响应传输跟踪误差可以用分析仪进行测量和减小。图 6 二、矢量网络分析仪的系统误差模型矢量网络分析仪中测量待测件各项S参数所用的微波电路最早是按反射参数和传输参数分别将之接入两个单独的测试单元中，将分离出的参考和测试信号各自加到两路接

8、收机的谐波变频器，然后进行幅相测量。后来为了免除两次换接之繁，将反射/传输测试单元合为一体，除送出公用参考信号外，将反射或传输的测试信号用电动微波开关换接到两路接收机以依次测量S11和 S21。有的为了代替改测S22和 S12时手动倒换被测件接入方向之需要，也用电动开关改变信号源名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 16 页 -7 的输入方向，以便能全自动地选测4 种 S 参数。完全免除手动改接被测件虽可免除接头重复性的影响，但微波开关的加入也会引起一些缺点和问题。在接收机电路成本允许情况下，新式网络分析仪中宁愿将接收机的信道数由两路扩增为三个或四个独立的信道，以尽量免

9、除设置微波开关的需要。下面分别介绍常用的6参数、12参数以及 10参数系统误差模型。这里的误差模型不是随意给出的，一般可由实际测量电路的信号流图分析的结果加以简化而抽象出来，误差网络流图中的每个系数都有一定的物理意义。但其实际的测量电路这里并不做介绍。1、6 参数系统误差模型图 7 6 参数系统误差模型各个误差参数的物理意义为e00：方向性误差e11：源匹配误差e01：频率响应反射跟踪误差e30：隔离误差e22：负载匹配误差e32：频率响应传输跟踪误差s21s22s11s12b0a0b3e30e32e22s22s12s21s11e11e01e001 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理

10、-第 7 页，共 16 页 -8 按照图 7 信流图可以看出，当被测网络S正向接入时，诸项误差参数使 S11和S21的测得值变为011222221 1222110001011 11222221 12 112211 2211 22(1)1bss es s eseeas es es s e es s e e(2.1.1 a)321213032011 11222221 12 112211 2211 221bsseeas es es s e es s e e(2.1.1 b)仅根据以上两式还不能解出S11和 S21以消除误差，必须等到测出 S22和S12之后才能一起求解。将被测网络改为反向接入后，因测

11、量装置本身未变，误差参数不变，故只要将上两式中各S的下标 11 与 22互换，21 与 12 互换即得02211 2221 1222220001022 1111 2221 12 11 2211 22 11 22(1)1bss es s eseeas es es s e es s e e(2.1.1 c)312123032022 1111 2221 12 11 2211 22 11 221bsseeas es es s e es s e e(2.1.1 d)有了这 4 个方程之后，一旦通过校准（方法见后）测定出6 项误差参数，连同 4 个 S参数测得值一起成为已知数，便可由上列4个方程联解求出

12、4 个 S 参数的真值。其显式解如下：110022002120123011112201013222()(1)()()/seseseseseeDeeee(2.1.2 a)213022002111223201()1()()/seseseeDee(2.1.2 b)220021001220213022112201013222()(1)()()/seseseseseeDeeee(2.1.2 c)123011001211223201()1()()/seseseeDee(2.1.2 d)其中2210022002130123011112101013232(1)(1)()()seseseseDeeeeeee名师

13、资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 16 页 -9 2、12参数系统误差模型图 8 12 参数系统误差模型12 参数误差模型跟 6 参数的误差模型相类似，但前者不需要手动改变电路便能任意选择4 种 S参数进行测量。图 8 中上面的信号流图应用于正向传输信号的情况，下面的信号流图应用于反向传输信号的情况。这样，在有自动倒向情况下总共便有了12 个误差参数（复数）。由图 8 中所示含 12 个误差的两个信号流图求取被测网络的S参数测得值与 6 参数时相似，正向测得11222221 12 2211000111 11222221 12 11 2211 22 11 22(1)1ss

14、 es s esees es es s e es s e e(2.2.1 a)2121303211 1122 2221 12 11 2211 22 11 221ssees es es s e es s e e(2.2.1 b)反向测得a0口 2口 1e00e32s111口 3口 0b0b3e30e22s22s12s21e11e01a0口 1口 2e00e32s221口 3口 0b0b3e30e22s11s21s12e11e01名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 16 页 -10 2211 2221 12 2222000122 1111 2221 12 11 2211

15、22 11 22(1)1ss es s esees es es s e es s e e(2.2.1 c)1212303222 1111 2221 12 11 2211 22 11 221ssees es es s e es s e e(2.2.1 d)校准方法与 6 参数时一样，但每个频率点上要在正向时校一次，反向时再照样校一次。校准之后，12 项误差参数连同 4 个 S参数测得值一起成为已知数，便可由上列4 个方程联解求出4 个 S参数的真值。其显式解如下：110022002130123011112201013222()(1)()()/seseseseseeDeeee(2.2.2 a)21

16、3022002111223201()1()()/seseseeDee(2.2.2 b)220021001230213022112201013232()(1)()()/seseseseseeDeeee(2.2.2 c)123011001211223201()1()()/seseseeDee(2.2.2 d)其中1100220021301230111130 2101013232(1)(1)()()seseseseDeee eeeee3、10参数系统误差模型图 9 10 参数系统误差模型e23e33a3a0口 2口 1e00e32s11e10b0b3e30e22s22s12s21e11e01e03名

17、师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 16 页 -11 由图 9 的信号流图可解出被测网络S参数的测得值为11222221 12221100100111 11222221 1211 221122 1122(1)()1ss es s esee es es es s e es s e e(2.3.1 a)212130103211 11222221 12 11 2211 22 11 22()1ssee es es es s e es s e e(2.3.1 b)2211 111221 112233233211 11222221 12 112211 221122(1)()1ss

18、 es s esee es es es s e es s e e(2.3.1 c)12120323 0111 11222221 12 112211 22 11 22()1ssee es es es s e es s e e(2.3.1 d)以上 4 式中分母式子是一样的。10 个误差参数经校准得出后，联合以上 4 个方程可求解出 4 个 S参数的真值。其显式解如下：110022332130110311222201 1023 3210 3201 23()(1)()()/seseseseseeDe ee ee ee e(2.3.2 a)21302110 32()/sesDe e(2.3.2 b)2

19、23311001203213022111123 3201 1023 0110 32()(1)()()/seseseseseeDe ee ee ee e(2.3.2 c)1230122301()/sesDe e(2.3.2 d)其中231100223321301203112211 2301 1023 3210 3201(1)(1)()()seseseseDeee ee ee ee ee e(2.3.1 a)名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 16 页 -12 三、矢量网络分析仪的校准为了能将自动网络分析仪在每个步进频率点上测量结果中的系统误差自动扣除，必须预先在那些频

20、率点上将误差模型参数都测出来存于计算机中，这种误差参数测定过程称为校准。校准的方法是在每个步进点上暂时将信号源频率固定不变，用若干个S参数已知的标准件接入网络分析仪而测出该件的S值，得到足够数目的方程，便可解出误差模型中的全部待校参数。1、6 参数及 12 参数误差模型的校准图 10 6 参数误差模型的校准为了便于区别，将式（2.1.1）求出的 S11改称为反射测得值MR，S21改称为传输测得值MT。为了校准 6 个参数，一般需要设计 6 个测量步骤以得出 6 个独立的方程。（1）在口 1 接全匹配负载，口2 也接匹配负载。这相当于在图10 中接入了一个 S11=0，S22=0 而且 S21=

21、S12=0 的标准件。于是从式（2.1.1 a）可看出此步的 反射测得值 MR之值 M1应为100Me（3.1.1）（2）在口 1 接良好短路器，口2 仍接匹配负载。这相当于测一个 S11=-1，S22=0 而且 S21=S12=0 的已知网络。于是由式（2.1.1 a）得此步的 反射测得值 MR之值 M2为a0口 2口 1e00e32s111b0b3e30e22s22s12s21e11e01名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 16 页 -13 01200111eMee（3.1.2）（3）在口 1 接长为/4l的偏置短路器，口2 接匹配负载。这等于测 S11=1，S

22、22=S21=S12=0 网络的反射测得值 MR之值 M3为01300111eMee为了在一定频率范围内可以不改变短路活塞的偏置长度l，于是标准网络的 S11成为4/1Sjle，则上式变为较广义的形式01300111SSeMee（3.1.3）经过以上 3 步，测出了 M1，M2和 M3的值后，便可联解方程式（3.1.1，3.1.2，3.1.3）得出e00，e11和e01，再继续进行下步。（4）将两个测试端口直接对接。这相当于接入了一个S11=S22=0，S21=S12=1 的标准网络，由式（2.1.1 a）知反射测得值 MR的值为01 2240011 221e eMee e（3.1.4）在已得

23、到e00，e11和e01后，由上式可解出e22。（5）将两个测试端口直接对接时，改测传输。于是由式（2.1.1 b）得知测得的 传输测得值 MT值为3253011 221eMee e（3.1.5）（6）两测试端口分别接匹配负载。相当于接入了一个S11=S22=0，S21=S12=0 的标准网络，由式（2.1.1 b）可知 传输测得值 MT的值为630Me（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 个误差参数都可由上列校准步骤中测出的M1 M6求出，以下为计算诸项误差参数公式的总结。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共

24、 16 页 -14 001eM（3.1.7 a）12130123(1)()()()SSMMMMeMM（3.1.7 b）12131123()()()SSMMMMeMM（3.1.7 c）4122014111()MMeeMM e（3.1.7 d）306eM（3.1.7 e）532611 22()(1)eMMe e（3.1.7 f）在每个频率点上校出着6 项误差参数后便将之存入计算机内。当需要在此频率上测量某未知网络的S参数时，再将它们取出供修正之用。在用手动倒接元件方向的测试单元中，不需另外进行反向校准，就用上列 6 项误差参数，连同正、反两次测出的S11、S21、S22和S12一起代入式(2.1.

25、2 a d)，便可得出被测元件的 S参数的真值。在自动倒换信号源方向以改测反向S参数的测试单元校准中（指12 参数误差模型），除需在按上述步骤校准出6 项正向误差参数e之外，还需也仿照上述步骤重新校准出反向6 项误差参数e，一并存贮起来，然后在测量时才取出这12 项误差参数，连同被测网络的4项 S参数测得值，代入(2.2.2 a d)，求出被测元件的 S参数的真值。2、10参数误差模型的校准（用TRL 法）按 TRL 法校准时，在图 9 的 1 口和 2 口间依次接入 直通（T），反射（R）和线段（L）三种校准件，作为被测的网络S。每接一种校准件时都分别测出它的正、反两向的传输和反射参数测得值

26、，得到4 个方程。三个校准件共可得12 个方程。联解这些方程，除能解出10 项误差参数外，还能同时得出所用反射件（R）的 R值和线段（L）的长度 l。因此对实际仅需的两种校准件R 和 L 的参数原先也不必已名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 16 页 -15 知，唯一要求只是所用标准空气线段的Z0准确等于测试口的额定特性阻抗即可。先看“R”状态，就是将两测试口都接同样的大反射负载（如短路），设两者反射系数都为R，同时亦使两口之间无直接传输信号。这样等同于在两口间接入了S11=S22=R，S21=S12=0 的网络。此时测得值由式(2.3.1)得知应为10011100

27、11()1RRRe esee（3.2.1 a）2130()Rse（3.2.1 b）2332223322()1RRRe esee（3.2.1 c）1203()Rse（3.2.1 d）再看“T”状态,即将两测试口直接接通，等于接入了S11=S22=0，S21=S12=1 的标准网络，此时测得值由式(2.3.1)得知应为10012211001122()1Te e esee e（3.2.2 a）103221301122()1Te esee e（3.2.2 b）23321122331122()1Te e esee e（3.2.2 c）012312031122()1Te esee e（3.2.2 d）最后

28、看“L”状态，即在两口间接一根长度为l的标准空气线段，其S参数为 S11=S22=0，2112j lSSe，同样由式(2.3.1)得知21001 221100211 22()1jlLjle e e esee e e（3.2.3 a）10322130211 22()1jlLjle e esee e e（3.2.3 b）名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 16 页 -16 22332 112233211 22()1jlLjle e e esee e e（3.2.3 c）01231203211 22()1jlLjle e esee e e（3.2.3 d）联立求解得到的这

29、 12个方程能得出 10项误差参数，还可得出 R和l。如果校准件的 R和l为已知，可用来校核或减小测量数据所带来的误差。以上介绍的是一些比较常用的校准方法，实际上，同一种误差模型可以用不同数目和种类的标准件来校准，因而具体操作步骤和运算难易便会有所不同。主要应视手头可得的标准件的类型和个数及所要求的速度和精度，选用或设计出合适的校准方法。3、校准参考面的问题为了将所有误差因素都包括到误差模型参数之内，校准的参考面必须就选在直接与被测器件输入口和输出口相联接的交界面上。当测试电缆终端的同轴接头与被测件接头的规格和尺寸不相符合时，还需在其间插入合适尺寸或极性转换器，才可互相配接。所有这些中介联接装置都有不可忽略的驻波比。校准时必须把它们排除在外，在紧接被测件的端口上，要用接头与被测件相同的标准件进行校准；测量时，扣除误差参数后始可得到被测件本身的参数而不受任何联接装置的影响。如果由于校准用标准件的接头型式与被测件不同，测量时必须在被测件上加装某种转换接头的话，测量结果一般会受到转接头的明显影响，所造成的误差称为嵌入误差。设法消除嵌入装置影响的技术称为“去嵌”。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 16 页，共 16 页 -