普尚電子科技有限公司是一家專(zhuān)注于無(wú)線通信和射頻微波領(lǐng)域， 自主研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售通訊儀器儀表的高技術(shù)企業(yè)。我們公司推出的SP809A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在以下這幾個(gè)方面都有突出的表現(xiàn)。這款儀表10Hz中頻帶寬下的動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)135dB，能對(duì)抑制超過(guò)110dB的微波器件進(jìn)行快速測(cè)量。同時(shí)它還具有高度的穩(wěn)定性，S21在48小時(shí)內(nèi)測(cè)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(cè)試速度也極為突出，未校準(zhǔn)情況下，100kHz中頻帶寬時(shí)201點(diǎn)掃描時(shí)間小于3.1ms。這臺(tái)儀表對(duì)于濾波器、射頻線纜、天線及多端口微波器件測(cè)試場(chǎng)景極為適用，能夠幫助客戶應(yīng)對(duì)高強(qiáng)度測(cè)試環(huán)境的挑戰(zhàn)。

　　好了，領(lǐng)導(dǎo)要求的任務(wù)完成，下面言歸正傳。

　　寫(xiě)這篇文章的起因是曾經(jīng)有一個(gè)客戶在前不久和我們交流時(shí)提到，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在使用一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)測(cè)量結(jié)果漂移現(xiàn)象，特別在測(cè)量的S參數(shù)比較小的時(shí)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(cè)量的S參數(shù)比較小的時(shí)候漂移會(huì)更加明顯？以下對(duì)這種情況進(jìn)行一下粗略的分析。

　　眾所周知，網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量得到的S參數(shù)實(shí)質(zhì)上是儀表內(nèi)部?jī)蓚€(gè)接收機(jī)接收電平的比值，因此S參數(shù)的漂移根本來(lái)源是接收機(jī)電平的漂移。對(duì)于接收機(jī)而言，對(duì)它短期測(cè)量結(jié)果影響最大的就是環(huán)境溫度。網(wǎng)絡(luò)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(hào)源、ALC、射頻開(kāi)關(guān)、定向耦合器、混頻器等器件，這些器件的性能都會(huì)隨溫度變化而變化。雖然儀表內(nèi)部也采取了多種措施對(duì)溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償，但是最終測(cè)試結(jié)果還是會(huì)隨著溫度變化而有小的變化，最終表現(xiàn)就是接收機(jī)接收電平的溫漂，從而導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試結(jié)果隨溫度變化而變化。

　　同時(shí)我們?cè)谑褂镁W(wǎng)分時(shí)一般不會(huì)直接在儀表端口上進(jìn)行測(cè)試，還會(huì)外接一些線纜等連接件，這些連接件的特性也會(huì)隨著溫度變化有一定的變化，這也導(dǎo)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(shí)，S參數(shù)測(cè)量結(jié)果在低頻段變化大約為0.1dB左右，高頻段變化大約會(huì)到0.2到0.3dB。以下是我們的一些實(shí)測(cè)結(jié)果。

　　圖1 儀表1反射系數(shù)漂移測(cè)量

　　儀表1開(kāi)機(jī)兩個(gè)小時(shí)后在前一天中午進(jìn)行校準(zhǔn)，端口不接任何器件，測(cè)量S11與S22，并把當(dāng)時(shí)測(cè)量結(jié)果寫(xiě)入內(nèi)存，儀表隨后保持測(cè)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(cè)量

　　這是儀表2的測(cè)試結(jié)果，與儀表1不同的是儀表2開(kāi)始測(cè)試時(shí)間是在上午九點(diǎn)左右，與中午溫度有一定溫差?？梢钥吹絻x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(cè)試結(jié)果是校準(zhǔn)后的漂移，儀表的實(shí)測(cè)值經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)修正算法計(jì)算之后在作為被測(cè)物的真實(shí)值顯示在我們面前。這種校準(zhǔn)是否會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果的漂移產(chǎn)品影響嗎？下圖是儀表2將校準(zhǔn)修正關(guān)閉后的測(cè)量結(jié)果。

　　圖3  儀表2反射系數(shù)漂移測(cè)量（無(wú)校準(zhǔn)修正）

　　漂移量基本與有校準(zhǔn)修正時(shí)一致，看來(lái)在目前測(cè)量情況（反射系數(shù)比較大的時(shí)候）下，測(cè)量結(jié)果的溫度漂移基本與網(wǎng)絡(luò)分析儀接收通路的溫度漂移相當(dāng)，校準(zhǔn)修正對(duì)漂移量影響很小。對(duì)傳輸系數(shù)較大時(shí)的漂移進(jìn)行測(cè)量后也基本是這個(gè)結(jié)果。

　　但是當(dāng)反射系數(shù)或傳輸系數(shù)很小時(shí)校準(zhǔn)修正是否還是對(duì)漂移量影響很小，這里需要進(jìn)行一些分析。

　　首先還是實(shí)測(cè)，S21測(cè)量下來(lái)發(fā)現(xiàn)漂移量似乎與S21本身的大小關(guān)系不大，當(dāng)S21很小時(shí)漂移量會(huì)稍稍增加，這可能與接收機(jī)接收小信號(hào)比較容易受外界影響有關(guān)，測(cè)量值的漂移量不一定是溫度變化的原因，實(shí)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)連接電纜的微小震動(dòng)等都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的變化，這些變化已經(jīng)超過(guò)了溫漂導(dǎo)致的漂移。同時(shí)打開(kāi)與關(guān)閉校準(zhǔn)修正對(duì)測(cè)量結(jié)果漂移的影響也不明顯。

　　對(duì)與S11與S22的測(cè)量結(jié)果就不同了。我們將一個(gè)適配器作為測(cè)試件，測(cè)量時(shí)適配器另一端接上負(fù)載，測(cè)量得到的S11值大約在-40dB左右。當(dāng)關(guān)閉校準(zhǔn)修正時(shí)，儀表示值漂移量大約在0.5dB左右，這里的來(lái)源同樣不光是溫度變化，測(cè)試件本身的變化也是一個(gè)重要原因。當(dāng)打開(kāi)校準(zhǔn)修正后，觀察到儀表示值在2～3dB的范圍內(nèi)不停移動(dòng)，校準(zhǔn)修正似乎將測(cè)量值的漂移放大了。

　　網(wǎng)分測(cè)量時(shí)先做校準(zhǔn)修正是保證測(cè)量準(zhǔn)確的必要步驟，但是當(dāng)測(cè)量值產(chǎn)生小的漂移時(shí)，校準(zhǔn)修正起到了什么作用是需要進(jìn)行分析的。

　　網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)修正實(shí)質(zhì)上是通過(guò)對(duì)一系列標(biāo)準(zhǔn)件的測(cè)試得到對(duì)測(cè)試結(jié)果的修正項(xiàng)，然后對(duì)網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量結(jié)果（即根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機(jī)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算得到的結(jié)果）來(lái)進(jìn)行修正而得到被測(cè)物的S參數(shù)。當(dāng)網(wǎng)分的接收機(jī)測(cè)量結(jié)果有所變化時(shí)，校準(zhǔn)修正后的值也會(huì)隨之變化，那么可以通過(guò)校準(zhǔn)修正的算法得到修正前后測(cè)試值變化量的關(guān)系。

　　先看看S11的變化量與校準(zhǔn)修正的關(guān)系。進(jìn)行校準(zhǔn)修正時(shí)，與S11有關(guān)的誤差項(xiàng)有三個(gè)，EDF（方向性誤差項(xiàng)）、ESF（源匹配誤差項(xiàng)）以及ERF（頻率響應(yīng)誤差項(xiàng)），我們用S11A代表修正后的測(cè)試結(jié)果，也就是儀表的顯示值，S11M代表修正前的測(cè)試結(jié)果，即網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量值，兩者之間關(guān)系為：

　　對(duì)上面式子兩邊求微分，當(dāng)S11A與S11M變化量都很小的情況下可以得到:

　　由于我們實(shí)際關(guān)心的是變化的相對(duì)量，即dB值，所以上式應(yīng)該為：

　　ESF表示的是網(wǎng)絡(luò)分析儀端口阻抗與50歐姆特征阻抗的差異，一般來(lái)說(shuō)網(wǎng)絡(luò)分析儀的這個(gè)參數(shù)會(huì)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(rèn)為就等于1，于是上式最后可以化簡(jiǎn)為：

　　EDF一般數(shù)值都小于-20dB，因此當(dāng)被測(cè)物的S11比較大時(shí)，校準(zhǔn)修正對(duì)于測(cè)量穩(wěn)定度基本沒(méi)有影響。當(dāng)被測(cè)物的S11很小的時(shí)候就是另外一個(gè)情況了。這種情況下，網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量值S11M會(huì)非常接近EDF，從而導(dǎo)致測(cè)量值一個(gè)較小的波動(dòng)會(huì)帶來(lái)修正后的S11值非常大的波動(dòng)，從測(cè)量現(xiàn)象上來(lái)看就是測(cè)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(dòng)都會(huì)帶來(lái)測(cè)量結(jié)果的很大變動(dòng)。

　　從上式看，S11M等于EDF的時(shí)儀表顯示值的漂移會(huì)在無(wú)窮大，儀表測(cè)量的穩(wěn)定性將完全喪失。實(shí)際上這種情況是不可能出現(xiàn)的。S11M只可能大于EDF，不會(huì)等于或小于它，從EDF的實(shí)際物理意義可以得到這個(gè)結(jié)論。EDF指的是測(cè)量S11時(shí)從發(fā)射通路向接收通路的泄漏，從某種意義上來(lái)說(shuō)EDF相當(dāng)于S11測(cè)量時(shí)的底噪，因此S11的測(cè)量值自然不可能小于EDF。我們做校準(zhǔn)修正時(shí)，EDF等于負(fù)載校準(zhǔn)件的S11，在實(shí)際測(cè)量中我們也不會(huì)遇到一個(gè)反射小于標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載的被測(cè)物。

　　EDF是S11M測(cè)量的下限，但是并非是S11A的下限，在校準(zhǔn)修正后S11A是可以小于EDF的，但是S11A小于EDF時(shí)，測(cè)量穩(wěn)定性會(huì)下降很多，以至于得到的測(cè)量結(jié)果的不確定度上升，最后使測(cè)試結(jié)果失去意義。因此EDF從某種意義上也給出了S11測(cè)量的下限，當(dāng)被測(cè)物的S11等于或小于EDF時(shí)，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度就會(huì)降低，當(dāng)S11小到一定程度，即使是網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量的正常抖動(dòng)，即Trace noise，也會(huì)使S11測(cè)量的抖動(dòng)變得非常大，從而使對(duì)被測(cè)物S11的準(zhǔn)確測(cè)量變得不可能。

　　下圖為一臺(tái)SP809A型號(hào)網(wǎng)絡(luò)分析儀某一次校準(zhǔn)后的EDF，可以看到在整個(gè)頻率范圍內(nèi)EDF基本都小于-30dB，那么可以認(rèn)為這臺(tái)網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行S11測(cè)量時(shí)，當(dāng)被測(cè)物的S11大于-40dB時(shí)都可以得到較為準(zhǔn)確與穩(wěn)定的測(cè)試結(jié)果。

　　圖4  儀表2校準(zhǔn)誤差項(xiàng)EDF

　　那么從網(wǎng)絡(luò)分析儀的datasheet上我們是否能夠看到EDF這一項(xiàng)？由于EDF是校準(zhǔn)時(shí)對(duì)負(fù)載校準(zhǔn)件S11的測(cè)量結(jié)果，所以不會(huì)在網(wǎng)絡(luò)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(xiàng)數(shù)值計(jì)算出EDF來(lái)。

　　EDF=Directivity/(Reflection Tracking)

　　對(duì)于做的比較好的網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)說(shuō)，Reflection Tracking與1非常接近，因此可以近似認(rèn)為EDF等同于Directivity，所以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析儀規(guī)格書(shū)中的方向性這一指標(biāo)就可以大致判斷出該網(wǎng)絡(luò)分析儀S11的測(cè)試能力。

　　這里再扯一句題外話，校準(zhǔn)時(shí)我們用負(fù)載校準(zhǔn)件的S11作為EDF，而無(wú)修正的S11測(cè)量值不會(huì)小于網(wǎng)絡(luò)分析儀的方向性，因此我們只要找一個(gè)反射小于網(wǎng)絡(luò)分析儀方向性指標(biāo)的微波器件（比如衰減器）就可以當(dāng)作校準(zhǔn)中的負(fù)載件使用，而不會(huì)影響測(cè)試的準(zhǔn)確度。

　　以上對(duì)S11的測(cè)量準(zhǔn)確度進(jìn)行了分析，S22與之基本相同，只不過(guò)需要把這些指標(biāo)換到另一個(gè)端口就可以。S21的校準(zhǔn)修正式比S11復(fù)雜很多，它與兩端口四個(gè)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的測(cè)量值以及所有的校準(zhǔn)誤差項(xiàng)都有關(guān)系。不過(guò)大致分析下來(lái)可以得知，S21的測(cè)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(guān)。由于網(wǎng)絡(luò)分析儀中這個(gè)泄漏值一般都會(huì)遠(yuǎn)小于接收機(jī)的底噪，所以S21或S12的測(cè)量準(zhǔn)確度最終只與接收機(jī)底噪或網(wǎng)分的動(dòng)態(tài)范圍有關(guān)系，當(dāng)傳輸系數(shù)大于動(dòng)態(tài)范圍10dB的時(shí)候基本都能得到比較穩(wěn)定與準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果。

　　以上對(duì)于網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性做了一個(gè)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(jié)論還是有一定參考意義的。

　　網(wǎng)絡(luò)分析儀在測(cè)量值比較大的時(shí)候，測(cè)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(guān)，校準(zhǔn)修正與否對(duì)測(cè)量穩(wěn)定性基本沒(méi)有影響。當(dāng)測(cè)量值比較小時(shí)，對(duì)穩(wěn)定性的考慮就與儀表的其它特性有關(guān)了。特別對(duì)于反射系數(shù)，當(dāng)測(cè)量很小的反射系數(shù)時(shí)，在反射系數(shù)與儀表本身的方向性指標(biāo)相近或者低于該項(xiàng)指標(biāo)時(shí)，測(cè)量穩(wěn)定性將大幅度下降。

　　綜上所述，當(dāng)我們選擇網(wǎng)絡(luò)分析儀時(shí)，對(duì)儀表測(cè)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(cè)試能力的方向性以及決定插損測(cè)試能力的動(dòng)態(tài)范圍。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)儀表的方向性指標(biāo)比被測(cè)物的反射系數(shù)高出不超過(guò)10dB時(shí)都能得到比較準(zhǔn)確與穩(wěn)定的測(cè)試結(jié)果，當(dāng)被測(cè)物反射系數(shù)比儀表的方向性指標(biāo)低太多時(shí)，測(cè)試的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確度會(huì)有比較大的下降。動(dòng)態(tài)范圍則直接確定了插損測(cè)試的下限，網(wǎng)絡(luò)分析儀所能測(cè)到的最大插損就等于動(dòng)態(tài)范圍。為了得到比較穩(wěn)定和準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果，我們建議被測(cè)物的最大插損高于儀表動(dòng)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(luò)分析儀SP809A，它頻率范圍為100kHz到9GHz，兩端口與四端口可選，動(dòng)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(cè)試。歡迎大家聯(lián)系我們。