胡小蘭 陳麗 祝林林 董建軍
摘要:由于硬件特性的不理想,矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀原始方向性、源匹配、負(fù)載匹配、測試通道之間的傳輸跟蹤、反射跟蹤以及通道間的串?dāng)_是隨機誤差的主要來源,雖然可以通過校準(zhǔn)方法進(jìn)行減小,但不能完全消除,因此測量結(jié)果不是被測件的真實特性,而是包含了測量誤差。其中負(fù)載匹配既影響反射測試又影響傳輸測試,影響程度取決于被測件的真實阻抗和輸出等效失配。
關(guān)鍵詞:矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀;負(fù)載匹配;源匹配;測量不確定度
0、前言
矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是用來測量射頻、微波和毫米波網(wǎng)絡(luò)特性的儀器,它通過施加合適的激勵源到被測網(wǎng)絡(luò)并接收和處理網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)信號,計算和量化被測網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù),它能同時測量出網(wǎng)絡(luò)的幅度特性和相位特性,是最常用的微波測量儀器之一。測量往往伴隨著誤差,矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀也一樣,得到的測量結(jié)果并不是被測件的真實特性,而是包含了測量誤差。
1、負(fù)載匹配定義
在測量雙端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)時,理想情況下,入射信號經(jīng)被測件(DUT)傳
輸并在傳輸通道內(nèi)測出。實際上,一部分信號被端口反射而未在傳輸通道內(nèi)被測量。這類測量稱為負(fù)載匹配誤差。具體來說,負(fù)載匹配誤差是由于被測件輸出端匹配不理想引起的,即被測件的輸出端和測試系統(tǒng)的2 口阻抗不匹配。如圖1 所示。一部分傳輸信號由2 口反射回被測件。反射信號一部分經(jīng)再次反射回到2 口,一部分通過被測件作為反向信號進(jìn)入1 口。通常用回波損耗來表征負(fù)載匹配,回波損耗值愈大,指標(biāo)越好,所引起的測量誤差愈小。
負(fù)載匹配帶來的誤差既影響傳輸測量也影響反射測量,誤差的大小取決于被測件的輸出端和2 口的阻抗匹配。下面舉例說明負(fù)載匹配是如何影響反射測量和傳輸測量的。
2、負(fù)載匹配對反射測量的影響
如圖1,在進(jìn)行反射測量時,假設(shè)DUT 的傳輸系數(shù)為η,負(fù)載匹配為ML,源匹配誤差可忽略,由于負(fù)載匹配導(dǎo)致的誤差B=η*ML*η,A 為引入方向性誤差的被測反射信號,由于負(fù)載匹配導(dǎo)致的實際反射測量結(jié)果最壞情況可能是A±B。舉例說明,如圖2,用方向性為40dB,負(fù)載匹配為18dB 的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀1 和方向性為40dB,負(fù)載匹配為25dB 的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀2 分別對回波損耗為16dB(0.158)、插入損耗為1dB(0.891)的被測件(比如1dB 的衰減器)進(jìn)行反射測試時,負(fù)載匹配對回波損耗測量的影響計算如下:
由已知得:Ρ 方向性=10(-40/20)=0.01
ML1=10(-18/20)=0.126,ML2=10(-25/20)=0.056
η=0.891
B1= η*ML1* η=0.891*0.126*0.891=0.1,B2= η*ML2* η=0.891*0.056*
0.891=0.045
因此網(wǎng)絡(luò)分析儀1 測量結(jié)果最壞可能為Ρmax=0.158+0.01+0.1=0.268,
Ρmin=0.158-0.01-0.1=0.048 之間,
換算成dB 為RLmax=-20lg0.268=11.43dB,RLmin=20lg0.048=26.37dB 之間,
測量不確定度為(11.43dB-16dB=-4.57dB,26.37dB-16dB=10.37dB),即10.37dB/-4.57dB。
網(wǎng)絡(luò)分析儀2 測量結(jié)果最壞可能為Ρmax=0.158+0.01+0.045=0.213,Ρmin=0.158-0.01-0.045=0.103 之間,
換算成dB 為RLmax=-20lg0.268=13.43dB,RLmin=20lg0.048=19.74dB 之間,
測量不確定度為(13.43dB-16dB=-2.57dB,19.74dB-16dB=3.74dB)即3.74dB/-2.57dB。
假設(shè)上面例子被測件的插入損耗為6dB(0.5),其它條件不變,從同樣的過程可得到:
網(wǎng)絡(luò)分析儀1 測量結(jié)果最壞可能為
Ρmax=0.158+0.01+0.5*0.126*0.5=0.1995,
Ρmin=0.158-0.01-0. 5*0.126*0.5=0.1165 之間,
換算成dB 為RLmax=-20lg0.1995=14dB,RLmin=20lg0.1165=18.67dB 之間,
測量不確定度為(14dB-16dB=-2dB,18.67dB-16dB=2.67dB),即
2.67dB/-2dB。
網(wǎng)絡(luò)分析儀2 測量結(jié)果最壞可能為
Ρmax=0.158+0.01+0.5*0.056*0.5=0.182,
Ρmin=0.158-0.01-0.5*0.056*0.5=0.134 之間,
換算成dB 為RLmax=-20lg0.182=14.8dB,RLmin=20lg0.134=17.45dB 之間,
測量不確定度為(14.8dB-16dB=-1.2dB,17.45dB-16dB=1.45dB),即
1.45dB/-1.2dB。
3、負(fù)載匹配對傳輸測量的影響
如圖3,用原始源匹配和負(fù)載匹配分別為14dB 和16dB 的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用歸一化校準(zhǔn)后對回波損耗為16dB,插入損耗為1dB 的被測件(1dB 衰減器)進(jìn)行傳輸測試時,負(fù)載匹配對傳輸測試不確定度最壞情況分別為:1 ±(0.02+0.02+0.032)=1.072 或0.928, 換算成dB 為20lg1.072=0.6dB 或20lg0.928=-0.65dB,即0.6dB/-0.65dB。
當(dāng)被測件的回波損耗為16dB,插入損耗為6dB 時,傳輸測試不確定度最壞情況分別為:1±(0.02+0.126*0.5*0.2*0.5+0.032)=1.058 或0.942,換算成dB 為20lg1.058=0.49dB,20lg0.942=-0.52dB,即0.49dB/-0.52dB。
4、結(jié)束語
上面的實例,當(dāng)負(fù)載匹配為18dB 對1dB 插損的器件進(jìn)行反射測試時,其測量不確定度為(-4.57dB,10.37dB),當(dāng)負(fù)載匹配提高到25dB 時,測量不確定度縮小為(-2.57dB,3.74dB)。當(dāng)負(fù)載匹配為25dB 對6dB 插損器件進(jìn)行測試時,其測量不確定度為(-1.2dB,1.45dB)。
當(dāng)負(fù)載匹配為18dB 對1dB/6dB 插損器件進(jìn)行傳輸測試時,其測量不確定度分別為(-0.65dB,0.6dB)、(-0.52dB,0.49dB)??梢杂猛瑯拥姆椒▽ζ渌闆r進(jìn)行計算。
從計算結(jié)果可以得出:負(fù)載匹配對測量不確定度的貢獻(xiàn)與被測件的真實阻抗和輸出等效失配有關(guān),是傳輸和反射測量中產(chǎn)生測量不確定度的因素之一。當(dāng)被測件插損小,則由2口反射的信號和由源再次反射的信號會造成很大的誤差,因為反射信號經(jīng)過被測件時衰減很小。當(dāng)測試元件的插損大于6dB 時,源匹配和負(fù)載匹配通??梢院雎裕驗檎`差信號每次通過被測件時都衰減了很多。然而,在傳輸測量中,對于高反射輸出端口的元件來說,負(fù)載匹配是主要的誤差來源。當(dāng)需要進(jìn)行高精度測量時,應(yīng)選性能較好的網(wǎng)絡(luò)分析儀并進(jìn)行較復(fù)雜的系統(tǒng)校準(zhǔn)方法。
參考文獻(xiàn):
[1].矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀高級測量技術(shù)指南 (/美)敦思摩爾(Dunsmore,J. P.)著;陳新等譯.微波器件測量手冊,北京:電子工業(yè)出版社,2014.3.
[2]《. 數(shù)字通信測量儀器》編寫組編.數(shù)字通信測量儀器,第一版,北京: 人民郵電出版社,2007.2.
[3].Keysight Technologies.Applying Error Correction to Network Analyzer Measurements,Published in USA,July31,2014.
作者簡介:
胡小蘭(1974-)女,高級工程師,1997年畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué),中電科儀器儀表有限公司從事射頻微波綜合測試儀的研發(fā)與工程化。