負(fù)載匹配對測量結(jié)果的影響

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。