在本文中，我們比較了矢量分析儀（VNA）的工廠校準和用戶校準的范圍。然后我們了解校準技術(shù)不能糾正的錯誤類型。

本系列的上一篇文章介紹了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）用戶校準的基本概念。在某些方面，用戶校準過程類似于稱重系統(tǒng)的收費或歸零，以消除容器中的誤差。當你想要稱量一個物體時，你首先把它的空容器放在天平上，然后按下皮重或零按鈕。這會將比例設(shè)定為零，并指示忽略容器的重量。

同樣，在用戶校準過程中，我們首先測量一些已知標準。例如，我們可以使用上一篇文章中的短期、開放和（匹配的）負載校準標準。這些測量值允許我們確定互聯(lián)的影響以及VNA的缺陷，并修正它們的誤差項。這種獨特的用戶校準功能使VNA成為最精確的射頻測試儀器。

這些技術(shù)并非沒有限制，盡管VNA校準可以最小化幅度和相位測量中的系統(tǒng)誤差，但它不能校正漂移或隨機誤差。我們將在本文中討論這些錯誤類型。我們還將花時間澄清工廠校準和用戶校準之間的差異。與隨機誤差和漂移誤差的討論一起，這應(yīng)該有助于您更好地了解VNA用戶校準的范圍。

工廠校準與用戶校準

對于大多數(shù)儀表，“校準”是指由制造商或服務(wù)中心進行的工廠校準，以確保儀表符合制造商的規(guī)范。可能需要定期重復進行工廠校準，通常每年進行一次，以確保儀表在這些規(guī)格范圍內(nèi)繼續(xù)運行。

與任何其他測試設(shè)備一樣，可變截面葉片也經(jīng)過了工廠校準。這確保了，除其他外，VNA的接收器測量信號達到規(guī)定的精度水平，并且VNA的內(nèi)部信號源的輸出功率和頻率符合制造商的要求。如圖1中的簡化框圖所示，工廠校準包括所有VNA直到測試端口連接器。

顯示VNA工廠校準范圍的簡化框圖。

?圖1。VNA工廠校準包括藍色輪廓中包含的測試設(shè)置的所有部分。圖片由提供

一些非理想性會在工廠校準后持續(xù)存在。例如，VNA內(nèi)的定向耦合器仍具有有限的方向性。同樣，工廠校準的VNA端口提供了一個不錯的匹配，但不是一個完美的匹配。

除了來自虛擬網(wǎng)絡(luò)分析的這些殘余誤差項外，還通過測試設(shè)置中使用的電纜、適配器等的缺陷將誤差引入測量中。上述不匹配誤差受電纜損耗和相位響應(yīng)的影響，這反過來又取決于信號頻率和電纜長度。簡而言之，誤差項取決于以下所有因素：

虛擬網(wǎng)絡(luò)分析。

測試設(shè)置中使用的電纜和連接器。

這就是為什么需要用戶校準的原因——它不僅考慮了VNA的缺陷，而且考慮了測試設(shè)置中使用的配件的缺陷。這將整個校準參考平面從VNA的測試端口移動到DUT的端口，如圖2所示。考慮到互聯(lián)的影響，我們現(xiàn)在可以單獨測量被測器械的性能。

虛擬網(wǎng)絡(luò)分析測試設(shè)置的簡化框圖。用于VNA用戶校準的參考平面以綠色標記。

?圖2。虛擬網(wǎng)絡(luò)分析測試設(shè)置的簡化框圖。用于VNA用戶校準的參考平面以綠色標記。

當處理系統(tǒng)誤差時，用戶校準是有效的，系統(tǒng)誤差是隨著時間推移趨向一致的測試設(shè)置的缺陷。這種一致性使得誤差項是可預測的，從而使得校準技術(shù)能夠確定和校正它們。測試端口失配和有限的耦合器方向性——分別由圖3中的紅色和品紅色路徑所示——是可變截面天線系統(tǒng)誤差的兩個常見來源。

由于有限的耦合器方向性和端口失配導致的不希望信號的路徑。

?圖3。當使用VNA進行輸入反射測量時，由有限的耦合器方向性（洋紅色虛線）和測試端口不匹配（紅色虛線）導致的不希望信號的路徑。

在應(yīng)用用戶校準之前，VNA的方向性和端口匹配可能是大約30dB和22dB。用戶校準可以將這些值分別提高到大約45dB和40dB。然而，由隨機誤差產(chǎn)生的測量不確定度（根據(jù)定義，隨時間不一致）即使在校準后也會保持不變。

噪聲導致的隨機誤差

校準和實際測量過程中，噪聲都會限制測量精度。雖然用戶校準不能減少噪聲，但我們可以使用其他技術(shù)，例如減少中頻（IF）帶寬或增加平均因子，以最小化噪聲對測量的影響。然而，這些噪聲的減少是以增加測量時間為代價的。

此外，雖然IF帶寬的減少可以顯著減少涉及低功率激勵的測量的噪聲，但它不太可能對高功率測量產(chǎn)生大的影響。要了解為什么要測量噪音，重要的是要知道測量噪音有兩個主要因素：

VNA接收機產(chǎn)生的白噪聲。

VNA信號源的相位噪聲。

當VNA的接收機測量具有低功率電平的信號時，主要噪聲源是接收機本身——VNA的信號源在產(chǎn)生低功率激勵時產(chǎn)生相對少量的噪聲。然而，如果我們的測量需要高水平的刺激，我們正在增加刺激信號的功率水平和噪聲水平。

在更高的功率電平下，信號源的相位噪聲可以上升到高于接收器的噪聲本底。然后，這種相位噪聲成為我們測量中噪聲的主要因素。隨著我們越來越接近中頻載頻，相位噪聲繼續(xù)增加。因此，當使用高電平信號時，減小VNA的IF帶寬可能不能像預期的那樣提高噪聲性能。

圖4顯示了具有兩個不同功率等級的信號的VNA源的頻譜內(nèi)容。

高功率信號和低功率信號的VNA信號源的光譜內(nèi)容。

?圖4。高功率（暗跟蹤）和低功率（光跟蹤）信號的VNA信號源的光譜內(nèi)容。圖片由喬爾·P·鄧斯莫爾提供

圖4中的淺灰色曲線對應(yīng)于功率等級為-10dBm的刺激信號。我們可以看到，這種情況下的噪聲具有平坦的頻率特性。這是因為信號源的相位噪聲低于接收機的噪聲本底。

當我們將功率水平增加到+10dBm時，我們會得到該數(shù)字的較暗軌跡。在這種情況下，隨著我們接近載頻，噪聲水平增加。這與相位噪聲的典型行為一致，確認信號源的相位噪聲為+10dBm。

當測量低電平信號時，從100Hz的IF頻率到10Hz通常導致信噪比（SNR）增加10dB。然而，當處理高電平信號時，相同的IF帶寬變化可能會產(chǎn)生更小的SNR改善，這是因為相位噪聲是主要的噪聲源。

噪聲并不是我們唯一需要應(yīng)對的隨機誤差。接下來，我們將討論由于缺乏可重復性而導致的錯誤。

連接器和電纜重復性差導致的隨機誤差

重復性是指當我們在相同條件下在短時間內(nèi)重復相同的測量時，測量結(jié)果的一致性。需要注意的是，低成本、低質(zhì)量的電纜和連接器可能會產(chǎn)生不可重復的錯誤。如果它們不可重復，則不能通過校準進行校正。

為了檢查電纜的可重復性，我們首先測量電纜的響應(yīng)并將其存儲在存儲器中。接下來，我們在電纜中放置一些彎曲或彎曲，測量彎曲電纜的響應(yīng)，并將其標準化為第一個實驗的結(jié)果。利用這些信息，我們可以對電纜重復性進行初步評估。

圖5顯示了兩種不同類型電纜的本程序結(jié)果，即左側(cè)的消費品質(zhì)量RG400電纜和右側(cè)的更高質(zhì)量電纜。兩種電纜的彎曲半徑和彎曲角度相同。

消費者質(zhì)量電纜（左）和相對質(zhì)量電纜（右）的重復性測試結(jié)果。

?圖5。消費者質(zhì)量電纜（左）和更高質(zhì)量電纜（右）的重復性測試結(jié)果。圖片由Rohde&Schwarz提供

消費者質(zhì)量電纜的前向傳輸（S21）的標準化幅值在測試的頻率范圍上變化大約0.4dB。在相同范圍內(nèi)，高質(zhì)量電纜的偏差僅為0.004 dB。

我們可以看到，更高質(zhì)量的電纜提供了更高程度的重復性，包括更可重復的相位響應(yīng)。上述討論還建議，在進行VNA校準后，我們應(yīng)盡量減少測試設(shè)置中電纜的移動。

應(yīng)注意的是，連接器的重復性可能會對測量精度產(chǎn)生顯著影響。有關(guān)正確處理連接組件的更多提示，請參閱以下文件：

Rohde&Schwarz矢量網(wǎng)絡(luò)分析的基本原理。

銅山科技有限公司VNA測量的計量介紹。

漂移誤差

我們將討論的最后一類誤差，稱為漂移誤差，是由校準后測試系統(tǒng)條件發(fā)生的任何變化引起的。我們可以通過重新校準測量系統(tǒng)以反映新的條件來消除現(xiàn)有的漂移誤差。然而，校準不能防止性能進一步漂移。

漂移通常是由于環(huán)境溫度和濕度的變化而發(fā)生的，因此有時使用溫度和濕度控制的房間來減少隨時間推移的漂移誤差。關(guān)于熱影響的主題，值得一提的是，我們必須為VNA的內(nèi)部溫度穩(wěn)定預留足夠的時間。為了達到最佳測量精度，上述Copper Mountain Technologies應(yīng)用程序注釋建議VNA預熱時間為一小時。

圖6顯示了我們將儀表放入45°C的溫度室內(nèi)并通電后，一對TR1300/1 VNA的內(nèi)部溫度如何變化。

VNA在溫度控制環(huán)境中通電后，VNA內(nèi)部溫度隨時間的變化。

?圖6。VNA通電后，VNA內(nèi)部溫度隨時間變化。圖片由銅礦山科技有限公司提供

在這兩種情況下，我們都會發(fā)現(xiàn)VNA的內(nèi)部溫度要穩(wěn)定大約需要一個小時。

總結(jié)

正如我們所見，VNA用戶校準技術(shù)不能糾正測試設(shè)置中所有類型的缺陷。然而，它們確實將系統(tǒng)誤差降到最低，使VNA成為射頻和微波工程中最精確的測量儀器之一。通過介紹12項誤差模型和伴隨的校準技術(shù)，本系列的下一篇文章將更深入地探討如何。