矢量网络分析仪的误差分析和处理
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。
（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
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。
图2
（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。
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
（6）频率响应传输跟踪误差
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
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
e 32：频率响应传输跟踪误差
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S 11和S 21的测得值变为
011222221122211
00010111122222112112211221122(1)1b s s e s s e s e e a s e s e s s e e s s e e -+'==+---+ (2.1.1 a) 32121303201111222221121122112211221b s s e e a s e s e s s e e s s e e '==+---+
(2.1.1 b) 仅根据以上两式还不能解出S 11和S 21以消除误差，必须等到测出S '22和S '12之后才能一起求解。将被测网络改为反向接入后，因测量装置本身未变，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
02211222112222200010221111222112112211221122(1)1b s s e s s e s e e a s e s e s s e e s s e e -+==+'---+ (2.1.1 c) 31212303202211112221121122112211221b s s e e a s e s e s s e e s 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4个S 参数的真值。其显式解如下：
110022002120123011112201013222[()(1)()()]/s e s e s e s e s e e D e e e e ''''----=+-
(2.1.2 a) 213022002111223201()[1()()]/s e s e s e e D e e ''--=+-
(2.1.2 b) 220021001220213022112201013222[(
)(1)()()]/s e s e s e s e s e e D e e e e ''''----=+- (2.1.2 c) 123011001211223201()[1()()]/s e s e s e e D e e ''--=+-
(2.1.2 d) 其中2
210022002130123011112101013232(1)(1)()()s e s e s e s e D e e e e e e e ''''----=+
+-
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
112222211222110001111122222112112211221122(1)1s s e s s e s e e s e s e s s e e s s e e -+=+'---+
(2.2.1 a)
21213032
1111222221121122112211221s s e e s e s e s s e e s s e e =+'---+
(2.2.1 b) 反向测得 221122211222220001221111222112112211221122(1)1s s e s s e s e e s e s e s s e e s s e e -+''=+'''---+'''''' (2.2.1 c) 121230322211112221121122112211221s s e e s e s e s s e e s 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)()()]/s e s e s e s e s e e D e e e e ''''''----'=+-'' (2.2.2 a) 213022002111223201()[1()()]/s e s e s e e D e e '''--'=+-'
(2.2.2 b) 220021001230213022112201013232[()(1)()()]/s e s e s e s e s e e D e e e e ''''''----'=--'' (2.2.2 c) 123011001211223201()[1()()]/s e s e s e e D e e '''--'=+-'
(2.2.2 d) 其中11002200213012301111302101013232
(1)(1)()()s e s e s e s e D e e e e e e e e ''''''----''=++-'' 3、10参数系统误差模型