矢量网络分析仪（矢网）的校准

一、误差分析 网络分析仪测试过程中的误差主要分为三类：系统误差、 随机误差、 漂移误差。 1、 系统误差是由于仪表内部测试装置的不理想引起，它是可预示和可重复出现的。 由于是不随时间变化的，从而可以定量进行描述。系统误差可在测试过程中通过校准消除。 2、 随机误差是不可预示的，因为它以随机形式存在，会随时间变化，因此不能通过校准消除。随机误差的主要来源为：仪表内部噪声(如：激励源相位噪声、 采样噪声、 中频接收机本振噪声等)，仪表的开关动作重复性和连接器重复性也属于随机误差。 3、 漂移误差是仪表在校准后测试装置性能漂移。漂移误差主要是由于温度变化造成，可通过进一步校准消除。校准后仪表能够保持稳定精度的时间长短取决于测试环境中仪表的漂移速度。 二、系统误差的具体分析 既然网络分析仪校准可消除测试过程中出现的系统误差。 下面具体分析一下反射特性测试过程中网络分析仪存在的系统误差。 图2-1 测试器件反射特性时网络分析仪存在的误差内容 1、 频响误差 网络分析仪在扫频状态下工作，无论是仪表内部的功分器， 定向耦合器，还是外接的转换接头和测试电缆等， 在工作频带范围内其特性都会随频率而变化。这些频率响应特性造成的测试误差被称为“频响误差”，也被称为“跟踪误差”。 频响误差包括反射特性测试存在的反射跟踪误差以及传输特性测试存在的传输跟踪误差。 2、 方向性误差 由于定向耦合器有限方向性造成的误差为方向性误差，方向性误差引起的泄漏信号会叠加在真实的反射信号上，造成测试误差。当被测件端口匹配性能好时，方向性误差对测试影响较大。 3、 端口失配误差 反射指标测试过程中，反射信号通过传输路径返回仪表端口，仪表端口阻抗与传输线间会存在失配，该失配会造成信号二次入射，最终在传输路径中的信号的多次入射，相应又形成多次反射，这项误差称为源失配误差。被测件匹配性能越差，该项误差对测试的影响越明显。 同样，被测器件输出的传输信号也会由于接收端阻抗失配造成反射，该信号会通过被测件的反向传输而叠加在真实反射信号上。从而形成负载失配误差。如果被测件反向传输隔离性能较差，负载失配误差的影响较大。 4、 隔离误差 在网络分析仪内部 R1、 A、 B 接收机应该分别反映测试的输入、 反射及传输信号。但这些接收机之间会存在信号串扰，对于高隔离被测器件(开关、 隔离器、 大范围衰减器)的测试。该项误差影响明显。 上图 2-1 中，正向的反射特性测试存在共 6 项误差，反向测试存在对称的 6 项测试误差，所以双端口器件测试中共存在 12 项误差。 三、校准原理及方式 校准原理是对已知参数的校准器件进行测量，将这些测量结果贮存到分析仪的存储器内，利用这些数据来计算误差模型。然后，利用误差模型从后续测量中去除系统误差的影响。 校准过程就是通过测试校准件来明确仪表系统误差的过程。 根据校准件的不同，校准方式可以分机械校准和电子校准。根据消除误差项的不同，机械校准又可分为频响校准和矢量校准。 其中矢量校准又可以分为单端口、双端口、多端口以及 TRL 校准。 每种校准方式的校准件数目、测试的次数及消除误差项目的个数都不相同。 校准的精度从高到低分别为： TRL 校准、电子校准、矢量校准、频响校准。 3.1 频响校准 频响校准(Response)只测试 1 个校准件， 只用进行 1 次校准测试操作。 反射测试时为全反射校准件，可使用短路校准件(Short)或开路校准件(Open)。一般使用终端短路(Short)更接近理想全反射状态。 传输测试时，使用直通校准件(Through)。 频响校准比较简单， 精度低，只消除频率响应误差。频响校准过程相当于测试归一化过程。即先将测试结果存入存储器中得到参考线，然后用被测件测试结果与其比较。这样可消除参考线中系统误差影响。 3.2 矢量校准 矢量校准要求网络分析仪具有幅度和相位的测试能力，计算误差项的过程中需要联立方程组。矢量校准过程更复杂， 要求测试多个标准件，从而可消除更多的误差项，保证仪表具有更高的测试精度。 3.2.1 单端口矢量校准 单端口校准(1-Port Cal)需要用到 3 个校准件（ Open、 Short、 Load），进行 3 次校准测试操作。 当校准端口为仪表的端口 1 时，称为 S11 单端口校准； 当校准端口为仪表的端口 2 时，称为 S22单端口校准。 单端口校准可消除被校准端口的 3 项系统误差(方向性误差、 源失配误差、 反射跟踪误差)。 3.2.2 双端口矢量校准 双端口校准(2-Port Cal)需要用到 4 个校准件（ Open、 Short、 Load、 Through），进行 7 次校准测 试操作。 其中双端口的隔离校准只在测试高隔离（隔离器、开关）、大动态范围（滤波器）器件时才 用到。 当网络分析仪用于被测器件的传输性能测试时， 就需要对网络分析仪的测试端口和传输连接线进行双端口校准。 双端口校准可消除两个测试端口的全部 12 项系统误差。 3.2.3 多端口矢量校准 多端口校准(3-Port Cal 或 4-Port Cal)是双端口校准的两两组合，因此也需要用到 4 个校准件，但校准测试操作会有所增加。 3.2.4 TRL 校准 TRL 校准也属于矢量校准，只用于双端口及多端口校准，但与上面描述的传统双端口矢量校准所使用的校准器件及测试方式有所不同。 传统的机械校准的校准件参数不容易精确确定，因为短路件会存在寄生电感，开路件会存在寄生电容。而 TRL 校准使用的是传输线器件， 其参数更容易被确立，且校准精度不完全由校准件决定。 TRL 使用三种校准件：直通校准件(Through)、反射校准件(Reflect)、传输线校准件(Line)。 图3-1 TRL 校准 3.3 电子校准 Agilent ENA 系列网络分析仪除可以使用传统的机械校准件进行校准外，还可以使用电子校准件（ E-Cal)。 Agilent ENA 网络分析仪与电子校准件间的通信控制采用 USB 接口。 与机械校准件相比，电子校准件具有以下特点： 1、校准过程简单， 电子校准件只需要和矢网连接一次，即可完成双端口校准所要求的测试项目。而不需要多次的校准件连接。 2、校准速度快， 利用电子校准完成双端口校准只需要几秒钟时间，使整个测试过程的效率大大提高。 3、校准过程中不确定因素少， 由于不需多次的连接过程，所以电子校准受到误操作影响概率会降低。 4、支持混合端口校准， Agilent 可提供混合端口形式的电子校准件，可保证对许多非插入器件测试的准确性。 图3-2 电子校准 四、校准方法 校准的操作主要有以下步骤： 1、 首先，根据被测的器件以及测试的项目选择准备要进行校准及测试的端口（单端口、双端口）； 2、 其次， 确定校准件的型号（电子校准的型号或机械校准件的具体型号） ； 3、 再次， 确定校准的方式（电子、频响、矢量等等） ； 4、 然后，进入到具体的校准测试过程。如，若机械校准，连接上校准件后，再点选网分对应的选项； 5、 最后是测试状态和校准参数的存储和调用。