中国电子科技集团第三十八研究所安徽省合肥市230001
摘要：在人类科技文化迅速发展的今天智能系统已逐渐深入人心，未来社会将是一个智能的社会。人们对此抱着美好的憧憬的同时，政府及企事业单位对其投资也十分巨大。矢量网络分析仪及相关高科技一起的使用，在人类未来社会中将扮演至关重要的角色，它将在人类追求智能现代化的生活中，起到基石的作用。
关键词：矢量网络分析仪；硬件性能；测量结果
前言
电路分析是射频微波工程中最基础的测量任务之一，完成相应测量需要使用矢量网络分析仪。网络分析仪是很复杂且具有多方面用途的测试设备，既能应用于研发过程，还可以直接用于生产测试，能够采用网络分析仪进行分析的电路范围极其广泛，例如滤波器、手机主板、汽车天线、音响功放、卫星通信模块等。
1网络分析仪结构
网络分析仪可以分为标量（只包含幅度信息）和矢量（包含幅度和相位信息）两种分析仪。标量分析仪曾一度因其结构简单，成本低廉而广泛使用。矢量分析仪可以提供更好的误差校正和更复杂的测量能力。随着技术的进步，集成度和计算效率的提高，成本的降低，矢量网络分析仪的使用越来越普及。网络分析仪有四个基本功能模块。信号源用于产生入射信号，既支持连续扫频也支持离散频点，并且功率可调。信号源通过信号分离模块馈入DUT输入端，信号分离模块可看作一个测试装置。在这里，将反射信号和传输信号分离进不同的组件测量。对于每一个频点，处理器测量信号并计算参数值（例如S21或驻波比）。用户校准主要用于提供数据的错误校正，将在后续详细介绍。最终，当与网络分析仪交互时，你可以在显示器上查看参数以及修正后的数值，并使用其它用户功能，比如缩放波形图。根据网络分析仪性能和成本的不同，有多种方式实现结构中的四个模块。测试装置可以设计成传输/反射（T/R）或全S-参数。其中，T/R测试装置是最基本的实现方式。T/R结构包括一个稳定信号源，它能够提供指定频率和功率的正弦波信号;一个参考接收器R，它与功率分配器或定向耦合器相连，用于测量入射信号的幅值和相位。入射信号从网络分析仪端口1发出，馈入DUT的输入端。定向耦合接收器A测量任何反射回端口1的信号（包括幅值和相位）。定向耦合器和电阻桥功能类似，都可以用于分离信号，你可以根据性能，频率范围和成本要求进行选择。信号经过DUT传输进入网络分析仪的端口2，端口2处的接收器B用于测量该信号的幅值和相位。接收器针对不同的特性要求也有不同的结构，可被看作是带有下变频器、中频滤波器以及矢量检测器的窄带接收机，类似于矢量信号分析仪。它们可以提取出信号的实、虚部，用于计算幅值和相位信息。此外，所有接收器都与信号源使用相同的相位参考，你可以在相同的相位参考下计算接收信号与入射信号的相位关系。T/R结构具有性价比高，结构简单，性能好的特点。但仅只支持前向参数测量，例如S11和S21。如要测量反向参数，需要断开并反转DUT，或者借助外部开关控制。由于不能切换源（入射信号）到端口2，端口2的纠错能力有限。如果T/R结构设计符合你的项目要求，这种结构是一种高精度和高性价比的选择。在参考接收耦合器后的信号通路中嵌入了一个开关。当开关连通端口1，分析仪测量前向参数。当开关连通端口2，你无需重置DUT外部连接，就可以测量反向参数。端口2处的定向耦合接收器B测量前向传输参数和反向反射参数。接收器A测量前向反射参数和反向传输参数。网络分析仪的基本结构绝大部分在测试装置中实现。一旦分析仪测量出入射信号（R参考接收器）和传输信号的幅值和相位，或者是反射信号（A和B接收器）的幅值和相位，就可计算出四个S-参数值。
2系统误差的稳定性对测量结果的影响
在试验中,模拟了在校准或者测量过程中硬件电路性能随环境温度变化的情况,这就会引起测试数据中幅度和相位的变化。实验中,在矢量网络分析仪的测试端口连接了一根低损耗的稳相测试电缆,连接该电缆后,端口的参考面被延伸到测试电缆的接头处,当校准完后,通过挪动测试电缆来模拟系统误差的变化,这会引起反射信号的相位改变,并且会影响这2个信号(反射信号和激励源通过定向耦合器泄露到测试通道中的信号)间的相位关系,会导致2个信号的幅度更加接近,因此2个信号叠加后的变化幅度将变得更大,因为2个信号间这种相位的改变是不能被预测和建模的,因此它将对校准的稳定性产生直接的影响,使得校准过程变成了一个不稳定的校准。这就是测试数据产生变化的原因。
3方向性误差的稳定性和反射跟踪误差对测量结果的影响
系统方向性误差的稳定性与系统初始的方向性有直接的关系。当矢量网络分析仪安装了指标差的定向耦合器或者在定向耦合器的信号输出端口引入了损耗,都会导致系统方向性的恶化。虽然恶化后的方向性误差也是可以通过校准修正掉的,但它却会使得方向性误差的稳定性变差,进而影响到测量结果。为了模拟恶化后的方向性误差的稳定性对实际测量结果的影响,在实验A的基础上,在低损耗的稳相测试电缆端口连接同轴衰减器,连接衰减器后:一方面可以模拟系统方向性误差变差的情况:另一方面也可模拟反射跟踪误差变大的情况。试验中,模拟了在校准或者测量过程中硬件电路性能随环境温度变化的情况,这就会引起测试数据中幅度和相位的变化。实验中,由于在定向耦合器后引入了损耗,导致了系统方向性的进一步恶化,即系统的方向性误差变大。虽然恶化后的方向性也是可以通过校准修正掉的,但它却会影响测量的稳定性。所以对于矢量网络分析仪来说,虽然可以通过校准修正系统的方向性误差,但还是要求定向耦合器具有较高的初始方向性和被测件尽可能的接近方向性器件的端口。通过上述理论分析和试验可得出,定向耦合器的方向性指标优劣会影响到实际测量结果的稳定性,方向性指标越好,矢量网络分析仪具有更稳定的测量结果。因此,改善定向耦合器的方向性指标可提高矢量网络分析仪测量结果的稳定性。
4改进措施
4.1校准和测量的设备改进
加大资金投入，自从进入信息化时代，市场经济的发展已行成愈演愈烈之势，网络分析仪的大量使用已经进入各个行业各个领域。人们对于它的关注也越来越大，网络分析仪已然成为了当下学术研究以及实验测定，拓展研究门路的一种有效途径。采用高精度的测量设备来进行测量，来进行解决这一难题，这应当引起相关部门和企事业的足够重视。网络分析仪测量设备的选用原则是其精度和稳定度应该等同或者高于网络分析仪的性能，只有通过这个方法才能解决现存的，无法解决的技术难题，使得校准和测量技术水平达到一个前所未有的新高度。这不仅可以给人类带来永久的利益，还会给人们带来一劳永益的便利收获。
4.2测量人员的技术提升
通过的对人员的管理和其技术手段提升，来降低当前测量误差，是目前技术以及设备所限大背景下，一种最为快捷有效的解决方法，加大对技术人员的培训，在操作过程中需尽可能按照规程、规范来执行。校准方法的选择直接影响了校准的结果，不同的校准方法，有时会产生截然不同的两种结果。只有在充分了解设备的性能和使用方法下，才能避免由于设备的操作问题而造成误差增大的情况的发生。
结束语
综上所述,矢量网络分析仪硬件性能的稳定性指标已影响到了最终测量结果的稳定性,随着测量频率的提高,硬件的性能指标和稳定性指标将成为决定测量结果准确度的重要因素,提高硬件的性能成为提升矢量网络分析仪性能的关键因素。例如定向耦合器、偏置网络、步进衰减器、开关等关键微波部件都需要具有稳定的性能指标。
参考文献:
[1]肖虎.矢量网络分析仪误差校准算法及系统软件的设计与实现[D].电子科技大学,2016.
[2]尚赞玉.矢量网络分析仪校准新算法的研究[D].西安电子科技大学,2014.