二端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的多端口測量擴(kuò)展

摘要： 本文首先闡述了普通矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量原理和硬件結(jié)構(gòu)組成，并探討了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的誤差修正的基本原理，然后闡述了使用開關(guān)矩陣的改進(jìn)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的必要性、優(yōu)點和基本原理。

關(guān)鍵詞： 反射和傳輸；S參數(shù)；多端口測量；誤差修正

引言

網(wǎng)絡(luò)分析儀是微波電路設(shè)計和測試工程師必不可少的測量儀器。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在科研生產(chǎn)中起著非常重要的作用，廣泛使用于天線測試、電路測試、元器件測試和計量檢定等領(lǐng)域。進(jìn)行可靠的網(wǎng)絡(luò)測量必須深刻理解網(wǎng)絡(luò)分析儀和要測量的器件或電路。本文在討論普通矢量分析儀的基礎(chǔ)上著重介紹了如何使用開關(guān)矩陣的擴(kuò)展二端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀做多端口設(shè)備的測量。

二端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀原理

眾所周知，網(wǎng)絡(luò)分析儀有標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀之分。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀只能測量網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性，而矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以同時測量被測網(wǎng)絡(luò)的幅度信息和相位信息。矢量網(wǎng)絡(luò)分析即是通過測量被測網(wǎng)絡(luò)對頻率掃描和功率掃描測試信號的幅度與相位的影響，來精確表征被測網(wǎng)絡(luò)的一種方法。

最常用的對RF元器件的特性進(jìn)行測量的儀器是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)，這里所說的“網(wǎng)絡(luò)”指的是電子電路概念上的網(wǎng)絡(luò)，而不是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)上，VNA使用一個作為激勵的RF信號源，并采用多路測量接收機(jī)來測量正反兩個方向上的入射、反射和傳輸信號。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以利用固定功率的掃頻方式來測量S參數(shù)；也可以用固定頻率的功率掃描方式來測量放大器的增益壓縮。通過這種方式，來量化元器件的線性性能和一些簡單的非線性性能�，F(xiàn)在，新型VNA的內(nèi)部設(shè)置有兩個內(nèi)置RF信號源，可以對IMD進(jìn)行測量，而以前這主要通過兩個外接的信號源和一個頻譜分析儀來完成。基于VNA的測試方法使得在測試過程中對儀表的設(shè)置更加簡單、測量時間更短、準(zhǔn)確性更高。

2.1反射和傳輸

在網(wǎng)絡(luò)分析的基本形式中，包含測量沿傳輸線行進(jìn)的人射波、反射波和傳輸波，如圖1所示。在網(wǎng)絡(luò)分析儀的名詞術(shù)語中，一般用R或參考通道表示測量人射波；反射波用A通道測量，而傳輸波則用B通道測量。利用這些波中的幅度和相位信息，便能定量描述被測器件(DUT)的反射特性和傳輸特性。下面一些術(shù)語用于對反射和傳輸進(jìn)行：

圖1 網(wǎng)絡(luò)分析包括提供入射能量，測量反射能量和傳輸能量

S參數(shù)

 微波領(lǐng)域廣泛應(yīng)用散射參數(shù)(S參數(shù))來分析微波網(wǎng)絡(luò)。復(fù)雜的系統(tǒng)可以簡單地看成是若干個耦合的二端口網(wǎng)絡(luò)。與入射波、傳輸波和反射波相關(guān)的二端口參數(shù)稱為散射參數(shù)或S參數(shù)，見圖2。S參數(shù)類似于反射和傳輸特性。當(dāng)輸出端處于匹配狀態(tài)時，輸入端的反射系數(shù)即為S11參數(shù)；當(dāng)輸入端處于匹配狀態(tài)時，輸出端的反射系數(shù)即為S22參數(shù)。S21參數(shù)與正向傳輸系數(shù)等效，S12參數(shù)與反向傳輸系數(shù)等效。在測量、建模和設(shè)計多元件的復(fù)雜系統(tǒng)中，器件的S參數(shù)特性起著關(guān)鍵的作用。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀能方便快捷地測量出被測器件的四個S參數(shù)。

二端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀組成結(jié)構(gòu)

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀常指連續(xù)波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，被測網(wǎng)絡(luò)的激勵信號為正弦波信號。根據(jù)激勵信號源和響應(yīng)接收機(jī)是否在一個機(jī)箱內(nèi)而分成分體式和一體化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀兩個基本形式。
 雖然不同的網(wǎng)絡(luò)分析儀在設(shè)計細(xì)節(jié)方面有所差別，但所有的網(wǎng)絡(luò)分析儀都包含4個基本部分：提供入射信號的信號源；信號分離器分離入射、反射和傳輸信號；接收機(jī)把高頻信號轉(zhuǎn)換為較低頻率(中頻)的信號；處理和顯示系統(tǒng)對較低頻率的信號進(jìn)行處理，并顯示經(jīng)檢測和導(dǎo)出的信號。見圖3。

 圖3 網(wǎng)絡(luò)分析儀的4個主要部分

信號源

被測器件的頻率響應(yīng)通過信號源掃頻確定，在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中廣泛采用合成掃頻信號源。

信號分離

 網(wǎng)絡(luò)分析儀的下一項任務(wù)是分離入射、反射和傳輸信號，從而測量它們各自的幅度和相位。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀均采用定向耦合器方法分離信號。

接收機(jī)

 網(wǎng)絡(luò)分析儀的接收機(jī)把RF或微波能量轉(zhuǎn)換為較低的IF信號，從而簡化了精確的檢測任務(wù)。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用窄帶的鎖相接收機(jī)技術(shù)。

處理和顯示系統(tǒng)

 一旦檢測到RF或微波能量，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀必須處理和顯示各種測量。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種多通道儀器，至少有一個通道作為基準(zhǔn)通道，一個通道作為測試通道。

用開關(guān)矩陣擴(kuò)展二端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

傳統(tǒng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)有兩個測試端口，因為早期的大多數(shù)器件只有一個或兩個端口。為了對多端口器件進(jìn)行測量，就需要在被測器件(DUT)的各個端口之間多次變換測試電纜和端接負(fù)載，直到完成對所有端口的測量。而由此就會產(chǎn)生許多的問題，比如：可重復(fù)性差、操作復(fù)雜、計算復(fù)雜不直觀等等一系列問題。

原理

 為同時滿足很多的端口數(shù)量和很高的測試頻率的要求，可以通過使用一個通常放置于VNA底部的外置測試裝置(其中包含更多的測試端口連接器和定向耦合器)及必要的開關(guān)(這些開關(guān)可以讓外部測試裝置與VNA本身緊密地集成在一起)來擴(kuò)展VNA的端口數(shù)量。通過這種方式，可以實現(xiàn)端口數(shù)很多的多端口測試解決方案，并能測量任意端口對組合之間的信號通道，同時還包括必要的誤差校準(zhǔn)程序，消除所有測試端口和通道的系統(tǒng)誤差。 多端口測試系統(tǒng)的原理圖如圖4所示：

圖4 多端口測試裝置的系統(tǒng)框圖

 擴(kuò)展件(圖4中的虛線框內(nèi))是由N個單刀雙子開關(guān)及它們之間同軸連接線組成的。用計算機(jī)控制擴(kuò)展件的開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)行測量通道的切換，實現(xiàn)對N端口被測網(wǎng)絡(luò)的自動測量。校準(zhǔn)和測量的參考面都在擴(kuò)展件的三個測量端口面上。

實現(xiàn)

 多端口測試系統(tǒng)的優(yōu)點是與多端口DUT的一次連接就可以進(jìn)行多項測量，與使用傳統(tǒng)的兩端口VNA相比，大大地提高了測試速度�；�于VNA的多端口測試系統(tǒng)使用的是放在VNA測試端口前面的簡單開關(guān)矩陣。

 測試端口擴(kuò)展底座中的開關(guān)我們采用了機(jī)械開關(guān)，當(dāng)然也可以采用電子開關(guān)。電子開關(guān)的優(yōu)勢是開關(guān)速度更快、使用壽命沒有上限，但它們的插入損耗較高，不能承受大功率。在測試端口超過12個時，使用眾多的電子式開關(guān)一般會使測試設(shè)備更加昂貴，使用起來也更加困難。機(jī)械開關(guān)的射頻特性最好：損耗低，承受功率大。機(jī)械開關(guān)一般比電子開關(guān)便宜。但機(jī)械開關(guān)的主要缺點是開關(guān)觸點的使用壽命有限。盡管可靠性高的開關(guān)通常保證開關(guān)次數(shù)在500萬次以上，但大批量生產(chǎn)應(yīng)用通常會導(dǎo)致這些開關(guān)在不到一年內(nèi)就會損壞。

擴(kuò)展后的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的誤差修正

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量誤差，包含系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和漂移誤差三大類。隨機(jī)誤差是不可重復(fù)的誤差項，如信號源和接收機(jī)中的噪聲、測量過程或校準(zhǔn)過程中連接端口的測量重復(fù)性和開關(guān)重復(fù)性等都屬于隨機(jī)誤差。在測試中減小隨機(jī)誤差的最有效方法是對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行平均或平滑處理。漂移誤差主要是由溫度變化造成的。通過構(gòu)成具有穩(wěn)定環(huán)境溫度的測試環(huán)境，往往能將漂移誤差減至最小。由于微波、毫米波部件的不完善性所引起的誤差稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差是最大的誤差源。幸而絕大部分系統(tǒng)誤差可以通過校準(zhǔn)技術(shù)予以消除。對系統(tǒng)誤差的理解和建模是關(guān)鍵的一步—— 這是矢量誤差校正(也就是校準(zhǔn))的基礎(chǔ)。經(jīng)過對短路、開路、負(fù)載這些已知物理標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量，就有可能通過數(shù)學(xué)運算消除實際測量中的系統(tǒng)誤差。網(wǎng)絡(luò)測量中所涉及的系統(tǒng)誤差與信號泄漏、信號反射和頻率響應(yīng)有關(guān)。有以下六種類型的系統(tǒng)誤差：與信號泄漏有關(guān)的方向誤差、與信號泄漏有關(guān)的串?dāng)_誤差、與反射有關(guān)的源失配、與反射有關(guān)的負(fù)載阻抗失配、由測試接收機(jī)內(nèi)部的反射引起的頻率響應(yīng)誤差、由測試接收機(jī)內(nèi)部的傳輸跟蹤引起的頻率響應(yīng)誤差。

完整的二端口誤差模型包括正方向上的所有上述6項及反方向上的同樣6項(數(shù)據(jù)不同)，總共l2項誤差。這即是二端口校準(zhǔn)常常被稱為l2項誤差修正的原因。理論研究表明，對于硬件指標(biāo)不完善的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，可以等效為一個理想的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與測量參考面之間插入了一個二端口的誤差適配器。誤差適配器的參數(shù)將表征所有的系統(tǒng)誤差，二端口網(wǎng)絡(luò)有兩個參考面，因此包含了兩個誤差適配器。對于被測網(wǎng)絡(luò)的正向S參數(shù)和反向S參數(shù)測試各需一個適配器，如圖5所示。

圖5 二端口誤差模型

S11A、S12A、S21A和S22A為被測器件的S參數(shù)，其余為系統(tǒng)誤差項。

 用于測量二端口網(wǎng)絡(luò)的四個S參數(shù)時，要對12個誤差項進(jìn)行誤差修正；用于單端口測量時，需要進(jìn)行6項誤差修正。單端口校準(zhǔn)能測量并消除反射測量中的三項系統(tǒng)誤差(方向性、源匹配和反射跟蹤)。這三項誤差可由普遍方程導(dǎo)出，而普遍方程可借助有三個未知數(shù)的三個聯(lián)立方程求解。為了建立這三個聯(lián)立方程，必須測量三個已知的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，如一個開路器、一個短路器和一個負(fù)載。對方程求解可給出系統(tǒng)誤差項，并可導(dǎo)出被測器件的實際反射S參數(shù)。
 二端口誤差修正由于考慮了所有主要的系統(tǒng)誤差源而給出最精確的結(jié)果。在測量校準(zhǔn)時，根據(jù)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的軟菜單依次測量校準(zhǔn)件的反射、傳輸和隔離特性，將校準(zhǔn)件的實測數(shù)據(jù)作為已知條件，誤差適配器的誤差項作為未知項，滿足一組復(fù)雜的矢量方程。通過解方程組求出誤差適配器的所有12項誤差。不同的校準(zhǔn)件和校準(zhǔn)方法滿足不同的方程組，校準(zhǔn)的類型決定了方程組的大小。
 對多端口測試系統(tǒng)來說，誤差校正是整個解決方案的關(guān)鍵組成部分�；�本的VNA校準(zhǔn)程序可以校準(zhǔn)被測路徑中的所有系統(tǒng)誤差。在多端口環(huán)境中，在特定被測信號路徑之外的測試端口的負(fù)載匹配可能會導(dǎo)致明顯的測量誤差。測試端口數(shù)量越多，潛在的誤差可能性越大，產(chǎn)生誤差的程度與DUT端口之間的隔離度有關(guān)。現(xiàn)代的VNA可以校正所有由于測試端口性能不佳而導(dǎo)致的對整體測試性能的影響，而并不管具體是哪些端口位于測量通道中。這通常稱為N端口校準(zhǔn)，其中N是DUT和測試系統(tǒng)的端口數(shù)量。N端口校準(zhǔn)提供了最佳的準(zhǔn)確性，但代價是提高了掃描數(shù)量，增加了測試時間。

由于三端口測量系統(tǒng)和多端口測量系統(tǒng)的工作原理相同，因此多端口誤差模型可由三端口誤差模型推廣得出，即每個端口都有如圖6所示的四項傳輸反射誤差參數(shù)，除此外不同端口間還有耦合的誤差參數(shù)，如圖5中的e21、e13等誤差參數(shù)。

需要N端口校準(zhǔn)的一個新應(yīng)用就是測量高速數(shù)字網(wǎng)絡(luò)設(shè)備背板上的物理層結(jié)構(gòu)或連接器上的串?dāng)_，及互連電纜上多連接器間的串?dāng)_。例如，兩條差分傳輸線在本質(zhì)上相當(dāng)于一個8端口器件，在測量遠(yuǎn)端串?dāng)_(FEXT)時，我們會在一對差分線的一端施加差分激勵信號，在另外一對差分線的另一端測量差分響應(yīng)。如果不使用N端口校準(zhǔn)，那么在FEXT測量過程中沒有用到的4個測試端口的負(fù)載匹配可能會導(dǎo)致相當(dāng)大的誤差。對于位于兩條產(chǎn)生干擾的差分線對之間的受干擾的差分線，也需要進(jìn)行類似的串?dāng)_測量。這些測量要求12端口測試系統(tǒng)和12端口校準(zhǔn)。

為了改善測量時間，許多多端口器件在測試的時候通常會分成數(shù)個M端口的測量和M端口的校準(zhǔn)來進(jìn)行，其中M總結(jié)基于先進(jìn)VNA的測試系統(tǒng)為測量當(dāng)前無線通信、軍用系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備物理層中使用的RF和微波元器件提供了核心測量引擎。在VNA內(nèi)部配置兩個信號源簡化并加快了對放大器、混頻器和變頻器的測量速度，同時還能保證很高的測試精度。在測試放大器的時候，內(nèi)置的這兩個信號源可以用來測量S參數(shù)、增益壓縮和諧波以及產(chǎn)生測量IMD所需的信號。在測試混頻器和頻率變換器件時，其中的一個信號源可以作為混頻器或頻率變換器件的輸入信號，而另外一個信號源則可以當(dāng)作本振信號，這樣對器件進(jìn)行一次連接就能同時完成固定本振測量和本振掃描測量。

結(jié)論

盡管4端口VNA現(xiàn)在十分常見，但更高的集成度正日益要求測試系統(tǒng)有8個以上的測試端口。通過把VNA與由開關(guān)、耦合器和額外的測試端口組成的外部測試端口擴(kuò)展底座結(jié)合起來，可以簡便地實現(xiàn)這一目標(biāo)。通過采用N端口校準(zhǔn)，VNA可以在多端口測試系統(tǒng)中得到其所期望的與使用兩端口VNA進(jìn)行測試時一樣的高精度。