二端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的多端口測(cè)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(cè)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(diǎn)和基本原理。

關(guān)鍵詞： 反射和傳輸；S參數(shù)；多端口測(cè)量；誤差修正

引言

網(wǎng)絡(luò)分析儀是微波電路設(shè)計(jì)和測(cè)試工程師必不可少的測(cè)量?jī)x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(cè)試、電路測(cè)試、元器件測(cè)試和計(jì)量檢定等領(lǐng)域。進(jìn)行可靠的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量必須深刻理解網(wǎng)絡(luò)分析儀和要測(cè)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(cè)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(cè)量網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性，而矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以同時(shí)測(cè)量被測(cè)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(cè)量被測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)頻率掃描和功率掃描測(cè)試信號(hào)的幅度與相位的影響，來精確表征被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的一種方法。

最常用的對(duì)RF元器件的特性進(jìn)行測(cè)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)上，VNA使用一個(gè)作為激勵(lì)的RF信號(hào)源，并采用多路測(cè)量接收機(jī)來測(cè)量正反兩個(gè)方向上的入射、反射和傳輸信號(hào)。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以利用固定功率的掃頻方式來測(cè)量S參數(shù)；也可以用固定頻率的功率掃描方式來測(cè)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(jiǎn)單的非線性性能。現(xiàn)在，新型VNA的內(nèi)部設(shè)置有兩個(gè)內(nèi)置RF信號(hào)源，可以對(duì)IMD進(jìn)行測(cè)量，而以前這主要通過兩個(gè)外接的信號(hào)源和一個(gè)頻譜分析儀來完成。基于VNA的測(cè)試方法使得在測(cè)試過程中對(duì)儀表的設(shè)置更加簡(jiǎn)單、測(cè)量時(shí)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(cè)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(cè)量人射波；反射波用A通道測(cè)量，而傳輸波則用B通道測(cè)量。利用這些波中的幅度和相位信息，便能定量描述被測(cè)器件(DUT)的反射特性和傳輸特性。下面一些術(shù)語用于對(duì)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(cè)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(jiǎn)單地看成是若干個(gè)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(shí)，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(shí)，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(cè)量、建模和設(shè)計(jì)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(cè)量出被測(cè)器件的四個(gè)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(cè)網(wǎng)絡(luò)的激勵(lì)信號(hào)為正弦波信號(hào)。根據(jù)激勵(lì)信號(hào)源和響應(yīng)接收機(jī)是否在一個(gè)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(gè)基本形式。
 雖然不同的網(wǎng)絡(luò)分析儀在設(shè)計(jì)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(gè)基本部分：提供入射信號(hào)的信號(hào)源；信號(hào)分離器分離入射、反射和傳輸信號(hào)；接收機(jī)把高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為較低頻率(中頻)的信號(hào)；處理和顯示系統(tǒng)對(duì)較低頻率的信號(hào)進(jìn)行處理，并顯示經(jīng)檢測(cè)和導(dǎo)出的信號(hào)。見圖3。

 圖3 網(wǎng)絡(luò)分析儀的4個(gè)主要部分

信號(hào)源

被測(cè)器件的頻率響應(yīng)通過信號(hào)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(hào)源。

信號(hào)分離

 網(wǎng)絡(luò)分析儀的下一項(xiàng)任務(wù)是分離入射、反射和傳輸信號(hào)，從而測(cè)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(hào)。

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(hào)，從而簡(jiǎn)化了精確的檢測(cè)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(cè)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(cè)量。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種多通道儀器，至少有一個(gè)通道作為基準(zhǔn)通道，一個(gè)通道作為測(cè)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(gè)測(cè)試端口，因?yàn)樵缙诘拇蠖鄶?shù)器件只有一個(gè)或兩個(gè)端口。為了對(duì)多端口器件進(jìn)行測(cè)量，就需要在被測(cè)器件(DUT)的各個(gè)端口之間多次變換測(cè)試電纜和端接負(fù)載，直到完成對(duì)所有端口的測(cè)量。而由此就會(huì)產(chǎn)生許多的問題，比如：可重復(fù)性差、操作復(fù)雜、計(jì)算復(fù)雜不直觀等等一系列問題。

原理

 為同時(shí)滿足很多的端口數(shù)量和很高的測(cè)試頻率的要求，可以通過使用一個(gè)通常放置于VNA底部的外置測(cè)試裝置(其中包含更多的測(cè)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(cè)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(shí)現(xiàn)端口數(shù)很多的多端口測(cè)試解決方案，并能測(cè)量任意端口對(duì)組合之間的信號(hào)通道，同時(shí)還包括必要的誤差校準(zhǔn)程序，消除所有測(cè)試端口和通道的系統(tǒng)誤差。 多端口測(cè)試系統(tǒng)的原理圖如圖4所示：

圖4 多端口測(cè)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(gè)單刀雙子開關(guān)及它們之間同軸連接線組成的。用計(jì)算機(jī)控制擴(kuò)展件的開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)行測(cè)量通道的切換，實(shí)現(xiàn)對(duì)N端口被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)測(cè)量。校準(zhǔn)和測(cè)量的參考面都在擴(kuò)展件的三個(gè)測(cè)量端口面上。

實(shí)現(xiàn)

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

 測(cè)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(shì)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(cè)試端口超過12個(gè)時(shí)，使用眾多的電子式開關(guān)一般會(huì)使測(cè)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(diǎn)是開關(guān)觸點(diǎn)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(huì)導(dǎo)致這些開關(guān)在不到一年內(nèi)就會(huì)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(cè)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(xiàng)，如信號(hào)源和接收機(jī)中的噪聲、測(cè)量過程或校準(zhǔn)過程中連接端口的測(cè)量重復(fù)性和開關(guān)重復(fù)性等都屬于隨機(jī)誤差。在測(cè)試中減小隨機(jī)誤差的最有效方法是對(duì)測(cè)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(cè)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(duì)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(duì)短路、開路、負(fù)載這些已知物理標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量，就有可能通過數(shù)學(xué)運(yùn)算消除實(shí)際測(cè)量中的系統(tǒng)誤差。網(wǎng)絡(luò)測(cè)量中所涉及的系統(tǒng)誤差與信號(hào)泄漏、信號(hào)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(hào)泄漏有關(guān)的方向誤差、與信號(hào)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(cè)試接收機(jī)內(nèi)部的反射引起的頻率響應(yīng)誤差、由測(cè)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(xiàng)及反方向上的同樣6項(xiàng)(數(shù)據(jù)不同)，總共l2項(xiàng)誤差。這即是二端口校準(zhǔn)常常被稱為l2項(xiàng)誤差修正的原因。理論研究表明，對(duì)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(gè)理想的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與測(cè)量參考面之間插入了一個(gè)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(gè)參考面，因此包含了兩個(gè)誤差適配器。對(duì)于被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的正向S參數(shù)和反向S參數(shù)測(cè)試各需一個(gè)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(cè)器件的S參數(shù)，其余為系統(tǒng)誤差項(xiàng)。

 用于測(cè)量二端口網(wǎng)絡(luò)的四個(gè)S參數(shù)時(shí)，要對(duì)12個(gè)誤差項(xiàng)進(jìn)行誤差修正；用于單端口測(cè)量時(shí)，需要進(jìn)行6項(xiàng)誤差修正。單端口校準(zhǔn)能測(cè)量并消除反射測(cè)量中的三項(xiàng)系統(tǒng)誤差(方向性、源匹配和反射跟蹤)。這三項(xiàng)誤差可由普遍方程導(dǎo)出，而普遍方程可借助有三個(gè)未知數(shù)的三個(gè)聯(lián)立方程求解。為了建立這三個(gè)聯(lián)立方程，必須測(cè)量三個(gè)已知的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，如一個(gè)開路器、一個(gè)短路器和一個(gè)負(fù)載。對(duì)方程求解可給出系統(tǒng)誤差項(xiàng)，并可導(dǎo)出被測(cè)器件的實(shí)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(cè)量校準(zhǔn)時(shí)，根據(jù)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的軟菜單依次測(cè)量校準(zhǔn)件的反射、傳輸和隔離特性，將校準(zhǔn)件的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為已知條件，誤差適配器的誤差項(xiàng)作為未知項(xiàng)，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(xiàng)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(duì)多端口測(cè)試系統(tǒng)來說，誤差校正是整個(gè)解決方案的關(guān)鍵組成部分。基本的VNA校準(zhǔn)程序可以校準(zhǔn)被測(cè)路徑中的所有系統(tǒng)誤差。在多端口環(huán)境中，在特定被測(cè)信號(hào)路徑之外的測(cè)試端口的負(fù)載匹配可能會(huì)導(dǎo)致明顯的測(cè)量誤差。測(cè)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(cè)試端口性能不佳而導(dǎo)致的對(duì)整體測(cè)試性能的影響，而并不管具體是哪些端口位于測(cè)量通道中。這通常稱為N端口校準(zhǔn)，其中N是DUT和測(cè)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(jià)是提高了掃描數(shù)量，增加了測(cè)試時(shí)間。

由于三端口測(cè)量系統(tǒng)和多端口測(cè)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(gè)端口都有如圖6所示的四項(xiàng)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(gè)新應(yīng)用就是測(cè)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(gè)8端口器件，在測(cè)量遠(yuǎn)端串?dāng)_(FEXT)時(shí)，我們會(huì)在一對(duì)差分線的一端施加差分激勵(lì)信號(hào)，在另外一對(duì)差分線的另一端測(cè)量差分響應(yīng)。如果不使用N端口校準(zhǔn)，那么在FEXT測(cè)量過程中沒有用到的4個(gè)測(cè)試端口的負(fù)載匹配可能會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的誤差。對(duì)于位于兩條產(chǎn)生干擾的差分線對(duì)之間的受干擾的差分線，也需要進(jìn)行類似的串?dāng)_測(cè)量。這些測(cè)量要求12端口測(cè)試系統(tǒng)和12端口校準(zhǔn)。

為了改善測(cè)量時(shí)間，許多多端口器件在測(cè)試的時(shí)候通常會(huì)分成數(shù)個(gè)M端口的測(cè)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(cè)試系統(tǒng)為測(cè)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(cè)量引擎。在VNA內(nèi)部配置兩個(gè)信號(hào)源簡(jiǎn)化并加快了對(duì)放大器、混頻器和變頻器的測(cè)量速度，同時(shí)還能保證很高的測(cè)試精度。在測(cè)試放大器的時(shí)候，內(nèi)置的這兩個(gè)信號(hào)源可以用來測(cè)量S參數(shù)、增益壓縮和諧波以及產(chǎn)生測(cè)量IMD所需的信號(hào)。在測(cè)試混頻器和頻率變換器件時(shí)，其中的一個(gè)信號(hào)源可以作為混頻器或頻率變換器件的輸入信號(hào)，而另外一個(gè)信號(hào)源則可以當(dāng)作本振信號(hào)，這樣對(duì)器件進(jìn)行一次連接就能同時(shí)完成固定本振測(cè)量和本振掃描測(cè)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(cè)試系統(tǒng)有8個(gè)以上的測(cè)試端口。通過把VNA與由開關(guān)、耦合器和額外的測(cè)試端口組成的外部測(cè)試端口擴(kuò)展底座結(jié)合起來，可以簡(jiǎn)便地實(shí)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(cè)試系統(tǒng)中得到其所期望的與使用兩端口VNA進(jìn)行測(cè)試時(shí)一樣的高精度。