二端口矢量网络分析仪的多端口测量扩展

作者：高勇 李毓珍 刘宏勇
 (辰测(北京)通信技术有限公司，北京 100083)

摘要：
本文首先阐述了普通矢量网络分析仪的测量原理和硬件结构组成，并探讨了矢量网络分析仪的误差修正的基本原理，然后阐述了使用开关矩阵的改进的矢量网络分析仪的必要性、优点和基本原理。
关键词： 反射和传输；S参数；多端口测量；误差修正

Multi-port measurements expansion of two-port vector network analyzer
Gao Yong  Li Yuzhen  Liu Hongyong
(Measuresys (Beijing) Communication Technology Ltd  Beijing 100083)

Astract：
This paper first described the general vector network analyzer principle and hardware structure, and to explore the vector network analyzer error correction of the basic principles, and then to explore the necessity、the virtue and the basic principle of multi-port vector network analyzer with a switch matrix.。
Key words: Reflection and transmission；S Parameter；Multi-port measurements；Error correction

1.引言
网络分析仪是微波电路设计和测试工程师必不可少的测量仪器。矢量网络分析仪在科研生产中起着非常重要的作用，广泛使用于天线测试、电路测试、元器件测试和计量检定等领域。进行可靠的网络测量必须深刻理解网络分析仪和要测量的器件或电路。本文在讨论普通矢量分析仪的基础上着重介绍了如何使用开关矩阵的扩展二端口矢量网络分析仪做多端口设备的测量。

2.二端口矢量网络分析仪原理
众所周知，网络分析仪有标量网络分析仪和矢量网络分析仪之分。标量网络分析仪只能测量网络的幅频特性，而矢量网络分析仪可以同时测量被测网络的幅度信息和相位信息。矢量网络分析即是通过测量被测网络对频率扫描和功率扫描测试信号的幅度与相位的影响，来精确表征被测网络的一种方法。
较常用的对RF元器件的特性进行测量的仪器是矢量网络分析仪(VNA)，这里所说的“网络”指的是电子电路概念上的网络，而不是计算机网络。传统上，VNA使用一个作为激励的RF信号源，并采用多路测量接收机来测量正反两个方向上的入射、反射和传输信号。
矢量网络分析仪可以利用固定功率的扫频方式来测量S参数；也可以用固定频率的功率扫描方式来测量放大器的增益压缩。通过这种方式，来量化元器件的线性性能和一些简单的非线性性能。现在，新型VNA的内部设置有两个内置RF信号源，可以对IMD进行测量，而以前这主要通过两个外接的信号源和一个频谱分析仪来完成。基于VNA的测试方法使得在测试过程中对仪表的设置更加简单、测量时间更短、准确性更高。

2.1反射和传输
在网络分析的基本形式中，包含测量沿传输线行进的人射波、反射波和传输波，如图1所示。在网络分析仪的名词术语中，一般用R或参考通道表示测量人射波；反射波用A通道测量，而传输波则用B通道测量。利用这些波中的幅度和相位信息，便能定量描述被测器件(DUT)的反射特性和传输特性。下面一些术语用于对反射和传输进行：

图1 网络分析包括提供入射能量，测量反射能量和传输能量

2.1  S参数
微波领域广泛应用散射参数(S参数)来分析微波网络。复杂的系统可以简单地看成是若干个耦合的二端口网络。与入射波、传输波和反射波相关的二端口参数称为散射参数或S参数，见图2。S参数类似于反射和传输特性。当输出端处于匹配状态时，输入端的反射系数即为S₁₁参数；当输入端处于匹配状态时，输出端的反射系数即为S₂₂参数。S₂₁参数与正向传输系数等效，S₁₂参数与反向传输系数等效。在测量、建模和设计多元件的复杂系统中，器件的S参数特性起着关键的作用。矢量网络分析仪能方便快捷地测量出被测器件的四个S参数。

3.二端口矢量网络分析仪组成结构
矢量网络分析仪常指连续波矢量网络分析仪，被测网络的激励信号为正弦波信号。根据激励信号源和响应接收机是否在一个机箱内而分成分体式和一体化矢量网络分析仪两个基本形式。
虽然不同的网络分析仪在设计细节方面有所差别，但所有的网络分析仪都包含4个基本部分：提供入射信号的信号源；信号分离器分离入射、反射和传输信号；接收机把高频信号转换为较低频率(中频)的信号；处理和显示系统对较低频率的信号进行处理，并显示经检测和导出的信号。见图3。

图3 网络分析仪的4个主要部分

3.1  信号源
被测器件的频率响应通过信号源扫频确定，在矢量网络分析仪中广泛采用合成扫频信号源。

3.2  信号分离
网络分析仪的下一项任务是分离入射、反射和传输信号，从而测量它们各自的幅度和相位。矢量网络分析仪均采用定向耦合器方法分离信号。

3.3  接收机
网络分析仪的接收机把RF或微波能量转换为较低的IF信号，从而简化了精确的检测任务。矢量网络分析仪采用窄带的锁相接收机技术。

3.4  处理和显示系统
一旦检测到RF或微波能量，矢量网络分析仪必须处理和显示各种测量。矢量网络分析仪是一种多通道仪器，至少有一个通道作为基准通道，一个通道作为测试通道。

4.用开关矩阵扩展二端口矢量网络分析仪
传统矢量网络分析仪(VNA)有两个测试端口，因为早期的大多数器件只有一个或两个端口。为了对多端口器件进行测量，就需要在被测器件(DUT)的各个端口之间多次变换测试电缆和端接负载，直到完成对所有端口的测量。而由此就会产生许多的问题，比如：可重复性差、操作复杂、计算复杂不直观等等一系列问题。

4.1原理
为同时满足很多的端口数量和很高的测试频率的要求，可以通过使用一个通常放置于VNA底部的外置测试装置(其中包含更多的测试端口连接器和定向耦合器)及必要的开关(这些开关可以让外部测试装置与VNA本身紧密地集成在一起)来扩展VNA的端口数量。通过这种方式，可以实现端口数很多的多端口测试解决方案，并能测量任意端口对组合之间的信号通道，同时还包括必要的误差校准程序，消除所有测试端口和通道的系统误差。多端口测试系统的原理图如图4所示：

图4 多端口测试装置的系统框图

扩展件(图4中的虚线框内)是由N个单刀双子开关及它们之间同轴连接线组成的。用计算机控制扩展件的开关状态，进行测量通道的切换，实现对N端口被测网络的自动测量。校准和测量的参考面都在扩展件的三个测量端口面上。

4.2实现
多端口测试系统的优点是与多端口DUT的一次连接就可以进行多项测量，与使用传统的两端口VNA相比，大大地提高了测试速度。基于VNA的多端口测试系统使用的是放在VNA测试端口前面的简单开关矩阵。
测试端口扩展底座中的开关我们采用了机械开关，当然也可以采用电子开关。电子开关的优势是开关速度更快、使用寿命没有上限，但它们的插入损耗较高，不能承受大功率。在测试端口超过12个时，使用众多的电子式开关一般会使测试设备更加昂贵，使用起来也更加困难。机械开关的射频特性较好：损耗低，承受功率大。机械开关一般比电子开关便宜。但机械开关的主要缺点是开关触点的使用寿命有限。尽管可靠性高的开关通常保证开关次数在500万次以上，但大批量生产应用通常会导致这些开关在不到一年内就会损坏。

5.扩展后的矢量网络分析仪的误差修正
矢量网络分析仪的测量误差，包含系统误差、随机误差和漂移误差三大类。随机误差是不可重复的误差项，如信号源和接收机中的噪声、测量过程或校准过程中连接端口的测量重复性和开关重复性等都属于随机误差。在测试中减小随机误差的较有效方法是对测试数据进行平均或平滑处理。漂移误差主要是由温度变化造成的。通过构成具有稳定环境温度的测试环境，往往能将漂移误差减至较小。由于微波、毫米波部件的不完善性所引起的误差称为系统误差。系统误差是较大的误差源。幸而绝大部分系统误差可以通过校准技术予以消除。对系统误差的理解和建模是关键的一步—— 这是矢量误差校正(也就是校准)的基础。经过对短路、开路、负载这些已知物理标准进行测量，就有可能通过数学运算消除实际测量中的系统误差。网络测量中所涉及的系统误差与信号泄漏、信号反射和频率响应有关。有以下六种类型的系统误差：与信号泄漏有关的方向误差、与信号泄漏有关的串扰误差、与反射有关的源失配、与反射有关的负载阻抗失配、由测试接收机内部的反射引起的频率响应误差、由测试接收机内部的传输跟踪引起的频率响应误差。
完整的二端口误差模型包括正方向上的所有上述6项及反方向上的同样6项(数据不同)，总共l2项误差。这即是二端口校准常常被称为l2项误差修正的原因。理论研究表明，对于硬件指标不完善的矢量网络分析仪，可以等效为一个理想的矢量网络分析仪与测量参考面之间插入了一个二端口的误差适配器。误差适配器的参数将表征所有的系统误差，二端口网络有两个参考面，因此包含了两个误差适配器。对于被测网络的正向S参数和反向S参数测试各需一个适配器，如图5所示。

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