在使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀時(shí)，儀表測(cè)試端口與被測(cè)物之間常常會(huì)加入一些連接器件，如電纜、射頻轉(zhuǎn)接接頭等，同時(shí)儀表的端口在整個(gè)測(cè)試頻段范圍內(nèi)不可能保證都是50Ohm，儀表內(nèi)部不同信號(hào)通路的頻率響應(yīng)會(huì)有差別，儀表內(nèi)部耦合器的方向性也會(huì)有差異，種種差異累加起來(lái)會(huì)導(dǎo)致在使用網(wǎng)分測(cè)量時(shí)如果不進(jìn)行任何修正，測(cè)量值與被測(cè)物的真實(shí)值會(huì)有比較大的偏差。因此我們需要通過(guò)一系列的過(guò)程得到能反映這些差異的修正系數(shù)，在實(shí)際測(cè)量時(shí)使用這些修正系數(shù)對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正，得到被測(cè)物的真實(shí)值。求得這些修正系數(shù)的過(guò)程就是我們使用網(wǎng)分時(shí)最常做的一個(gè)動(dòng)作，校準(zhǔn)，或者叫誤差修正。
通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量鏈路的分析可以建立測(cè)量過(guò)程中的誤差項(xiàng)模型，目前兩端口網(wǎng)分的最常用的誤差模型主要為十二誤差項(xiàng)模型與八誤差項(xiàng)模型（見(jiàn)圖1）。

圖1 網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)誤差模型

（1）十二誤差項(xiàng)模型（前向）；（2）十二誤差項(xiàng)模型（后向）；（3）八誤差項(xiàng)模型

這兩種模型之間沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，八誤差項(xiàng)模型相比十二誤差項(xiàng)模型忽略了網(wǎng)分收發(fā)通道之間的串?dāng)_（一般情況下串?dāng)_小于網(wǎng)分接收機(jī)底噪），同時(shí)對(duì)負(fù)載匹配與源匹配之間的區(qū)別另外進(jìn)行了考慮。根據(jù)以上誤差項(xiàng)模型就可以列出由測(cè)量值計(jì)算出被測(cè)物真實(shí)值的方程。
如果誤差模型中各誤差項(xiàng)已知，那么可以通過(guò)測(cè)量值來(lái)計(jì)算出被測(cè)物的真實(shí)值，這就是校準(zhǔn)后的測(cè)量過(guò)程。反而言之，如果被測(cè)物的真實(shí)S參數(shù)已知，那么可以列出以誤差模型中誤差項(xiàng)為未知數(shù)的方程，通過(guò)對(duì)多個(gè)已知S參數(shù)的被測(cè)物的測(cè)量可以形成方程組，從而得到誤差模型中的各誤差項(xiàng)。求得誤差項(xiàng)的過(guò)程就是網(wǎng)分的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)時(shí)使用的已知S參數(shù)的被測(cè)物就是校準(zhǔn)件。
從理論上來(lái)說(shuō)，任何已知S參數(shù)的被測(cè)物都可以作為校準(zhǔn)件使用，但是為了保證批量制造校準(zhǔn)件的一致性以及盡量減小校準(zhǔn)計(jì)算時(shí)的誤差，目前網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)一般都是使用Open、Short、Load和直通這幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)。開(kāi)路、短路和負(fù)載校準(zhǔn)件都有明確的定義，直通校準(zhǔn)件則不同。我們常常把直通件的S參數(shù)定義為S11=S22=1，S21=S12=0，但是實(shí)際使用時(shí)往往將一個(gè)接頭適配器作為直通件使用，這時(shí)直通件會(huì)有一定的損耗和時(shí)延，前述的S參數(shù)定義就不適用了。根據(jù)校準(zhǔn)時(shí)對(duì)直通校準(zhǔn)件的不同處理方法，可以把校準(zhǔn)方法分為分為SOLT（Short-Open-Load-Thru）與SOLR（Short-Open-Load-Reciprocal）兩種。
1）SOLT校準(zhǔn)方法： 這種校準(zhǔn)方法使用的直通校準(zhǔn)件需要有明確的定義，或者通過(guò)某種變通的方法將直通校準(zhǔn)件對(duì)測(cè)試的影響進(jìn)行消除。對(duì)SOLT校準(zhǔn)方法中對(duì)直通件的處理有以下幾種處理形式： a.Flush Through 這是對(duì)直通件最簡(jiǎn)單但是也是最多被誤用的處理方法。這種處理方法將直通件定義為一個(gè)S11=S22=0，S21=S12=1的微波器件，如同我們對(duì)直通件最常用的定義。但是，該定義僅僅在測(cè)試射頻口為同種接頭的一公一母時(shí)才能得到正確的校準(zhǔn)結(jié)果，否則會(huì)導(dǎo)致測(cè)量插損時(shí)幅度與相位都會(huì)與真實(shí)值之間出現(xiàn)差異。后文將詳細(xì)講述這些差異。 b.已定義直通件 這里將直通件看作一小段接頭回?fù)p極小的傳輸線，我們校準(zhǔn)時(shí)充當(dāng)直通件的適配器就符合這種處理方式。如果將這段傳輸線的時(shí)延以及損耗都進(jìn)行定義，直通件的各項(xiàng)S參數(shù)也就隨之確定，由此可以計(jì)算得到準(zhǔn)確的誤差項(xiàng)，并且在后續(xù)測(cè)試中得到準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果。 c.等同適配器替代 我們?cè)谶M(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)往往會(huì)使用一個(gè)公-公或者母-母的適配器作為直通件，為了在測(cè)試時(shí)去除這一轉(zhuǎn)接器在損耗和時(shí)延上的影響，可以另外再準(zhǔn)備一個(gè)公-母的適配器，并且使這一適配器的時(shí)延與損耗與校準(zhǔn)時(shí)使用的適配器完全一致。測(cè)試時(shí)在某一端口上將這個(gè)適配器加上就可以去除校準(zhǔn)時(shí)使用適配器的影響。 這也是很多校準(zhǔn)件中采用的方法。如某家校準(zhǔn)件中就包含了三個(gè)適配器（公-公、母-母、公-母），這三個(gè)適配器具有相同的損耗和時(shí)延，可以在測(cè)試和校準(zhǔn)中進(jìn)行替代。 d.使用Adapter removal方法 當(dāng)某一雙端口器件具有S21=S12這一特征時(shí)（對(duì)于適配器來(lái)說(shuō)這一點(diǎn)必然成立），將該器件某一端口與已校準(zhǔn)網(wǎng)分連接，在另一端口分別連接開(kāi)路、短路及負(fù)載校準(zhǔn)件的情況下測(cè)量某一端口的回?fù)p，這樣就可以得到該器件的S參數(shù)情況。Adapter Removal就是使用這樣的方法，在校準(zhǔn)完成后將直通件測(cè)試所使用的適配器連接在某一端口上，然后再做一次單端口校準(zhǔn)測(cè)試，得到適配器的S參數(shù)情況，由此可以算出準(zhǔn)確的誤差項(xiàng)，從而在后續(xù)測(cè)試中得到準(zhǔn)確測(cè)試結(jié)果。這種處理方法常常在兩端測(cè)試端口類型不一致時(shí)（如一端為同軸接口，另一端為波導(dǎo)口）采用。      SOLT校準(zhǔn)對(duì)直通件處理的四種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)： Flush through處理是最簡(jiǎn)單也最常被采用的，但是這一處理方法也是被使用者誤用最多的。使用者往往使用一個(gè)適配器作為flush through使用，這樣不僅會(huì)將適配器的損耗計(jì)入被測(cè)件的插損中，還會(huì)因?yàn)闀r(shí)延沒(méi)有考慮，使相位測(cè)量出現(xiàn)差錯(cuò)，導(dǎo)致對(duì)網(wǎng)分的源匹配和負(fù)載匹配的估計(jì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，在測(cè)量較大插損器件時(shí)會(huì)出現(xiàn)比較大的誤差。

圖2 誤用flush through方案帶來(lái)的差別

圖2為將一個(gè)適配器當(dāng)作flush through時(shí)產(chǎn)生的測(cè)量差錯(cuò)。圖中跡線2為去除適配器影響后的測(cè)量結(jié)果，兩條曲線之間的差異就是適配器的損耗。跡線1中出現(xiàn)的紋波來(lái)自于對(duì)適配器時(shí)延的忽略。

圖3 忽略直通適配器損耗和時(shí)延后的測(cè)量結(jié)果

圖3為對(duì)一個(gè)濾波器進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果比較，其中青色曲線為將適配器作為flush through后的測(cè)量結(jié)果，棕色線為考慮適配器時(shí)延后的測(cè)量結(jié)果?？梢钥吹疆?dāng)插損較大時(shí)測(cè)量結(jié)果中出現(xiàn)了明顯的紋波，兩條曲線插損最大的差別超過(guò)了2dB。 對(duì)于flush through的誤用在對(duì)濾波器、線纜等小插損器件進(jìn)行測(cè)量時(shí)帶來(lái)的差錯(cuò)足以影響被測(cè)物是否能達(dá)到所要求的限值。 已定義直通件以及等同適配器替代處理雖然能在插損測(cè)試時(shí)得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果，但是由于所使用的適配器阻抗不可能在測(cè)量全頻段內(nèi)都做到絕對(duì)等于特征阻抗，因此在進(jìn)行回?fù)p測(cè)試時(shí)會(huì)帶來(lái)較大誤差。 Adapter removal從理論上可以同時(shí)得到準(zhǔn)確的插損和回?fù)p測(cè)量結(jié)果，但是使用這種方法時(shí)實(shí)際是在校準(zhǔn)過(guò)程中增加了三次測(cè)量過(guò)程，多出的測(cè)量過(guò)程所帶來(lái)的誤差會(huì)累加到校準(zhǔn)誤差中，最后使測(cè)量時(shí)的誤差增加。 總的來(lái)說(shuō)，SOLT方法在理論上可以得到精確的校準(zhǔn)結(jié)果，但實(shí)際操作時(shí)有可能帶入額外誤差。
2）SOLR校準(zhǔn)方法： SOLR校準(zhǔn)方法中把直通校準(zhǔn)件作為unknown through來(lái)處理，即直接把直通校準(zhǔn)件的S參數(shù)也作為方程的未知數(shù)來(lái)進(jìn)行求解，這樣得到的結(jié)果將直通件的回?fù)p、損耗和時(shí)延都考慮進(jìn)了誤差項(xiàng)的求解，從而保證在后續(xù)測(cè)量中能夠得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。對(duì)于兩端測(cè)試接口不同的測(cè)試場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，這種方法幾乎是唯一能達(dá)到同時(shí)精確測(cè)量被測(cè)物全部S參數(shù)的方法。
在SOLR方法中對(duì)于直通件唯一的要求是互易，即S12=S21，大部分被動(dòng)微波器件都滿足這個(gè)要求。出于對(duì)校準(zhǔn)后測(cè)試準(zhǔn)確度的考慮，還會(huì)要求直通件插損不要太大，一般來(lái)說(shuō)插損不超過(guò)20dB就可以保證相當(dāng)好的測(cè)試精度。 實(shí)際在進(jìn)行SOLR校準(zhǔn)時(shí)，是將直通件S11、S22和S21^2作為未知數(shù)，通過(guò)測(cè)試所得方程組來(lái)進(jìn)行求解。由于最后計(jì)算S21時(shí)可能有兩個(gè)結(jié)果，兩者之間存在相位差，因此需要對(duì)直通件的時(shí)延進(jìn)行估計(jì)。 由于SOLR在校準(zhǔn)后可以直接得出直通件的S參數(shù)，因此常常將被測(cè)物當(dāng)作直通件使用，這樣能夠更準(zhǔn)確的進(jìn)行測(cè)試，減少測(cè)量時(shí)多次連接帶來(lái)的誤差。 SOLR雖然在校準(zhǔn)算法上比SOLT更加復(fù)雜，但是對(duì)于實(shí)際操作來(lái)說(shuō)由于不需要對(duì)直通件參數(shù)有明確定義，因此降低了校準(zhǔn)時(shí)對(duì)操作要求，現(xiàn)代的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀一般都推薦使用SOLR方法來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)。
回到本文開(kāi)頭提到的我司SP809A型矢網(wǎng)與某品牌插損存在差異的問(wèn)題，這一差異完全來(lái)自不同校準(zhǔn)方法在實(shí)際操作中的不同，特別的來(lái)自對(duì)SOLT校準(zhǔn)中flush through處理方法的誤用。當(dāng)兩臺(tái)儀表采用同一校準(zhǔn)方法后對(duì)一個(gè)全頻段插損在1～3dB的器件進(jìn)行測(cè)量，可以看到全頻段插損測(cè)試差異在0.005dB到0.015dB之間（見(jiàn)圖4），可以認(rèn)為這樣的差異來(lái)自兩臺(tái)儀表校準(zhǔn)、測(cè)試連接過(guò)程中的帶來(lái)的正常誤差。

圖4 SP809A與某品牌測(cè)量差異（100kHz～8.5GHz）

雖然對(duì)SOLT與SOLR兩種校準(zhǔn)方法之間確實(shí)存在一定的差異，但實(shí)際使用中，只要兩種方法使用正確，那么對(duì)同一被測(cè)物進(jìn)行測(cè)試都是可以得到一致的測(cè)試結(jié)果的。實(shí)際上，對(duì)于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀而言，由于校準(zhǔn)過(guò)程是確定測(cè)試時(shí)儀表對(duì)測(cè)試準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響的誤差項(xiàng)的過(guò)程，在校準(zhǔn)過(guò)程沒(méi)有錯(cuò)誤，所使用校準(zhǔn)件參數(shù)一致的情況下，都能做到在校準(zhǔn)后準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)物的S參數(shù)，儀表本身的差異以及測(cè)量通道、接口參數(shù)的影響都可以在校準(zhǔn)中消除，這些影響只對(duì)測(cè)量的穩(wěn)定性產(chǎn)生作用。所以單單比較兩臺(tái)網(wǎng)分對(duì)同一被測(cè)物測(cè)量結(jié)果的差異其實(shí)并不能反映出儀表的性能好壞。那么對(duì)于網(wǎng)分來(lái)說(shuō)，應(yīng)該從哪些方面來(lái)評(píng)判其性能呢？
我們認(rèn)為對(duì)于網(wǎng)分來(lái)說(shuō)，在頻率范圍與軟件功能滿足測(cè)試需求的前提下，以下幾個(gè)指標(biāo)在評(píng)判性能時(shí)是需要特別注意的。首先是穩(wěn)定性，如果網(wǎng)分內(nèi)部參數(shù)隨時(shí)間有較大變化，校準(zhǔn)所得到的誤差項(xiàng)就無(wú)法反映測(cè)試時(shí)的應(yīng)有誤差，從而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的差異隨時(shí)間而改變，網(wǎng)分的測(cè)量結(jié)果隨時(shí)間產(chǎn)生漂移，校準(zhǔn)好的儀表過(guò)一段時(shí)間就必須要重新校準(zhǔn)。其次是動(dòng)態(tài)范圍，它直接決定了網(wǎng)分的測(cè)量能力。對(duì)于某些高抑制比的器件，如濾波器等，動(dòng)態(tài)范圍小的儀表要么根本無(wú)法測(cè)試，要么需要減小中頻帶寬來(lái)降低底噪，從而降低測(cè)試速度。最后是跡線噪聲，它反應(yīng)的是每個(gè)頻點(diǎn)上的測(cè)試噪聲情況。減小中頻帶寬同樣能降低跡線噪聲，但同時(shí)也會(huì)降低測(cè)試速度。此外測(cè)試速度雖然不屬于網(wǎng)分測(cè)試性能的核心指標(biāo)，，但是對(duì)于某些應(yīng)用場(chǎng)景，特別是生產(chǎn)場(chǎng)景非常重要，直接關(guān)系到生產(chǎn)效率的高低。
我們公司推出的SP809A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在以上這幾個(gè)方面都有突出的表現(xiàn)。這臺(tái)儀表10Hz中頻帶寬下的動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)135dB，能對(duì)抑制超過(guò)110dB的微波器件進(jìn)行快速測(cè)量。同時(shí)它還具有高度的穩(wěn)定性，S21在48小時(shí)內(nèi)測(cè)試值漂移小于0.03dB。跡線噪聲水平也處于前列，傳輸跡線噪聲小于0.002dBrms。此外，這臺(tái)儀表的測(cè)試速度也極為突出，未校準(zhǔn)情況下，100kHz中頻帶寬時(shí)201點(diǎn)掃描時(shí)間小于3.1ms。這臺(tái)儀表對(duì)于濾波器、射頻線纜、天線及多端口微波器件測(cè)試場(chǎng)景極為適用，能夠幫助客戶應(yīng)對(duì)高強(qiáng)度測(cè)試環(huán)境的挑戰(zhàn)。
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