矢量網絡分析儀單端口校準以及兩端口校準測量柔性電纜方法探討

嚴瑾，蔡小宏，王春林

(中國空間技術研究院西安分院計量中心，陜西西安710100)

0 引言

隨著微波有源、無源器件的測試對矢量網絡分析儀測量精度的不斷提高，矢量網絡分析儀及其附件的計量要求也不斷提高。矢量網絡分析儀測量結果的好壞與電纜以及校準件關系密切，一個有問題的測試電纜可導致測試失敗，所以電纜性能的好壞直接關系到測試結果。使用矢量網絡分析儀前對柔性電纜進行計量確認其性能是很重要且必要的，但矢量網絡分析儀相關檢定規程中未涉及到柔性電纜的計量檢定方法。本文介紹了經過多次實踐的、可行的、精確的計量檢定柔性電纜的方法，并對不同方法進行了比較分析。

電纜或許是最簡單的射頻元件，通常具有很低的損耗和很好的匹配。然而，測量如此理想的器件還需要精密的校準和測量技術以使得測量中的誤差不會掩蓋器件性能［1］。本文針對柔性電纜的回波損耗和插入損耗參數，分別介紹單端口校準和兩端口校準方法如何精確測量矢網電纜參數，并將兩種校準方法進行比較，以根據不同的測試條件選擇合適的校準方法。

1 單端口校準測量矢網柔性電纜方法

1.1 柔性電纜回波損耗的測量方法

首先在網絡分析儀的任意一個端口上執行一個單端口(如Port1)校準，校準前選擇合適的中頻帶寬(如IF Bandwidth=100Hz)、合適的掃描點數，校準時可選用機械校準件或電子校準件。當選用機械校準件時，首先選擇校準類型為單端口反射校準，然后選用正確的校準件接口類型，分別對端口接入開路器、短路器以及寬帶負載進行單端口校準［2］。當選用電子校準件時，僅需將電子校準件接入該單端口，同樣選擇校準類型后，對該單端口進行校準即可。校準完畢后，將被測電纜一端連接至該單端口，并且在電纜的另一端連接校準盒中的一個寬帶負載，如圖1所示，這時在網絡分析儀上選擇對數(dB)顯示格式，則其顯示的軌跡即為該電纜的回波損耗。應用矢量網絡分析儀的Marker Search 功能，選擇軌跡中的最大點，該點即為電纜回波損耗的最差情況，將其與對應型號電纜的回波損耗指標相比較，看其是否滿足指標要求。

圖1 單端口校準方法框圖

1.2 柔性電纜插入損耗的測量方法

該被測電纜仍然連接至端口1，取下寬帶負載，連接校準盒中的一個短路器到電纜端口另一端，如圖1所示。應用矢量網絡分析儀中的Marker Search 功能，選擇軌跡中的最小點，該點值此時為2 倍的電纜實際的插入損耗，要得到該點插入損耗的真實值則對軌跡中該最小點的值除以2 即可。將此值與電纜插入損耗指標相比較，看是否滿足指標要求。以美國Agilent 公司(現名為Keysight 公司)矢網柔性電纜為例，其電纜插入損耗指標，一般情況下為與頻率相關的一維函數，測試人員可以根據其頻率范圍選取不同的頻率點，應用以上方法將各頻點的插入損耗值與指標值進行比較，以判斷電纜性能的好壞。應用短路器測量插入損耗的單端口校準方法的理論模型見圖2。

圖2 單端口校準方法理論模型

在理想情況下，不考慮電纜匹配不理想而引入的參數S11，S22;M 為矢網端口1 的反射系數，Γs為被測件的反射系數，這里被測件為短路器，所以Γs=-1，S21，S12為被測電纜的正向、反向傳輸參數，則上述測量插入損耗的理論推導為

電纜為互易器件，并且認為短路器性能理想，則

將插入損耗轉變為dB 格式，則

其中ⅠL 為插入損耗，RL 為回波損耗。

由以上推導可以看出應用短路器的單端口校準方法測量電纜插入損耗時，其值為回波損耗值的一半。

1.3 單端口校準方法的不確定度評估

在實際中，如圖2所示，需要考慮匹配不理想時，由電纜每個端口的反射而引入的參數S11，S22;這時矢網端口1 的反射系數

電纜為互易器件，并且認為短路器性能理想，則

從式(6)可以看出電纜兩個端口的反射均影響了插入損耗的測量結果，為評估電纜反射的影響［3］，我們應用GUM 的方法進行不確定度分析，忽略相位進行標量計算，式(6)中代入則合成標準不確定度為

當包含因子k=2 時，擴展不確定度為

將測量值或電纜指標值代入式(7)，方可得到不同狀態下電纜單端口校準方法的插入損耗的測量不確定度。其值可為我們分析測量的分散性提供依據。

單端口校準方法在電纜一端連接一個短路器，同樣可以對電纜的幅度和相位穩定性指標進行核驗，這里不仔細討論了。

2 兩端口校準測量矢網柔性電纜方法

2.1 兩端口校準方法的原理

兩端口校準的測量方法原理實際是應用了未知直通(Unknown Thru)校準方法，它是一種比較通用且好用的校準方法。不管使用的是什么類型的校準套件，最好的校準方法幾乎總是SOLR 或者稱為未知直通校準［4］，除非待測器件是一個可插入器件，也就是說具有同種類型的陽性接頭和陰性接頭。

首先，對于低損耗器件的系統設置而言，最好使用中等IF 帶寬和多次掃描取平均功能來減少跡線噪聲，因為即使少量的跡線噪聲也會有重大影響［5］。一般認為將IF 帶寬調至很窄的數值會減少噪聲，但這樣做會增加掃描時間，而很慢的掃描會導致系統校準不穩定，這是由于在較長掃描時間中可能出現的系統漂移引起的。所以最好使用中等IF 帶寬，并適當應用多次掃描取平均功能［6］。

2.2 兩端口校準測量電纜的具體方法

如圖3所示，它應用的是一種未知直通校準方法，校準完成后可以同時進行對電纜回波損耗及插入損耗的測量。首先在矢量網絡分析儀的校準向導中正確選擇被測件(DUT)兩端的接口類型，其次在定義校準時，改變校準方法與校準標準時選擇未知直通的校準方式，即可進行未知直通的校準。依據校準向導第一步，對端口1 做一個單端口的校準(其中不接入任何的電纜);第二步，對端口2 做一個單端口的校準(其中不接入任何的電纜);第三步，在端口1 與端口2 之間接入未知直通。這個未知直通可以就是被測電纜本身，這時校準向導提示會對該未知直通進行測量，確定出該未知直通的電時延，其值通過矢網前面板顯示出來，存儲校準結果，校準結束。這里既可使用機械校準件也可使用電子校準件進行校準。當未知直通選擇為被測電纜本身時不用變換連接，選擇測量S11，S22，S21，S12來直接確定電纜的回波損耗與插入損耗，并將其值與給定的指標做比較來判斷其是否合格。

圖3 兩端口校準方法框圖

2.3 未知直通校準的特殊要求

這里對未知直通校準的一些特殊要求與注意事項進行說明:

1)作為未知直通的校準標準其性能必須是互易的，即S21=S12;

2)作為未知直通的校準標準其差損應該小于40 dB;

3)作為未知直通的校準標準其相位響應必須在四分之一波長內;

4)矢網的每個測試端口的(方向性、源匹配、反射跟蹤)系統誤差能夠被完全描述(對于兩端口矢網共6項誤差);

5)矢網的信號通道開關誤差能夠被量化［7］。

2.4 兩端口校準方法的不確定度評估

由于兩端口未知直通的校準方法其誤差模型較為復雜，涉及的S 參數多，所以其插入損耗的測量不確定度計算公式相當復雜［8］，這里不做詳細介紹了。現在一些儀器公司(例如:Agilent 公司)網站上都可以下載相應的不確定度計算軟件，代入使用狀態，即可計算出兩端口校準或其他應用狀態下的測量不確定度數值。較直接建立模型計算，該計算軟件更方便簡潔。

3 單端口校準及兩端口校準測量方法的比較

3.1 兩種校準方法的補充

單端口校準測量矢網柔性電纜的方法易操作，步驟簡單，能夠快速判斷電纜回波損耗、插入損耗以及幅度、相位穩定性指標是否滿足要求。但這種方法的準確性取決于校準盒中的寬帶負載以及短路器的性能，而且電纜兩個端口的匹配性能也直接影響其測量準確度［9］。特別是在低頻部分，單端口校準方法測量插入損耗的測量不確定度較大，會使測量結果超出指標要求而造成誤判，所以這里提出兩種在使用單端口校準方法測插損時改進測量準確度的方法。第一種:在電纜端接入短路器Short，并且加入時域門來改善插損測量結果。第二種:在測試的單端口(如PORT1)接入寬帶負載，將其數值Data 賦給Memory，然后接入短路器Short 后，應用矢網Data-Memory 的功能進行計算，將此時接入短路器的插損值(Data)減去接入負載時的插損值(Memory)，這樣就去除了紋波對插損值測量的影響，使測得的柔性電纜的插損值更準確。

而兩端口校準測量方法是基于未知直通校準的方法。當不能使用零長度校準(Flush Thru)或使用一個零長度校準會導致測量損傷時，可以選用未知直通的校準方法，它實際上是一個精煉的SOLT(Short-open-loadthru)校準方法，又被稱為SOLR(Short-open-load-reciprocal-thru)校準方法。使用未知直通的校準方法可以改善因測試時需對電纜進行移動而對校準以及測量結果造成的影響，并改善轉接頭對測量結果的影響。這種方法不僅可應用于測量矢網柔性電纜，還可應用于非插入器件、機械連接復雜的情況以及多端口器件測量等，是一個實際應用很廣的校準方法［1］。

3.2 兩種校準方法測量結果實例

分別使用單端口校準方法及兩端口校準方法對Agilent 公司矢網柔性電纜85133F 進行插入損耗測量，將其測量結果應用Matlab 軟件畫圖比較，如圖4所示，其中電纜85133F 插入損耗的指標要求為小于等于(0.1可以計算得出兩組值均滿足電纜指標要求。由此可以看出兩種方法均能滿足柔性電纜計量的要求，我們可以根據實際情況來選擇方法。

圖4 單端口校準及兩端口校準插損實測值比較

3.3 兩種校準方法的優缺點

在實際應用中，單端口校準方法與兩端口校準方法各有優缺點，分別能夠滿足不同場合的應用。

單端口校準方法在工程上由于校準步驟簡單、使用起來比較簡便，只用進行一個端口的校準就可以進行包括反射、傳輸及幅度、相位穩定性等的測量，因此具有一定優勢。該方法比較適合被測件反射相對較小而插損較大的情況，例如測量衰減器就可應用該方法。工程上有時會遇到被測電纜的兩端不便接入矢網的兩個測試端口而無法進行兩端口校準的情況，例如埋入地下200 m 長的電纜，這時應用單端口校準方法可以很好地對此類電纜進行測試。但其測量精度受電纜自身端口匹配以及校準件中負載、短路器特性的影響，與兩端口校準方法相比成為其缺點，但可以通過采用加入時域門的方法以及數據處理去除紋波的影響來增加單端口校準的測量精度。

兩端口校準方法為基于未知直通校準的方法。未知直通校準方法與單端口校準方法相比增加了校準操作步驟，使校準過程復雜度有所提高，但這種校準方法由于不要求通路標準件已知，因此在應用中大大提高了校準的靈活性，而且通過使用大量的通路器件可以極大簡化復雜的校準任務。但該方法作為未知直通的校準標準其插損應小于40 dB，否則噪聲效應會降低測量的準確性，因此不適合在測衰減器時直接使用衰減量大的衰減器作為未知直通。但應用該校準方法選用被測電纜(一般插損只有幾個dB)作為未知直通來測其插入損耗，完全能夠滿足以上要求，且應用該方法測量矢網電纜可以避免轉接頭對測量結果的影響，并且兩端口的校準可使矢量誤差得到更好修正，匹配特性也更好，這是其優勢所在。兩端口未知直通的校準方法還有許多適合使用的情況，比如非插入式同軸校準、在片校準、固定端口校準、開關路徑校準等。在這些情況下，選擇好通路標準件就可以極大地簡化復雜的校準任務。

綜上所述，在對矢網柔性電纜進行測試計量時，單端口校準方法、兩端口校準方法均可滿足測試要求。單端口校準方法操作簡單、校準連接次數少，對于不能同時接入矢網兩個端口的電纜是一種很好的解決方法。兩端口校準方法，校準結果更精確，對矢量誤差的修正更好，能改善其匹配特性，從而使測量結果更準確，但相比單端口校準增加了校準步驟與操作程序。

4 結束語

以上兩種校準方法各有優點，我們可以根據實際情況以及測試條件來選擇合適的校準方法測量矢網柔性電纜等被測件。本研究為判定矢網柔性電纜是否滿足技術指標的要求提出了測量方法的指導，從而保證測試工程師使用性能滿足指標要求的電纜，使應用矢量網絡分析儀測量得到的數據更加準確、可靠。

［1］JoelP.Dunsmore.微波器件測量手冊［M］.北京:電子工業出版社，2014.

［2］劉冬冬.矢量網絡分析儀校準項目探討［J］.計量與測試技術，2011，38(3):52-53.

［3］Ken Wong.Uncertainty Analysis of the Weighted LeastSquares VNA Calibration［C］//64thARIFTG Conference，2005:23-31.

［4］王琦.現代矢量網絡分析儀的校準與測量［J］.實驗技術與管理，2006，23(2):31-34.

［5］湯世賢.微波測量［M］.北京:國防工業出版社，1991.

［6］王志田.無線電電子學計量［M］.北京:原子能出版社，2002.

［7］李健一，劉冬冬.基于網絡分析儀的不可插入器件測試方法研究［J］.計量與測試技術，2010，37(5):40-41.

［8］陳婷，楊春濤，陳云梅，張國華.校準件不完善對矢量網絡分析儀單端口S 參數測量引入的不確定度［J］.計量學報，2009，30(2):177-182.

［9］谷歆海.網絡分析儀的工作原理及在測量領域的應用［J］.測控技術，2008，34(7):15-18.