《JJF1495—2014矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)規(guī)范》分析和難點(diǎn)解決

陳勝+裴炎花+鐘志忠

摘 要：《JJF1495-2014 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)規(guī)范》是全國無線電計(jì)量技術(shù)委員會發(fā)布的解決網(wǎng)絡(luò)分析儀計(jì)量校準(zhǔn)的技術(shù)依據(jù)，文章分析了該規(guī)范的校準(zhǔn)方法，發(fā)現(xiàn)一些難點(diǎn)問題，并提出了解決方法。

關(guān)鍵詞：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀；校準(zhǔn)規(guī)范；難點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)分析儀，是一種通過在寬頻帶內(nèi)進(jìn)行微波器件網(wǎng)絡(luò)參數(shù)測量的一種儀器，工作方式主要是掃頻測量單端口和多端口器件的復(fù)數(shù)散射參數(shù)，并可換算成其他網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，如衰減、電壓駐波比、阻抗、相移和群時延等。

網(wǎng)絡(luò)分析儀通常是由信號發(fā)生單元、信號分離單元、接收機(jī)單元、數(shù)字控制及顯示部分組成，一般采用測量復(fù)數(shù)入射電壓與復(fù)數(shù)出射電壓比的方法，計(jì)算散射參數(shù)。被測參數(shù)通過儀器內(nèi)嵌計(jì)算系統(tǒng)控制，進(jìn)行系統(tǒng)誤差的修正和轉(zhuǎn)換。

1 校準(zhǔn)規(guī)范分析和難點(diǎn)解決

網(wǎng)絡(luò)分析儀一般可分為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀。《JJF1495—2014矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)規(guī)范》（以下簡稱規(guī)范）是全國無線電計(jì)量技術(shù)委員會針對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)發(fā)布的國家規(guī)范。根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，我們對該規(guī)程的校準(zhǔn)項(xiàng)目進(jìn)行了一些分析和研究。

規(guī)范按照J(rèn)JF1071—2010《國家計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)范編寫規(guī)則》的要求編寫，內(nèi)容基本包括了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀各種特性參數(shù)的計(jì)量。校準(zhǔn)項(xiàng)目共有9項(xiàng)，其項(xiàng)目如表1所示。

對校準(zhǔn)項(xiàng)目類型進(jìn)行分析，可以分成4個模塊：（1）網(wǎng)絡(luò)分析儀的外觀和正常性的檢查；（2）網(wǎng)絡(luò)分析儀的內(nèi)部信號源的量值校準(zhǔn)；（3）接收機(jī)功能的量值校準(zhǔn)；（4）總體量和校準(zhǔn)件的校準(zhǔn)。下面對這幾個類型模塊逐個分析。

1.1 外觀及工作正常性檢查

外觀及工作正常性檢查，這是在校準(zhǔn)中最基礎(chǔ)的步驟。矢網(wǎng)的結(jié)構(gòu)完整性、無影響正常工作的機(jī)械損傷、電源電壓、接口端面的清潔等，是校準(zhǔn)工作開始前要確認(rèn)的項(xiàng)目。

部分實(shí)驗(yàn)室在證書上注重測試數(shù)據(jù)，功能性檢查在證書中沒有體現(xiàn)，這可能是兩個原因?qū)е碌模海?）對非數(shù)據(jù)性的內(nèi)容不夠重視；（2）實(shí)際已經(jīng)做了工作，確認(rèn)了儀器的正常性，但證書沒有這個項(xiàng)目記錄。如果發(fā)生了校準(zhǔn)糾紛，則很難證明儀器在實(shí)驗(yàn)室的狀態(tài)，所以，證書和記錄上有這一項(xiàng)是十分有必要的，同時，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的接口檢查也十分必要。同樣的N型測試接口，50 Ω和75 Ω的阻抗不同，插針的粗細(xì)不同；3.5 mm和2.4 mm接口尺寸不同，內(nèi)芯也不匹配。外觀檢查大意就容易導(dǎo)致端口損壞或者接觸不良，導(dǎo)致測試不準(zhǔn)或無法進(jìn)行。

1.2 內(nèi)部信號源校準(zhǔn)

內(nèi)部信號源的校準(zhǔn)，包括頻率準(zhǔn)確度和功率準(zhǔn)確度的校準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)器是頻率計(jì)和功率計(jì)，將網(wǎng)絡(luò)分析儀調(diào)至成連續(xù)波輸出模式輸出信號，按規(guī)范要求的測試步驟和方法搭建測試系統(tǒng)，即可完成測試。

1.3 接收機(jī)部分量值校準(zhǔn)

這部分校準(zhǔn)內(nèi)容包含了網(wǎng)絡(luò)分析儀的掃跡噪聲、本底噪聲、串?dāng)_和動態(tài)精度的校準(zhǔn)。這一部分，因?yàn)閷€纜、校準(zhǔn)件精度有較高的要求，操作過程相對繁瑣，也是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)中的一個重點(diǎn)和難點(diǎn)。

掃跡噪聲測試使用短路器。被測試端口接上短路器，將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置到被測頻點(diǎn)，按規(guī)范要求設(shè)置好中頻帶寬和平均值與測量點(diǎn)數(shù)，將測量功能設(shè)置為反射系數(shù)模值，以線性形式顯示，采用單次掃描，統(tǒng)計(jì)測量點(diǎn)反射系數(shù)模值的單次標(biāo)準(zhǔn)差和算術(shù)平均值。按公式（1）計(jì)算掃跡噪聲測量結(jié)果：

（1）

式中：

TNM—模值掃跡噪聲測量結(jié)果，dB；

stdevM—所有測量點(diǎn)反射系數(shù)模值的單次標(biāo)準(zhǔn)差；

avgM—所有測量點(diǎn)反射系數(shù)模值的算術(shù)平均值。

本底噪聲是用來描述等效到網(wǎng)絡(luò)分析儀測試端口的輸入噪聲功率。設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析儀為連續(xù)波輸出模式，設(shè)定端口1輸出功率，用功率計(jì)標(biāo)定為PS。然后用線纜連接另一端口2，做直通校準(zhǔn)。校準(zhǔn)完成后，取下電纜，在兩個測試端口連接固定負(fù)載，單次掃描后，對測量結(jié)果求單次標(biāo)準(zhǔn)差。按公式（2）計(jì)算測試端口2的本底噪聲。

（2）

式中：

N—本底噪聲最終測量結(jié)果，dBm；

stdevN—單次掃描后，測量結(jié)果的單次標(biāo)準(zhǔn)差；

PS—功率計(jì)測量結(jié)果，dBm。

串?dāng)_是網(wǎng)絡(luò)分析儀測試端口之間信號泄漏的程度。將網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置為連續(xù)波模式，按規(guī)范要求設(shè)置被測網(wǎng)絡(luò)分析儀參數(shù)。設(shè)置端口1輸出功率，用功率計(jì)測量為P1，然后連接上測試電纜后，測得功率為P1&apos；。將線纜連上端口2后做直通測試，取下線纜，在兩端口接上固定負(fù)載，開始平均掃描，掃描完成后對測量結(jié)果求算術(shù)平均值MA。按公式（3）計(jì)算端口1到2的串?dāng)_。

（3）

式中：

Ct —測試端口1到端口2的串?dāng)_測量值，dB；

MA—S21線性模值測量值的算數(shù)平均值；

P1&apos；—測試端口接測試電纜后，功率計(jì)測量值，dBm；

P1—測試端口的功率計(jì)測量值，dBm。

模值動態(tài)準(zhǔn)確度是用來描述網(wǎng)絡(luò)分析儀測量測試端口入射功率時，其測量準(zhǔn)確度依賴于被測信號的程度。模值動態(tài)精度的計(jì)量又分為兩種方式：（1）測試端口入射功率小于測試端口最大輸出功率；（2）測試端口入射功率超過測試端口最大輸出功率。

兩種測試狀態(tài)都要使用衰減器。第一種測量方式，是把衰減器直接通過線纜聯(lián)入，通過改變衰減器的衰減值，根據(jù)校準(zhǔn)規(guī)范提供的方法，衡量網(wǎng)絡(luò)分析儀的模值動態(tài)精度。第二種是通過線性測量系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)測量模值動態(tài)準(zhǔn)確度。線性測量系統(tǒng)由步進(jìn)衰減器和放大器以及功率分配器等組成，其原理是調(diào)節(jié)信號的輸出，然后放大，來測量接收信號較大的端口。其原理如圖1所示。

1.4 總體量和校準(zhǔn)件的校準(zhǔn)

校準(zhǔn)項(xiàng)目是散射參數(shù)和校準(zhǔn)件，對于散射參數(shù)，通過精密校準(zhǔn)件，測量儀器的反射系數(shù)和散射系數(shù)，具體方法可按規(guī)程執(zhí)行。校準(zhǔn)件的校準(zhǔn)方法是先用標(biāo)準(zhǔn)精密校準(zhǔn)件對網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行自校準(zhǔn)，然后在自校準(zhǔn)端面，連接被測校準(zhǔn)件，測得被校校準(zhǔn)件的反射系數(shù)模值和相角。

2 難點(diǎn)解決和數(shù)據(jù)處理

2.1 難點(diǎn)解決

內(nèi)部信號源的功率和頻率準(zhǔn)確度的校準(zhǔn)，這個項(xiàng)目對某些型號網(wǎng)絡(luò)分析儀不完全適用。在規(guī)范中提醒，無法設(shè)置連續(xù)波輸出模式的，可使被校矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀頻率掃描的開始頻率設(shè)置為校準(zhǔn)頻率，并適當(dāng)增加掃描時間，使頻率計(jì)和功率計(jì)有足夠的時間進(jìn)行測量。在頻率測量時，可以記錄下相對準(zhǔn)確的測量值，這是規(guī)范提供的一種解決辦法，只能算是一個實(shí)現(xiàn)方式。但是在功率測量方面，即使這樣設(shè)置，功率的波動仍較大，無法準(zhǔn)確衡量儀器功率的穩(wěn)定輸出值，測量偏差較大。對于儀器的量值能否滿足指標(biāo)要求，這一方法不完全合理，所以這是網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)中一個難題。

網(wǎng)絡(luò)分析儀ZVB的校準(zhǔn)給我們提供了一個新思路。網(wǎng)絡(luò)分析儀的內(nèi)部信號源，其掃頻模式可以通過內(nèi)部Service命令，讓其變成一個點(diǎn)頻源，實(shí)現(xiàn)信號源功率和頻率的校準(zhǔn)。

另外，頻率校準(zhǔn)可以從接收機(jī)方面考慮，信號源和接收機(jī)共用同一個時基，通過上下變頻發(fā)射或接收不同的頻率，可以先測量時基頻率準(zhǔn)確度，輸入標(biāo)準(zhǔn)信號頻率，由接收機(jī)來測量信號頻率準(zhǔn)確度。在功率方面，網(wǎng)絡(luò)分析儀本身是測量相對參數(shù)，也可以通過外部標(biāo)準(zhǔn)源發(fā)射一個標(biāo)準(zhǔn)功率，用其接收機(jī)測量功率的準(zhǔn)確度。

2.2 數(shù)據(jù)處理

大部分校準(zhǔn)規(guī)范和檢定規(guī)程對測量數(shù)據(jù)要求是多次測量取平均值，本規(guī)范的數(shù)據(jù)測量要求和其他有所不同，要求的測量次數(shù)為3次，測試數(shù)據(jù)取中位數(shù)。

3 結(jié)語

《JJF1495-2014矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)規(guī)范》的發(fā)布，為目前矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀計(jì)量校準(zhǔn)的提供了較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)依據(jù)。本文分析了規(guī)范的校準(zhǔn)方法和重難點(diǎn)以及數(shù)據(jù)分析中的與其他規(guī)程不同之處。由于目前市場上儀器設(shè)備種類繁多，關(guān)注的數(shù)據(jù)點(diǎn)不同，具體的參數(shù)和校準(zhǔn)方法，可以結(jié)合實(shí)際工作解決。

作者簡介：陳勝（1983— ），男，安徽宿州，助理工程師；研究方向：無線電計(jì)量。

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Abstract：“JJF1495-2014 vector network analyzer calibration specification” is technical basis to solve the network analyzer calibration issued by the National Radio Measurement Technology Committee. This paper analyzes the calibration method of the specification， found some difficult problems， and puts forward the solution.

Key words： vector network analyzer； calibration specification； difficulties