負載匹配對測量結果的影響

胡小蘭 陳麗 祝林林 董建軍

摘要：由于硬件特性的不理想，矢量網絡分析儀原始方向性、源匹配、負載匹配、測試通道之間的傳輸跟蹤、反射跟蹤以及通道間的串擾是隨機誤差的主要來源，雖然可以通過校準方法進行減小，但不能完全消除，因此測量結果不是被測件的真實特性，而是包含了測量誤差。其中負載匹配既影響反射測試又影響傳輸測試，影響程度取決于被測件的真實阻抗和輸出等效失配。

關鍵詞：矢量網絡分析儀;負載匹配;源匹配;測量不確定度

0、前言

矢量網絡分析儀是用來測量射頻、微波和毫米波網絡特性的儀器，它通過施加合適的激勵源到被測網絡并接收和處理網絡的響應信號，計算和量化被測網絡的網絡參數，它能同時測量出網絡的幅度特性和相位特性，是最常用的微波測量儀器之一。測量往往伴隨著誤差，矢量網絡分析儀也一樣，得到的測量結果并不是被測件的真實特性，而是包含了測量誤差。

1、負載匹配定義

在測量雙端口網絡參數時，理想情況下，入射信號經被測件（DUT）傳

輸并在傳輸通道內測出。實際上，一部分信號被端口反射而未在傳輸通道內被測量。這類測量稱為負載匹配誤差。具體來說，負載匹配誤差是由于被測件輸出端匹配不理想引起的，即被測件的輸出端和測試系統的2 口阻抗不匹配。如圖1 所示。一部分傳輸信號由2 口反射回被測件。反射信號一部分經再次反射回到2 口，一部分通過被測件作為反向信號進入1 口。通常用回波損耗來表征負載匹配，回波損耗值愈大，指標越好，所引起的測量誤差愈小。

負載匹配帶來的誤差既影響傳輸測量也影響反射測量，誤差的大小取決于被測件的輸出端和2 口的阻抗匹配。下面舉例說明負載匹配是如何影響反射測量和傳輸測量的。

2、負載匹配對反射測量的影響

如圖1，在進行反射測量時，假設DUT 的傳輸系數為η，負載匹配為ML，源匹配誤差可忽略，由于負載匹配導致的誤差B=η*ML*η，A 為引入方向性誤差的被測反射信號，由于負載匹配導致的實際反射測量結果最壞情況可能是A±B。舉例說明，如圖2，用方向性為40dB，負載匹配為18dB 的矢量網絡分析儀1 和方向性為40dB，負載匹配為25dB 的矢量網絡分析儀2 分別對回波損耗為16dB（0.158）、插入損耗為1dB（0.891）的被測件（比如1dB 的衰減器）進行反射測試時，負載匹配對回波損耗測量的影響計算如下：

由已知得：Ρ 方向性=10（-40/20）=0.01

ML1=10（-18/20）=0.126，ML2=10（-25/20）=0.056

η=0.891

B1= η*ML1* η=0.891*0.126*0.891=0.1，B2= η*ML2* η=0.891*0.056*

0.891=0.045

因此網絡分析儀1 測量結果最壞可能為Ρmax=0.158+0.01+0.1=0.268，

Ρmin=0.158-0.01-0.1=0.048 之間，

換算成dB 為RLmax=-20lg0.268=11.43dB，RLmin=20lg0.048=26.37dB 之間，

測量不確定度為（11.43dB-16dB=-4.57dB，26.37dB-16dB=10.37dB），即10.37dB/-4.57dB。

網絡分析儀2 測量結果最壞可能為Ρmax=0.158+0.01+0.045=0.213，Ρmin=0.158-0.01-0.045=0.103 之間，

換算成dB 為RLmax=-20lg0.268=13.43dB，RLmin=20lg0.048=19.74dB 之間，

測量不確定度為（13.43dB-16dB=-2.57dB，19.74dB-16dB=3.74dB）即3.74dB/-2.57dB。

假設上面例子被測件的插入損耗為6dB（0.5），其它條件不變，從同樣的過程可得到：

網絡分析儀1 測量結果最壞可能為

Ρmax=0.158+0.01+0.5*0.126*0.5=0.1995，

Ρmin=0.158-0.01-0. 5*0.126*0.5=0.1165 之間，

換算成dB 為RLmax=-20lg0.1995=14dB，RLmin=20lg0.1165=18.67dB 之間，

測量不確定度為（14dB-16dB=-2dB，18.67dB-16dB=2.67dB），即

2.67dB/-2dB。

網絡分析儀2 測量結果最壞可能為

Ρmax=0.158+0.01+0.5*0.056*0.5=0.182，

Ρmin=0.158-0.01-0.5*0.056*0.5=0.134 之間，

換算成dB 為RLmax=-20lg0.182=14.8dB，RLmin=20lg0.134=17.45dB 之間，

測量不確定度為（14.8dB-16dB=-1.2dB，17.45dB-16dB=1.45dB），即

1.45dB/-1.2dB。

3、負載匹配對傳輸測量的影響

如圖3，用原始源匹配和負載匹配分別為14dB 和16dB 的矢量網絡分析儀采用歸一化校準后對回波損耗為16dB，插入損耗為1dB 的被測件（1dB 衰減器）進行傳輸測試時，負載匹配對傳輸測試不確定度最壞情況分別為：1 ±（0.02+0.02+0.032）=1.072 或0.928， 換算成dB 為20lg1.072=0.6dB 或20lg0.928=-0.65dB，即0.6dB/-0.65dB。

當被測件的回波損耗為16dB，插入損耗為6dB 時，傳輸測試不確定度最壞情況分別為：1±（0.02+0.126*0.5*0.2*0.5+0.032）=1.058 或0.942，換算成dB 為20lg1.058=0.49dB，20lg0.942=-0.52dB，即0.49dB/-0.52dB。

4、結束語

上面的實例，當負載匹配為18dB 對1dB 插損的器件進行反射測試時，其測量不確定度為（-4.57dB，10.37dB），當負載匹配提高到25dB 時，測量不確定度縮小為（-2.57dB，3.74dB）。當負載匹配為25dB 對6dB 插損器件進行測試時，其測量不確定度為（-1.2dB，1.45dB）。

當負載匹配為18dB 對1dB/6dB 插損器件進行傳輸測試時，其測量不確定度分別為（-0.65dB，0.6dB）、（-0.52dB，0.49dB）?？梢杂猛瑯拥姆椒▽ζ渌闆r進行計算。

從計算結果可以得出：負載匹配對測量不確定度的貢獻與被測件的真實阻抗和輸出等效失配有關，是傳輸和反射測量中產生測量不確定度的因素之一。當被測件插損小，則由2口反射的信號和由源再次反射的信號會造成很大的誤差，因為反射信號經過被測件時衰減很小。當測試元件的插損大于6dB 時，源匹配和負載匹配通常可以忽略，因為誤差信號每次通過被測件時都衰減了很多。然而，在傳輸測量中，對于高反射輸出端口的元件來說，負載匹配是主要的誤差來源。當需要進行高精度測量時，應選性能較好的網絡分析儀并進行較復雜的系統校準方法。

參考文獻：

[1].矢量網絡分析儀高級測量技術指南 （/美）敦思摩爾（Dunsmore，J. P.）著;陳新等譯.微波器件測量手冊，北京：電子工業出版社，2014.3.

[2]《. 數字通信測量儀器》編寫組編.數字通信測量儀器，第一版，北京： 人民郵電出版社，2007.2.

[3].Keysight Technologies.Applying Error Correction to Network Analyzer Measurements，Published in USA，July31，2014.

作者簡介：

胡小蘭（1974-）女，高級工程師，1997年畢業于合肥工業大學，中電科儀器儀表有限公司從事射頻微波綜合測試儀的研發與工程化。