如何评价便携式矢量网络分析仪的准确性-英国LA矢网

如何评价便携式矢量网络分析仪的准确性
便携式矢量网络分析仪(VAN)已经给射频/微波工业中最值得信赖的仪器之一带来新的移动性。

例如，来自LA科技公司的新型LA19-13-02型便携式分析仪，不仅具备紧凑的外形，还具有3MHz到3GHz的全S参数测量能力。

当然，在购买便携式VNA之前的一个重要考虑就是其准确性和可靠性。

最近，在LA科技与英国国家测量标准实验室、国家物理实验室(NPL)之间的合作，集中在构建低成本便携式VNA的可靠而准确的量度上(图1)。

这一工作建立在其他最近的工作之上，研发出新的校准方法使得采用廉价校准包的这一类型VNA精度可以达到空前的水平。

为了理解这次便携式VNA评估的精度和可靠性，研究一下便携式VNA的系统结构是非常必要的，然后再回顾一下具有校准标准特性的方法，这包括了负载“增殖”的概念。

在负载增殖中，父负载可以用于产生具有特征性能的子负载，以便子负载也可以用作可靠的VNA校准标准。

接下来是这些负载的评估，这篇文章将评述这一类型的VNA所能达到的精度，并展示与用来证明精度表述的英国国家标准设备的一些测量比较。

图2显示了LA19-13-02VNA系统的电路图。

该设备在外部个人计算机(PC)的控制下工作。

VNA 的内部控制器通过设置硬件操作以及实现所测数据的部分均值来完成任务，这是为了将通过串口的通信量降到最小。

VNA采用具有基于混频器的下变频器和同步检波器的调谐接收器。

降噪技术通过采用简单的硬件来达到极低的迹线噪声。

该设备包括了两台频率综合器，其中一台用于产生测试信号(从-20~0dBm)，而另一台用于为接受器产生本地振荡(LO)信号。

该综合器是基于直接数字合成(DDS)技术，并在载波失调22kHz下最差相位噪声-71dBc/Hz的1kHz新频率内达到了290μs 的最差稳定时间。

因为空间约束，定位桥(图2中C1和C2)被用于提取反射和发送信号。

定位桥一般比其他类型用于高宽带应用的定位耦合器(例如带状线边沿耦合器)要小，尽管其具有更高的插入损耗。

当测试例如晶体管和放大器等有源器件时，包含在VNA中的宽带偏置Ts允许达到250mA的DC偏置电流。

用户接口(UI)软件运行在外部PC上，并且实际上实现了全部数据处理。

其包括了很多特性，例如实时去嵌入、自动和人工参考平面扩展、输入并显示用于测量数据实时压缩的数据文件、内存追踪的向量数学，以及大量的标志函数，例如峰值和最小值检索以及3dB带宽的计算。

来自例如国家仪器(NI)的LabView和安捷伦科技的VEE等其他程序对仪器的控制，可能采用动态链接库(DLL)代码支持该仪器。

这个库支持高级命令来简化在自动测试设备(ATE)系统中的VNA控制，使得在自动系统中控制VNA变得更为容易。

采用短路-开路-负载-穿透(SOLT)技术对LA19-13-02VNA进行校准。

支持VNA的这一校准工具包(图3)包括了预算价格器件，以便VNA包的整体成本保持最低。

然而，通过采用VNA固件的高精度特性程序极大增强了这些预算价格器件的性能。

这导致了最新的VNA性能，例如采用高精度校准标准和/或更成熟的校准程序可以达到极佳的性能。

在传统的校准方案中，VNA标准经常被假设为具有理想特性。

例如，短路和开路标准被假设具有极大电压反射系数(VRC)等于单位值。

同样，负载标准被假设为VRC为零，例如，假设为精确匹配。

对短路/开路标准，这些假设对大部分应用是合理的。

然而，负载标准为精确
匹配的假设不可能真正被满足。

当负载不是高精度器件时，就尤其相关，而这导致了传统的校准之后在VNA中保留了极大的剩余误差。

通过采用LA19-13-02VNA的校准方法承认了负载标准并未提供精确匹配，并采用测量数据来“描述”负载，以便可以考虑其非零的VRC，从而在校准过程中使用。

该方法继续适用，即使校准负载产生极大的反射，条件就是通常与糟糕的校准性能有关。

所以，这一技术在低成本器件用作标准时特别有用。

在这些情况下，唯一的要求就是标准的测量值是可重复的，而且可以在器件接口中采用精确连接器来获得。

负载标准特性涉及在DC和RF下获得负载的可靠测量结果。

尤其是在DC下测量电阻，以及在RF下测量复数VRC。

对DC测量只要求适度的精度，例如，在几个毫欧之内，并且这可以通过采用现成的经过校准的数字欧姆计来达到。

复数VRC测量要求更高的精度，而且在与VNA带宽一致的频率范围之上获得，例如3MHz~3GHz。

这些RF测量最初通过采用英国初级国家标准测量系统的NPL来提供给VNA厂商(LA科技公司)。

然后，两个多项式采用简单的拟合程序与(复数值)测量数据进行拟合，一个是数据的实部，而另一个是虚部。

每个拟合包括了一个DC下的值：要么是对数据实部测量电阻的拟合或者是对数据虚部的零值的拟合(如DC下的电阻)。

然后，多项式的系数被存储，以便随后可以在任何要求的频率下产生复数VRC值，并在校准过程中通过VNA来使用。

这确保了在校准中的每个频率下使用对负载的实际复数VRC的准确近似。

由于这些标准非常接近理想校准，开路和短路标准的特性更是呈直线。

对于开路，采用电容性多项式确定VNA带宽的最佳特性来描述VRC相位。

三对大量的短路电路，在这些频率下不要求额外的特性。

从LA科技的校准包之一已经获得了特性化的负载标准，采用最初的“父”负载和作为转换仪器的VNA直接产生了额外的特性化负载。

VNA固件包括了描述负载以及接下来用它作为校准标准的所有必要特性。

可以在LA科技生产设备，或由最终用户直接实现在这一方式下增殖特性化负载的过程。

实行。

然而，这里全部的不确定性假设不包括来自随机误差的贡献，例如，连接器可重复性、系统可重复性、电缆柔性、噪声以及环境条件。

这是因为除噪声之外，这些随机误差在VNA 的外部，并不代表VNA本身的性能。

的确，这些误差是由整个测量过程中的其它器件所导致的，例如，用来形成测量参考平面的电缆和适配器，连接到参考平面的设备(校准标准以及随后由VNA测量的设备)，以及VNA所工作的环境。

所以，整体的不确定性代表了最佳测量能力，这可以用来定义采用这一类型VNA和校准包(例如授权校准或测试公司)测量的鉴定范围。

然而，由于采用最差估计来表示误差，当在日常操作条件下时，这可能导致了对VNA
整体不确定性的保守估计。

影响VNA精度的最大有效系统误差是：剩余方向性(D)、剩余测试端口匹配(M)、剩余负载匹配(*L)、监测器非线性(L)、测试设备串扰/隔离(dA)、测试端口失配(M TM)。

在校准之后保留有误差，并成为由VNA随后全部测量不确定性的来源。

对每个误差评估的完全描述，这里给出了总结。

例如，每个VNA测量参考平面的剩余方向性通过附加端点良好匹配负载的长且无焊珠导线进行估计。

按照线性VRC所得到的纹波轨迹的例子表示在图4中。

通过纹波轨迹相邻的最大和最小值之间差的一半来给出剩余方向性。

所以，剩余方向性VRC 的最差值大约是0.004。

以类似的方法，除高反射端口外(例如短路电路)，通过附加同样的导线可以发现剩余测试端口。

这导致了一般为0.010的最差剩余测试端口VRC。

剩余负载匹配与测量VNA未校正负载匹配中的不确定性有关。

对VNA，由于远小于0.07，未校正负载匹配VRC已经被测量，并且最差剩余负载匹配VRC是0.006。

(这个值已经采用公式1确定，其中已测量的VRC是未校正负载匹配，并且已测量VRC中的不确定性就是剩余负载匹配误差。

)
监测器的非线性在超过50dB动态范围内，通过测量经过校准的步进衰减器来决定。

在越过VNA带宽内几个不同频率来实现。

由于决定了非线性，VNA读出与步进衰减器校准值之间的差可以实现最差误差。

对这个VNA，通常发现该误差不超过0.002dB/dB。

当所有VNA测试端口被停止时，通过测量法送信好的数值来决定测试设备的隔离。

对这个VNA而言，全带宽范围内最差可观察的隔离是-83dB。

由于测试端口失配的不确定性非常依赖于测量器件的S参数。

所以，要化繁为简，只在这里考虑相对良好匹配的器件(如VRC的数量级小于0.1)。

这产生了0.015dB的最差测试端口失配误差，无论所测量的衰减数量是多少。

上面六个误差贡献的值被总结在表1和2中。

对单端口器件，VRC测量的不确定性U(*)由下式决定：
其中，“*”为测试器件(DUT)的所测量数量级VRC。

表1中给出的D和M值用于计算U(*)，图5a是回波损耗不确定性与所测量回波损耗的关系图。

同样，图5b是反射相位中相关联的不确定性。

一般来说，两端口器件反射测量的不确定性与单端口器件类似。

仅当测量衰减的低值(如低于6dB)时，才会产生极大差别，当影响变得极大时是由于VNA接收器端口的剩余负载匹配造成的。

所以，凭经验估计，当测量到的衰减大于6dB时，图5a和5b可以用于双端口器件。

当衰减小于6dB时，应该采用考虑剩余负载匹配贡献的经过修正的图。

双端口器件衰减测量的不确定性U由下式决定：
表2中的L、M TM和dA的值用于计算衰减和发射相位中的不确定性。

这些表示在图6a和6b 中。

有意思的是在其内部组成部分中“拆析”整体衰减不确定性(如图6a所示)，即非线性、失配以及隔离/串扰项。

在图7中表示了拆析，其与导致的整体合并的确定性一起表明了每个项的大小，表示“一个标准差”(或“一个σ”)。

该图表明对低衰减测量(如到10dB)而言，失配是主要的不确定性；对中等衰减(10dB到大约35dB)而言，非线性是主要的不确定性；而对高衰减(35dB及以上)，隔离/串扰是主要的不确定性。

已经在LA19-13-02VNA与NPL的UK国家标准设备之间作了某些相互比较，并在这里提出了图示。

每套结果也表明了采用图5和6中值的LA19-13-02VNA的测量不确定性。

通常，这些不确定性不会超过由NPL所提供参考值的不确定性。

提出了两个设备的结果：一个具有2:1的额定VSWR和20dB衰减的失配终端。

这些设备的测量相位随频率快速变化。

所以，为了以更有用的方式提出这些结果，给出了LA19-13-02和NPL值之间差别的图。

这有效地将结果归一化为NPL给出的值。

2.0:1额定VSWR的失配具有与0.333VRC相等的值，以及与9.54dB相等的回波损耗。

使用公式1，VRC的不确定性是±0.0073，以及相等的回波损耗不确定性是±0.19dB。

不确定性的值被表示为应用到图8a结果中的误差棒，其也表示为由NPL获得的结果。

图8b中的误差棒表示了不确定性的值，其表示了LA19-13-02和NPL测量值之间的差。

对20dB衰减，采用公式2计算，测量衰减中的不确定性是±0.046dB。

该不确定性值与NPL 获得的结果一起表示为图9a结果中的误差棒。

相位中的不确定性是±0.31deg。

这一不确定性的值用于图9b中，其表示了LA19-13-02和NPL测量值的差。

本文已经给出了LA科技公司VNA最新型号的性能评估。

尤其是，这表明了通过采用定性的校准标准获得了良好的测量精度，而无需采用高精度器件。

通过在VNA校准过程中使用测量导出的数据获得。

在LA19-13-02VNA和NPL之间的测量相互比较已经表现出良好的一致(例如，LA19-13-02测量的不确定性包含了由NPL获得的值)。

这表明了LA19-13-02建立的不确定性是理想的。

反射测量整体不确定性的变化依赖于所测量反射的大小。

这被总结在表3中，其在测量范围的末端给出了值，例如，在VRC的值等于0和1处。

衰减测量的整体不确定性也随着所测量衰减的大小而改变。

总结在表4中衰减到60dB的选择值。

超过60dB，由于VNA中的隔离/串扰导致的误差支配了整体测量的不确定性。

这里提出的VNA测量不确定性的总结，提供了LA19-13-02VNA精度的性能指标，其已经由国家测量标准实验室(NPL)独立验证。

由生产这些仪器的其他领先生产商作了与VNA精度对比的证明。

作者：Nick Ridler、Nils Nazoa
LA Techniques公司。