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(guó)無(wú)線電計(jì)量技術(shù)委員會(huì)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(wèn)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(guò)在寬頻帶內(nèi)進(jìn)行微波器件網(wǎng)絡(luò)參數(shù)測(cè)量的一種儀器，工作方式主要是掃頻測(cè)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(shí)延等。

網(wǎng)絡(luò)分析儀通常是由信號(hào)發(fā)生單元、信號(hào)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(cè)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(cè)參數(shù)通過(guò)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(jiǎn)稱規(guī)范）是全國(guó)無(wú)線電計(jì)量技術(shù)委員會(huì)針對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)發(fā)布的國(guó)家規(guī)范。根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，我們對(duì)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(guó)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(duì)校準(zhǔn)項(xiàng)目類型進(jìn)行分析，可以分成4個(gè)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(hào)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(duì)這幾個(gè)類型模塊逐個(gè)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(wú)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(kāi)始前要確認(rèn)的項(xiàng)目。

部分實(shí)驗(yàn)室在證書(shū)上注重測(cè)試數(shù)據(jù)，功能性檢查在證書(shū)中沒(méi)有體現(xiàn)，這可能是兩個(gè)原因?qū)е碌模海?）對(duì)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(shū)沒(méi)有這個(gè)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(shū)和記錄上有這一項(xiàng)是十分有必要的，同時(shí)，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(cè)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(cè)試不準(zhǔn)或無(wú)法進(jìn)行。

1.2 內(nèi)部信號(hào)源校準(zhǔn)

內(nèi)部信號(hào)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(hào)，按規(guī)范要求的測(cè)試步驟和方法搭建測(cè)試系統(tǒng)，即可完成測(cè)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(dòng)態(tài)精度的校準(zhǔn)。這一部分，因?yàn)閷?duì)線纜、校準(zhǔn)件精度有較高的要求，操作過(guò)程相對(duì)繁瑣，也是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)中的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。

掃跡噪聲測(cè)試使用短路器。被測(cè)試端口接上短路器，將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置到被測(cè)頻點(diǎn)，按規(guī)范要求設(shè)置好中頻帶寬和平均值與測(cè)量點(diǎn)數(shù)，將測(cè)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(cè)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(cè)量結(jié)果：

（1）

式中：

TNM—模值掃跡噪聲測(cè)量結(jié)果，dB；

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

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

本底噪聲是用來(lái)描述等效到網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)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(gè)測(cè)試端口連接固定負(fù)載，單次掃描后，對(duì)測(cè)量結(jié)果求單次標(biāo)準(zhǔn)差。按公式（2）計(jì)算測(cè)試端口2的本底噪聲。

（2）

式中：

N—本底噪聲最終測(cè)量結(jié)果，dBm；

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

PS—功率計(jì)測(cè)量結(jié)果，dBm。

串?dāng)_是網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試端口之間信號(hào)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(cè)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(cè)量為P1，然后連接上測(cè)試電纜后，測(cè)得功率為P1&apos；。將線纜連上端口2后做直通測(cè)試，取下線纜，在兩端口接上固定負(fù)載，開(kāi)始平均掃描，掃描完成后對(duì)測(cè)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(cè)試端口1到端口2的串?dāng)_測(cè)量值，dB；

MA—S21線性模值測(cè)量值的算數(shù)平均值；

P1&apos；—測(cè)試端口接測(cè)試電纜后，功率計(jì)測(cè)量值，dBm；

P1—測(cè)試端口的功率計(jì)測(cè)量值，dBm。

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

兩種測(cè)試狀態(tài)都要使用衰減器。第一種測(cè)量方式，是把衰減器直接通過(guò)線纜聯(lián)入，通過(guò)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(dòng)態(tài)精度。第二種是通過(guò)線性測(cè)量系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量模值動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確度。線性測(cè)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(hào)的輸出，然后放大，來(lái)測(cè)量接收信號(hào)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(duì)于散射參數(shù)，通過(guò)精密校準(zhǔn)件，測(cè)量?jī)x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(duì)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(cè)校準(zhǔn)件，測(cè)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(hào)源的功率和頻率準(zhǔn)確度的校準(zhǔn)，這個(gè)項(xiàng)目對(duì)某些型號(hào)網(wǎng)絡(luò)分析儀不完全適用。在規(guī)范中提醒，無(wú)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(kāi)始頻率設(shè)置為校準(zhǔn)頻率，并適當(dāng)增加掃描時(shí)間，使頻率計(jì)和功率計(jì)有足夠的時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。在頻率測(cè)量時(shí)，可以記錄下相對(duì)準(zhǔn)確的測(cè)量值，這是規(guī)范提供的一種解決辦法，只能算是一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式。但是在功率測(cè)量方面，即使這樣設(shè)置，功率的波動(dòng)仍較大，無(wú)法準(zhǔn)確衡量?jī)x器功率的穩(wěn)定輸出值，測(cè)量偏差較大。對(duì)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(gè)難題。

網(wǎng)絡(luò)分析儀ZVB的校準(zhǔn)給我們提供了一個(gè)新思路。網(wǎng)絡(luò)分析儀的內(nèi)部信號(hào)源，其掃頻模式可以通過(guò)內(nèi)部Service命令，讓其變成一個(gè)點(diǎn)頻源，實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(hào)源和接收機(jī)共用同一個(gè)時(shí)基，通過(guò)上下變頻發(fā)射或接收不同的頻率，可以先測(cè)量時(shí)基頻率準(zhǔn)確度，輸入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率，由接收機(jī)來(lái)測(cè)量信號(hào)頻率準(zhǔn)確度。在功率方面，網(wǎng)絡(luò)分析儀本身是測(cè)量相對(duì)參數(shù)，也可以通過(guò)外部標(biāo)準(zhǔn)源發(fā)射一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)功率，用其接收機(jī)測(cè)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(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)要求是多次測(cè)量取平均值，本規(guī)范的數(shù)據(jù)測(cè)量要求和其他有所不同，要求的測(cè)量次數(shù)為3次，測(cè)試數(shù)據(jù)取中位數(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

《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(chǎng)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(jiǎn)介：陳勝（1983— ），男，安徽宿州，助理工程師；研究方向：無(wú)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