VNA使用方法:矢量网络分析仪校准和测试方法
互联网 2022-11-24
是不是每次测量一个新的项目前都必须做校准?

  这个是不一定需要的,尽量将每次校准的state存入VNA,名字最好为校准状态,例如频率范围,输入激励功率等。如果有新的测试项目,但是它的测试条件和已有状态相似,且load state后,检查校准状态良好,就可用使用以前的校准状态,而不需要重新校准。

  将校准state保存并调用的好处在于:Calibration Kit也是有使用寿命的,多次的校准,会是的校准件多次和校准电缆接触,可能污染校准件,使得校准件特性发生改变,影响下一次校准。

  尽量养成如下习惯:将网络分析仪的port不用的时候加上防尘套;对测试电缆进行标号,使得VNA每个port尽可能固定连接某个电缆;对测试电缆不用时,也需要加上防尘套;尽量不用很脏的测试电缆等。

  VNA的校准是精确测量前必要的准备。

  以单端口DUT测量为例,测试模型参考one port error model

  由于VNA的输出和DUT的待测输入一般都存在中间过渡件/连接件,使得理想网络分析仪的测试平面和DUT的待测平面间出现了一个误差网络。对于单端口误差模型,有三个误差项。为了求解三个误差项,由线性矩阵理论,需要建立三个不相关的方程来求解。校准的原理就是建立这三个方程。

  通过在测试面加入三个已知特性的校准件,例如开路件,反射系数理论上为1,短路件,反射系数理论上为-1,负载件反射系数理论上为0。通过VNA测量这三个校准件,得到实际测量结果。也就得到包含三个误差模型的线性方程,通过求解就能得到三个误差项。在后续的测量中,在直接获得的测试结果中,先通过数学运算,消除三个误差项带来的影响,显示给用户的就是校准后DUT的特性。

  当然两端口误差模型更加复杂,分为正向和反向,正向具有6个误差项,反向也有6个误差项,总共有12个误差项需要求解,求解方法可用参考“RF Measurement of Die and Packages”。

  当然一般网络分析仪提供的二端口矢量校准方法为SOLT,通过单端口的分析,其实校准件的本质是建立误差模型方程,选择不同已知反射系数的校准件,就得到了很多不同的校准方法,例如LRM,LRRM,TRL等等。

  当然校准的本质也是去嵌入(De-embedding)的过程,去嵌入的本质得到误差网络的S参数,通过转换到T参数,运用级联运算进行消除。去嵌入还能够消除非传输线网络的S参数,应用也比校准广泛。

实际校准的方法:

  尽管一般VNA的User Guider上都有仪器校准的方法,但是还有很多细节需要注意的:

  1.设定测试参数

  选择测试频率范围:一般的频率范围要稍微大于测试指标规定的范围,选择VNA Port激励功率,对于无源器件,可以选择稍微大的激励功率,例如0dBm,但是对于测试Amplifier等小信号器件,一般激励信号要小于器件的1dB压缩点,对于Power Amplifier等大功率器件,需要减小VNA的输入信号功率,同时要在PA的输出和VNA的输入间加入。但是过分减小VNA的输入信号功率,可能会使得S11和S22测量误差增大。如果对于多端口VNA,还需要选择测试por。

  2.选择校准件,选择校准方法,通过仪器校准的Guide完成校准

  每个公司都有不同的规格的校准件,例如N型的,SMA型的,这个在校准之前一定要选择好,这个是因为厂家提供的校准件,开路短路等也不是理想的反射系数分别为1,-1和0。同公司的VNA中会定义校准件,将校准件的特性预先存入VNA,以便校准时求解误差方程。因此,如果校准件选择不当,校准的意义也就没有了。

  在校准过程中,显示format对于校准是没有影响的,可用选择显示S11或者S21,显示可用为VSWR或者Smith Chart,这个不影响校准。

  已SOLT为例,首先进行单端口校准,分别将开路短路负载加至VNA的port1和port2,按照仪器指示进行完成校准,再连接Thru件,完成直通校准。

  3.校准结果检查

  这一步不是必须的,但个人觉得作为一个优秀的射频工程师,这一步是至关重要的。

  开路校准特性的检查:校准完成后,将开路件取下,显示S11和S22的Smith Chart,良好的校准使得测试显示曲线在整个测量频率范围内都在Smith Chart的开路。

  负载校准特性的检查:校准完成后,将测试端口连接负载件,测试S11和S22的Smith Chart,良好的校准使得测试曲线在整个测量频率范围内都在Smith Chart的中心。

  直通检查:校准完成后,将两端口连接Thru件,测试S12或者S21的dB曲线,良好的校准使得测试曲线在整个频率范围内平坦,且都在0dB。
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