二端口矢量网络分析仪的多端口测量扩展

摘要： 本文首先阐述了普通矢量网络分析仪的测量原理和硬件结构组成，并探讨了矢量网络分析仪的误差修正的基本原理，然后阐述了使用开关矩阵的改进的矢量网络分析仪的必要性、优点和基本原理。

关键词： 反射和传输；S参数；多端口测量；误差修正

引言

网络分析仪是微波电路设计和测试工程师必不可少的测量仪器。矢量网络分析仪在科研生产中起着非常重要的作用，广泛使用于天线测试、电路测试、元器件测试和计量检定等领域。进行可靠的网络测量必须深刻理解网络分析仪和要测量的器件或电路。本文在讨论普通矢量分析仪的基础上着重介绍了如何使用开关矩阵的扩展二端口矢量网络分析仪做多端口设备的测量。

二端口矢量网络分析仪原理

众所周知，网络分析仪有标量网络分析仪和矢量网络分析仪之分。标量网络分析仪只能测量网络的幅频特性，而矢量网络分析仪可以同时测量被测网络的幅度信息和相位信息。矢量网络分析即是通过测量被测网络对频率扫描和功率扫描测试信号的幅度与相位的影响，来精确表征被测网络的一种方法。

最常用的对RF元器件的特性进行测量的仪器是矢量网络分析仪(VNA)，这里所说的"网络"指的是电子电路概念上的网络，而不是计算机网络。传统上，VNA使用一个作为激励的RF信号源，并采用多路测量接收机来测量正反两个方向上的入射、反射和传输信号。

矢量网络分析仪可以利用固定功率的扫频方式来测量S参数；也可以用固定频率的功率扫描方式来测量放大器的增益压缩。通过这种方式，来量化元器件的线性性能和一些简单的非线性性能。现在，新型VNA的内部设置有两个内置RF信号源，可以对IMD进行测量，而以前这主要通过两个外接的信号源和一个频谱分析仪来完成。基于VNA的测试方法使得在测试过程中对仪表的设置更加简单、测量时间更短、准确性更高。

2.1反射和传输

在网络分析的基本形式中，包含测量沿传输线行进的人射波、反射波和传输波，如图1所示。在网络分析仪的名词术语中，一般用R或参考通道表示测量人射波；反射波用A通道测量，而传输波则用B通道测量。利用这些波中的幅度和相位信息，便能定量描述被测器件(DUT)的反射特性和传输特性。下面一些术语用于对反射和传输进行：

图1 网络分析包括提供入射能量，测量反射能量和传输能量

S参数

 微波领域广泛应用散射参数(S参数)来分析微波网络。复杂的系统可以简单地看成是若干个耦合的二端口网络。与入射波、传输波和反射波相关的二端口参数称为散射参数或S参数，见图2。S参数类似于反射和传输特性。当输出端处于匹配状态时，输入端的反射系数即为S11参数；当输入端处于匹配状态时，输出端的反射系数即为S22参数。S21参数与正向传输系数等效，S12参数与反向传输系数等效。在测量、建模和设计多元件的复杂系统中，器件的S参数特性起着关键的作用。矢量网络分析仪能方便快捷地测量出被测器件的四个S参数。

二端口矢量网络分析仪组成结构

矢量网络分析仪常指连续波矢量网络分析仪，被测网络的激励信号为正弦波信号。根据激励信号源和响应接收机是否在一个机箱内而分成分体式和一体化矢量网络分析仪两个基本形式。
 虽然不同的网络分析仪在设计细节方面有所差别，但所有的网络分析仪都包含4个基本部分：提供入射信号的信号源；信号分离器分离入射、反射和传输信号；接收机把高频信号转换为较低频率(中频)的信号；处理和显示系统对较低频率的信号进行处理，并显示经检测和导出的信号。见图3。

 图3 网络分析仪的4个主要部分

信号源

被测器件的频率响应通过信号源扫频确定，在矢量网络分析仪中广泛采用合成扫频信号源。

信号分离

 网络分析仪的下一项任务是分离入射、反射和传输信号，从而测量它们各自的幅度和相位。矢量网络分析仪均采用定向耦合器方法分离信号。

接收机

 网络分析仪的接收机把RF或微波能量转换为较低的IF信号，从而简化了精确的检测任务。矢量网络分析仪采用窄带的锁相接收机技术。

处理和显示系统

 一旦检测到RF或微波能量，矢量网络分析仪必须处理和显示各种测量。矢量网络分析仪是一种多通道仪器，至少有一个通道作为基准通道，一个通道作为测试通道。

用开关矩阵扩展二端口矢量网络分析仪

传统矢量网络分析仪(VNA)有两个测试端口，因为早期的大多数器件只有一个或两个端口。为了对多端口器件进行测量，就需要在被测器件(DUT)的各个端口之间多次变换测试电缆和端接负载，直到完成对所有端口的测量。而由此就会产生许多的问题，比如：可重复性差、操作复杂、计算复杂不直观等等一系列问题。

原理

 为同时满足很多的端口数量和很高的测试频率的要求，可以通过使用一个通常放置于VNA底部的外置测试装置(其中包含更多的测试端口连接器和定向耦合器)及必要的开关(这些开关可以让外部测试装置与VNA本身紧密地集成在一起)来扩展VNA的端口数量。通过这种方式，可以实现端口数很多的多端口测试解决方案，并能测量任意端口对组合之间的信号通道，同时还包括必要的误差校准程序，消除所有测试端口和通道的系统误差。 多端口测试系统的原理图如图4所示：

图4 多端口测试装置的系统框图

 扩展件(图4中的虚线框内)是由N个单刀双子开关及它们之间同轴连接线组成的。用计算机控制扩展件的开关状态，进行测量通道的切换，实现对N端口被测网络的自动测量。校准和测量的参考面都在扩展件的三个测量端口面上。

实现

 多端口测试系统的优点是与多端口DUT的一次连接就可以进行多项测量，与使用传统的两端口VNA相比，大大地提高了测试速度。基于VNA的多端口测试系统使用的是放在VNA测试端口前面的简单开关矩阵。

 测试端口扩展底座中的开关我们采用了机械开关，当然也可以采用电子开关。电子开关的优势是开关速度更快、使用寿命没有上限，但它们的插入损耗较高，不能承受大功率。在测试端口超过12个时，使用众多的电子式开关一般会使测试设备更加昂贵，使用起来也更加困难。机械开关的射频特性最好：损耗低，承受功率大。机械开关一般比电子开关便宜。但机械开关的主要缺点是开关触点的使用寿命有限。尽管可靠性高的开关通常保证开关次数在500万次以上，但大批量生产应用通常会导致这些开关在不到一年内就会损坏。

扩展后的矢量网络分析仪的误差修正

矢量网络分析仪的测量误差，包含系统误差、随机误差和漂移误差三大类。随机误差是不可重复的误差项，如信号源和接收机中的噪声、测量过程或校准过程中连接端口的测量重复性和开关重复性等都属于随机误差。在测试中减小随机误差的最有效方法是对测试数据进行平均或平滑处理。漂移误差主要是由温度变化造成的。通过构成具有稳定环境温度的测试环境，往往能将漂移误差减至最小。由于微波、毫米波部件的不完善性所引起的误差称为系统误差。系统误差是最大的误差源。幸而绝大部分系统误差可以通过校准技术予以消除。对系统误差的理解和建模是关键的一步—— 这是矢量误差校正(也就是校准)的基础。经过对短路、开路、负载这些已知物理标准进行测量，就有可能通过数学运算消除实际测量中的系统误差。网络测量中所涉及的系统误差与信号泄漏、信号反射和频率响应有关。有以下六种类型的系统误差：与信号泄漏有关的方向误差、与信号泄漏有关的串扰误差、与反射有关的源失配、与反射有关的负载阻抗失配、由测试接收机内部的反射引起的频率响应误差、由测试接收机内部的传输跟踪引起的频率响应误差。

完整的二端口误差模型包括正方向上的所有上述6项及反方向上的同样6项(数据不同)，总共l2项误差。这即是二端口校准常常被称为l2项误差修正的原因。理论研究表明，对于硬件指标不完善的矢量网络分析仪，可以等效为一个理想的矢量网络分析仪与测量参考面之间插入了一个二端口的误差适配器。误差适配器的参数将表征所有的系统误差，二端口网络有两个参考面，因此包含了两个误差适配器。对于被测网络的正向S参数和反向S参数测试各需一个适配器，如图5所示。

图5 二端口误差模型

S11A、S12A、S21A和S22A为被测器件的S参数，其余为系统误差项。

 用于测量二端口网络的四个S参数时，要对12个误差项进行误差修正；用于单端口测量时，需要进行6项误差修正。单端口校准能测量并消除反射测量中的三项系统误差(方向性、源匹配和反射跟踪)。这三项误差可由普遍方程导出，而普遍方程可借助有三个未知数的三个联立方程求解。为了建立这三个联立方程，必须测量三个已知的校准标准，如一个开路器、一个短路器和一个负载。对方程求解可给出系统误差项，并可导出被测器件的实际反射S参数。
 二端口误差修正由于考虑了所有主要的系统误差源而给出最精确的结果。在测量校准时，根据矢量网络分析仪的软菜单依次测量校准件的反射、传输和隔离特性，将校准件的实测数据作为已知条件，误差适配器的误差项作为未知项，满足一组复杂的矢量方程。通过解方程组求出误差适配器的所有12项误差。不同的校准件和校准方法满足不同的方程组，校准的类型决定了方程组的大小。
 对多端口测试系统来说，误差校正是整个解决方案的关键组成部分。基本的VNA校准程序可以校准被测路径中的所有系统误差。在多端口环境中，在特定被测信号路径之外的测试端口的负载匹配可能会导致明显的测量误差。测试端口数量越多，潜在的误差可能性越大，产生误差的程度与DUT端口之间的隔离度有关。现代的VNA可以校正所有由于测试端口性能不佳而导致的对整体测试性能的影响，而并不管具体是哪些端口位于测量通道中。这通常称为N端口校准，其中N是DUT和测试系统的端口数量。N端口校准提供了最佳的准确性，但代价是提高了扫描数量，增加了测试时间。

由于三端口测量系统和多端口测量系统的工作原理相同，因此多端口误差模型可由三端口误差模型推广得出，即每个端口都有如图6所示的四项传输反射误差参数，除此外不同端口间还有耦合的误差参数，如图5中的e21、e13等误差参数。

需要N端口校准的一个新应用就是测量高速数字网络设备背板上的物理层结构或连接器上的串扰，及互连电缆上多连接器间的串扰。例如，两条差分传输线在本质上相当于一个8端口器件，在测量远端串扰(FEXT)时，我们会在一对差分线的一端施加差分激励信号，在另外一对差分线的另一端测量差分响应。如果不使用N端口校准，那么在FEXT测量过程中没有用到的4个测试端口的负载匹配可能会导致相当大的误差。对于位于两条产生干扰的差分线对之间的受干扰的差分线，也需要进行类似的串扰测量。这些测量要求12端口测试系统和12端口校准。

为了改善测量时间，许多多端口器件在测试的时候通常会分成数个M端口的测量和M端口的校准来进行，其中M总结基于先进VNA的测试系统为测量当前无线通信、军用系统及网络设备物理层中使用的RF和微波元器件提供了核心测量引擎。在VNA内部配置两个信号源简化并加快了对放大器、混频器和变频器的测量速度，同时还能保证很高的测试精度。在测试放大器的时候，内置的这两个信号源可以用来测量S参数、增益压缩和谐波以及产生测量IMD所需的信号。在测试混频器和频率变换器件时，其中的一个信号源可以作为混频器或频率变换器件的输入信号，而另外一个信号源则可以当作本振信号，这样对器件进行一次连接就能同时完成固定本振测量和本振扫描测量。

结论

尽管4端口VNA现在十分常见，但更高的集成度正日益要求测试系统有8个以上的测试端口。通过把VNA与由开关、耦合器和额外的测试端口组成的外部测试端口扩展底座结合起来，可以简便地实现这一目标。通过采用N端口校准，VNA可以在多端口测试系统中得到其所期望的与使用两端口VNA进行测试时一样的高精度。