PNA，ZVA系列矢網(wǎng)在多參數(shù)計量方面溯源探討

王成，李凱峰，宋曉嬋，余國軍

(中國人民解放軍61236部隊，北京100094)

0 引言

高性能的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀具有越來越強大的測試功能，覆蓋測試參數(shù)越來越廣，在計量領(lǐng)域具有出色性能，但是對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀全面計量參數(shù)溯源的國家標準和軍用標準尚未出臺。目前，按照JJG(電子)07009-91《HP-3577A型網(wǎng)絡(luò)分析儀試行檢定規(guī)程》、JJG(郵電)016-1992《標量網(wǎng)絡(luò)分析儀檢定規(guī)程》、GJB/J 3608-99《自動網(wǎng)絡(luò)分析儀檢定規(guī)程》開展矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的檢定校準時，只對4個S參數(shù)中S11模(電壓駐波比)、S21模(衰減量)、S21相角(傳輸相移)進行檢定，經(jīng)溯源后的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以開展S參數(shù)的檢定和校準，可以直接對S參數(shù)標準器組和微波器件的傳輸特性(S參數(shù)S21和S12、增益、相位、群時延、傳輸系數(shù)等)和反射特性(S參數(shù)S11和S22、電壓駐波比、反射系數(shù)、阻抗、反射損耗等)進行計量，這是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀最基本的測試能力。但在諧波、增益壓縮、互調(diào)失真(IMD，Interference Modulation Distortion)、噪聲系數(shù)(NF，Noise Figure)、非線性參數(shù)以及變頻器件特性測試方面，尚不能夠滿足計量溯源要求。而不論按照JJF1033-2008《計量標準考核規(guī)范》，還是按照GJB2749A-2009《軍事計量測量標準建立與保持通用要求》建立計量標準，開展計量校準工作，都要求標準設(shè)備首先進行計量溯源。

隨著測量儀器技術(shù)的發(fā)展，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在多參數(shù)測試方面，除完成傳統(tǒng)S參數(shù)測試外，在以上各參數(shù)測試領(lǐng)域具有越來越出色的性能和優(yōu)勢。探討矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在這些方面的溯源方法，尋求這些參數(shù)的計量途徑，讓高性能的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在計量領(lǐng)域全面發(fā)揮測試優(yōu)勢，具有十分重要的現(xiàn)實意義和理論價值。

1 公司PNA系列、ZVA系列矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

Agilent公司的PNA系列，特別是PNA-X系列，R/S公司的ZVA系列矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，是目前業(yè)界公認的性能最出色的微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，在S參數(shù)、增益壓縮、交調(diào)失真/諧波失真、噪聲系數(shù)測試方面性能卓著，選配2端口、4端口或者更多端口，內(nèi)置2個或者4個激勵源，搭配8部以上接收機，同時支持放大器類、變頻器類設(shè)備全面指標的測試。單臺機器最高頻率可達67 GHz，通過外置諧波混頻器可擴展至500 GHz。它們不再是一臺單純的網(wǎng)絡(luò)分析儀，而是一個平臺或者說是測試系統(tǒng)，只要在這個平臺的基礎(chǔ)上增加選件就可以輕松實現(xiàn)以往通常需要組合使用獨立的信號發(fā)生器、頻譜分析儀和噪聲系數(shù)分析儀等儀器才能完成的功能。一系列強大的校準技術(shù)和器件，使得矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在易用性和精度上比傳統(tǒng)儀器具有絕對的優(yōu)勢［1-2］。

2 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀S參數(shù)和校準件溯源

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀S參數(shù)和校準件的校準溯源體系現(xiàn)在已相對成熟，國內(nèi)目前同軸S參數(shù)標準裝置頻率上限可以達到67 GHz，波導標準頻率更高。各級計量機構(gòu)都建立有S參數(shù)標準裝置，可以開展對S11模(電壓駐波比)、S21模(衰減量)、S21相角(傳輸相移)的校準檢定。關(guān)于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀S參數(shù)溯源與計量的文獻和資料也很多，這里不做詳細討論。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行S參數(shù)溯源校準后，如果開展增益壓縮、互調(diào)失真、噪聲系數(shù)、混頻電路等測試，還需要做進一步的校準溯源。這里嘗試分別開展矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)置激勵源和測量接收機的溯源校準［3-4］。PNA，ZVA系列矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通常內(nèi)置雙激勵源，每個端口有兩個接收機，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀雙激勵源、4個接收機

3 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀激勵源溯源

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀激勵源的溯源可以參照信號發(fā)生器部分量值校準溯源的要求，頻率參數(shù)可以溯源到時間頻率標準，功率參數(shù)、頻譜參數(shù)等可以溯源到信號發(fā)生器檢定裝置，相位噪聲參數(shù)可以溯源到相位噪聲標準裝置。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行S參數(shù)測試，得到的是各端口信號電壓的比值，是相對量，所以傳統(tǒng)S參數(shù)測試不需要功率校準。高性能的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通過功率計校準以后，絕對電平精度可以達到很高的水平。

3.1 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀激勵源頻率范圍、頻率準確度、相位噪聲溯源

測量矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)定頻率與實際輸出頻率偏差，得出整個工作頻率范圍內(nèi)的頻率準確度，頻率計量可以溯源到時間頻率基標準，相位噪聲參數(shù)可以溯源到相位噪聲標準。依據(jù)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀指標，可以選用時間頻率標準和相位噪聲標準等，如圖2所示。

圖2 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀激勵源頻率溯源圖

3.2 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀激勵源功率參數(shù)、頻譜參數(shù)溯源

功率參數(shù)主要測量矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀激勵源最大輸出功率、輸出功率設(shè)定值與實際輸出功率的偏差(輸出功率精度)，以及在功率掃描范圍內(nèi)的輸出功率電平線性度;頻譜參數(shù)主要測量矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀激勵源的頻譜純度(諧波特性等)。可以溯源到信號發(fā)生器檢定裝置，采用測量接收機可以對這些參數(shù)進行校準溯源，溯源圖如圖3所示。

圖3 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀激勵源功率、頻譜溯源圖

4 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機溯源

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機主要從噪聲電平、功率測量、接收機線性度等參數(shù)開展溯源，可以溯源到頻譜儀標準、測量接收機標準、衰減標準等。

4.1 噪聲電平、功率測量溯源

對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的噪聲電平溯源一般分為掃跡噪聲和本底噪聲，掃跡噪聲校準旨在測量被校矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在指定測量設(shè)置下的掃跡噪聲;本底噪聲旨在測量被校矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在測試端口沒有輸入測試信號時的噪聲背景，測量接收機標準可以開展噪聲電平的溯源［3］。

功率測量目的是檢驗矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機功率參數(shù)方面測量不確定度、功率測量范圍等，接收機頻響、帶寬、頻率抑制的校準檢定可以參照頻譜分析儀檢定校準方式，溯源圖如圖4所示。

圖4 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機噪聲電平溯源圖

4.2 接收機線性度溯源

接收機線性度測量目的是校準矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機模值測量的非線性度。大信號輸入時非線性度主要由接收機內(nèi)混頻器等變頻器件的非線性決定，較小信號時非線性度主要由接收機內(nèi)放大器和衰減器等量程變換器件的非線性決定，非常小的信號非線性度主要由本底噪聲和系統(tǒng)漂移等因素決定［3］。接收機線性度校準可以溯源到衰減標準，溯源圖如圖5所示。

圖5 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機線性度溯源

除此之外，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀端口匹配測量可以依據(jù)自身S參數(shù)測試能力，直流電壓測量方面可以溯源到電磁學領(lǐng)域。

5 功率計、噪聲源溯源

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在測試增益壓縮、互調(diào)失真、噪聲系數(shù)等參數(shù)時，除需要矢網(wǎng)校準器件(電子校準件和機械校準件)進行S參數(shù)校準外，還需要功率計或噪聲源進行功率校準，校準后的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀激勵源可以有很高的精度，因為利用阻抗調(diào)諧功能可以消除端口失配的影響，各公司的噪聲源和功率計在噪聲和功率校準方面也具有很好的性能。例如在利用PNA-X測試噪聲系數(shù)時，可以使用噪聲源或功率計進行校準，兩者精度相當，在較高頻率時采用功率計校準測量精度高于采用噪聲源。

目前，利用S參數(shù)標準裝置可以開展矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準件的計量溯源。在功率計和噪聲源選用方面，Agilent公司PNA系列矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀支持346系列噪聲源(暫不支持N4000系列)和Agilent公司系列的功率計;R/S公司支持本公司NRP-Z系列功率計。在溯源方面，功率計可以溯源到功率標準裝置，開展對功率敏感器校準系數(shù)的檢定;噪聲源可以溯源到微波噪聲標準中，通過測量Y系數(shù)計算超噪比進行校準或檢定，溯源圖如圖6所示。

圖6 功率計、噪聲源溯源圖

6 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量不確定度分析

測量不確定度在計量領(lǐng)域具有十分重要的作用，體現(xiàn)了各級溯源單位能力的強弱，測量結(jié)果的不確定度還將影響對委托方被測件進行合格判定的風險程度，因此有必要研究利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行計量校準的不確定度分析。

6.1 S參數(shù)測試

S參數(shù)可以測試微波器件或微波系統(tǒng)傳輸特性(包含衰減和增益、相位、群延時等)和反射特性(包含反射系數(shù)、反射損耗、電壓駐波比等)。S參數(shù)測試過程中系統(tǒng)誤差可以通過校準進行修正，由于校準件及校準模型的不完善，存在殘余誤差，稱為有效誤差，有效誤差影響矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量結(jié)果。有效方向性，有效源匹配，有效反射頻響，有效傳輸頻響，有效負載端匹配，有效隔離度，跡線噪聲等來源影響矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量不確定度［4-5］。S參數(shù)測量不確定度分量一般有:

1)標準器不準引入的不確定度分量;

2)剩余系統(tǒng)誤差引入的不確定度分量，方程式分別為［6］

3)失配引入的不確定度分量;

4)測量重復性引入的不確定度分量。

6.2 增益壓縮測試

增益壓縮是器件由線性工作區(qū)域向非線性工作區(qū)域轉(zhuǎn)化的體現(xiàn)，常見的有1 dB壓縮點測試。隨著微波技術(shù)的發(fā)展，一些領(lǐng)域為節(jié)省器件的成本，使之工作在非線性區(qū)域已經(jīng)是較普遍情況，比如工作在非線性區(qū)域的大功率放大器。在增益壓縮測試方面，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀具有優(yōu)勢，支持針對每個功率點掃頻率和針對每個頻率點掃功率兩種方式，可以測試1 dB或xdB壓縮點，能夠同時測量線性增益和壓縮增益、壓縮點處的輸入和輸出功率、線性相位隨頻率的偏移，將增益壓縮與頻率對應(yīng)關(guān)系直觀顯示出來。

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試增益壓縮的不確定度分量:

1)S參數(shù)測量的不確定度分量;

2)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出功率線性度或功率絕對精度引入的不確定度分量;

3)前置放大器和接收端衰減器的頻率響應(yīng)和漂移誤差帶來的不確定度分量;

4)接收機的壓縮程度和接收機溫度的漂移引入的不確定度分量;

5)測量重復性引入的不確定度分量。

其中頻率響應(yīng)是增益壓縮測量中主要的誤差，進行直通響應(yīng)測量校準能顯著減小這個誤差。

6.3 互調(diào)失真(IMD)測試

互調(diào)失真測量需要兩個激勵源，PNA、ZVA系列矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)置高性能雙激勵源，無需任何外置設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)互調(diào)失真/諧波失真測量，在測試精度和測量速度上具有明顯優(yōu)勢，可以同時測試IM頻譜、IIP3，OIP3，IM3等參數(shù)。

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試互調(diào)失真的不確定度分量:

1)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀信號源諧波特性引入的不確定度分量;

2)被測件連接失配引入的測量不確定度;

3)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機線性工作特性引入的不確定度分量;

4)測量重復性引入的不確定度分量。

6.4 噪聲系數(shù)測試

目前對噪聲系數(shù)測試主要有兩種方法:基于噪聲系數(shù)分析儀或頻譜儀的Y系數(shù)法(也稱冷/熱噪聲源)和基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的冷源法［7］。冷源法中通過阻抗調(diào)諧能夠很大程度上減少失配帶來的誤差，精度高于Y系數(shù)法，未來很可能成為噪聲系數(shù)測試的主角。Agilent公司PNA-X矢網(wǎng)采用電子校準件作為阻抗Tuner，通過網(wǎng)絡(luò)儀前面板跳線連接到端口1的前面，如圖7所示。

圖7 阻抗Tuner連接圖

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試噪聲系數(shù)的不確定度分量:

1)S參數(shù)測量的不確定度分量;

2)功率探頭的不確定度分量;

3)噪聲校準的抖動引入的不確定度分量;

4)噪聲測量的抖動引入的不確定度分量;

5)噪聲接收機的壓縮程度和噪聲接收機溫度的漂移引入的不確定度分量;

6)測量重復性引入的不確定度分量。

其中最大的誤差來源是S21的測量不確定度。使用Y系數(shù)法主要誤差來源是噪聲源與被測件之間的失配。

Agilent公司和R/S公司都提供了噪聲系數(shù)測量不確定度分析軟件，給出測試結(jié)果的同時，也給出測量結(jié)果不確定度分析。

6.5 混頻電路測試

PNA，ZVA系列矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀具備混頻電路測試能力，在混頻電路測試時，內(nèi)置第二個激勵源提供被測混頻器的本振激勵，能夠完成對混頻電路傳輸、反射和隔離參數(shù)的測試，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀混頻器矢量校準技術(shù)支持對混頻器變頻傳輸特性絕對時延和幅頻參數(shù)的測試，實現(xiàn)對混頻電路完整的測試功能。

混頻器測試，輸入輸出不同頻，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用先進的矢量校準技術(shù)以提高測試的精度，端口校準消除端口的失配、方向性及反射頻響誤差的校準，矢量校準消除參考混頻器引起的頻響誤差。對混頻電路測試，S參數(shù)(除群時延、相位)、增益壓縮、互調(diào)失真、噪聲系數(shù)測試，測量不確定度分析參照輸入輸出同頻設(shè)備的情況。群時延和相位測試需要進行矢量校準，可以采用參考混頻器、校準混頻器與被測混頻器并連配置方案，或者采用相位參考件(梳妝波發(fā)生器)，而無論采用何種方式，都需要考慮校準后的參考混頻器、校準混頻器或者相位參考件的頻響誤差，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀經(jīng)校準后各頻點之間的殘余線性相位關(guān)系也是引起測量不確定度的因素。

7 結(jié)束語

新一代的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀除了S參數(shù)測試功能外，還具有增益壓縮、互調(diào)失真、噪聲系數(shù)、混頻測試等能力，探討矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在這些方面的溯源途徑，將促進矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在計量領(lǐng)域得以更好應(yīng)用。測量不確定在計量工作中具有重要作用，分析矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量不確定度，有助于更好地進行計量溯源量傳。

［1］PNA Series Network Analyzer Help［Z］.Agilent Technologies.

［2］ZVA Series Network Analyzer Help［Z］.Rohde＆Schwarz Technologies.

［3］劉欣萌.網(wǎng)絡(luò)分析儀校準技術(shù)培訓［Z］.北京:中國計量科學研究院信息電子所.

［4］北京無線電計量測試研究所.微波S參數(shù)計量培訓教材［Z］.

［5］Gerd Wübbeler，Clemens Elster，Thomas Reichel.Determination of the Complex Residual Error Parameters of a Calibrated One-Port Vector Network Analyzer［J］.IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT，2009，58(9):3238-3244.

［6］陳濤.矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準誤差分析［J］.微波學報，2010(8):592-594.

［7］劉迪.基于Y因子法和冷源法測量噪聲系數(shù)的比較［Z］.Agilent Technologies.2013.