矢量网络分析仪反射测量误差分析与修正

赵苏宇，朱伟

（中电科仪器仪表有限公司，山东青岛，266555）

0 引言

矢量网络分析仪是射频微波领域科研、生产、日常维护最为常用的仪器之一，可以进行被测件正反向S参数的测试，手持式单端口矢量网络分析仪是其中一种产品形态。单端口矢量网络分析仪主要进行反射测量，如回波损耗、驻波比等，同时具有故障点定位等功能，是无线通信领域最常用的测量维护仪表，可利用其故障定位-驻波比或故障定位-回波损耗功能对细小的问题进行精确定位，从而快速定位故障位置帮助快速排除故障，同时能够测试元器件和组件的幅度特性和相位特性，有助于技术人员全面了解其特性，已被广泛应用于通信、导航、国防等各个领域。

矢量网络分析仪得到的测量结果并不是被测件的真实特性，而是包含了测量误差。进行误差修正有助于提高测量的精度，得到更接近被测件真实特性的结果[1-2]。本文首先介绍信号分离电路在单端口矢量网络分析仪反射测量中的作用，分析其导致方向性误差的原因，以及它对反射测量结果的影响，同时给出了误差修正的方法。文章最后对误差修正前后某型手持式矢量网络分析仪的测量精度进行了对比。

1 信号分离电路作用

在测量一个被测件的阻抗匹配程度（驻波比或者回波损耗）的时候，需要将入射信号与反射信号进行分离。这部分功能由信号分离电路实现，同时测试的精确性取决于信号分离电路的方向性。方向性被定义为有用的反射信号上泄漏的入射信号的比值。泄漏的信号越低，方向性指标越高，同时反射测量的精确度也越高。信号分离电路分为两种类型：方向性电桥（集中参数元件）和定向耦合器（分布参数电路）[3-4]。

电桥的工作原理如图1所示：当测试端口接以理想的Z0负载时，电桥处于平衡状态，检波器测到的电压为0，这表明不存在反射波。当测试端口开路，这时检波器端将接收到一半的源电压，表明有一个大的反射存在。当测试端口短路，检波器仍接收到一半的源电压，但极性相反。

图1 电桥工作原理

在微波频率，常用定向耦合器来分离行波。定向耦合器可提供与定向电桥相同的基本功能，但采用的是波导技术来分离行波。耦合器的方向性是通过传输线的间距和电长度来决定的，它的优点是插入损耗非常低，从而可以提供更大的动态范围。其工作原理如图2所示。

图2 定向耦合器原理

本文提到的某型手持式矢量网络分析仪信号分离电路采用的是定型耦合器方案。

2 误差产生原因及对测量的影响

定向耦合器可用来分离沿传输线的或在被测器件端口的入射信号或反射信号。在理想情况下，耦合器只测量所关心方向行进的波而不管任何其他方向行进的波，但是实际上在所关心的方向行进的信号中往往包含有其他不需要的分量。

在反射测量中，系统方向性误差就是由于信号分离电路并非完全理想，从而引进的测量误差。定向耦合器耦合端除了被测件反射产生的信号，还有其它出现在耦合端的信号。方向性决定了反射测量中回波损耗的测量范围，因此测量低反射器件需要更高的方向性指标[5-6]。

反射测量时，信号的流向如图3所示，在定向耦合器的耦合端口S11A是被测件反射的信号，是理想的被测信号。但实际的定向耦合器并不理想，一小部分信号在经被测件反射之前便泄漏到了耦合端口。这样，耦合端口的信号中包含有泄漏过去的非理想信号，从而给被测件的反射测量引入了误差。

图3 信号分离电路的非理想情况

从被测件反射的信号表示为Er，从定向器件来的非理想的信号表示为Edir，当Er和Edir以电压表示时，可以通过公式E2/R得到功率值。如图4所示，驻波比测量结果为被测件实际反射信号Er与泄漏的信号Edir的矢量和。

图4 反射测量实际测量结果

在扫频时，Er和Edir两个矢量信号随着相位关系不同会产生相加和相减效果，被测件的方向性随着频率不同而变化，导致测量不确定度是随机的。Er幅度与Edir幅度越接近，峰峰值越大，测量不确定度越高。测试结果的最大和最小值产生于相对相位在0度和180度情况下。两个幅度相同、相位相同的信号叠加，电压向量将翻倍，在回波损耗中这会转化为6dB。当幅度相同、信号相位差为180度时，结果将是0V，也就是测量反射信号时视为没有信号返回，被测件表现为完全匹配，可见泄漏的非理想信号会带来极大的测量误差。

3 反射测量误差修正方法

系统误差是矢量网络分析仪测试不确定度的主要来源，而在一个稳定的测量环境中这些影响是稳定的和重复的，因而也是可表征的。误差修正能减小测试中的系统误差，从而提高测量精度。在反射测量中，最常用的校准方式是单端口校准。单端口校准采用短路器、开路器和负载等标准件对系统的方向性、源匹配和反射跟踪进行有效的修正，测试精度较高。单端口误差模型如图5所示。

图5 单端口误差模型

通过图示的单端口误差模型可以解出反射系数的测量值为：

其中：ГM：测量的反射系数

Г：实际的反射系数

e00：方向性误差

e11：源匹配误差

e10e01：频率响应误差

从以上公式可以看出，ГM除了与实际的反射系数Г有关，还是e00、e11、e10e01的函数，如果已知三个实际的反射系数Г并测量三种情况下的ГM，则可以消除以上的误差系数。通常我们采用OSL法来求出这三项误差系数，OSL法即是通过分别测量特性已知的开路器、短路器、负载等标准件的方法来消除以上误差系数。

开路器、短路器、匹配负载的反射系数分别为1、-1、0，代入公式（1）可得：

由（3）、（4）、（5）式就可以求解出 e00、e11、△ e。单端口误差修正的过程为：当实际测量被测件时，将解出的e00、e11、△e以及测量值ГM代入方程（1）中，即可得到被测件的实际反射系数Г。

通过单端口误差修正，可以大大提高系统的方向性指标，经测试，校准前，仪器的方向性为30dB左右，进行单端口校准即误差修正后，仪器全频段的方向性可以达到50dB左右。

4 结束语

本文介绍了定型耦合器在反射测量中的作用，分析了其导致方向性误差的原因：耦合端出现的信号中包含有泄漏过去的非理想信号，从而给被测件的反射测量引入了误差，分析了方向性误差对反射测量结果的影响。本文最后给出了单端口误差模型以及误差修正的方法，在某型手持式矢量网络分析仪中，经过校准，整机的有效方向性可以从30dB提高到50dB左右。当测量回波损耗为20dB的被测件时，测量准确度可以从校准前的±2dB以上减小到±0.3dB以内。