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矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)
要想學(xué)會(huì)測(cè)試, 首先要學(xué)會(huì)校準(zhǔn)! 對(duì)網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行大功率器件測(cè)量的設(shè)置進(jìn)行校準(zhǔn)有其特殊的難度。對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行改動(dòng)并加入預(yù)放大器會(huì)使校準(zhǔn)件工作在壓縮區(qū)域，甚至?xí)p壞校準(zhǔn)件; 在測(cè)量裝置中增加衰減器提高了測(cè)量系統(tǒng)處理大功率信號(hào)的能力，但是同時(shí)也導(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲。
把預(yù)放大器從測(cè)量系統(tǒng)中拿掉之后，或者在增加了激勵(lì)源衰減器的衰減量之后再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)或許會(huì)有利于避免有可能出現(xiàn)的對(duì)校準(zhǔn)件造成損壞的現(xiàn)象，但是這同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果的噪聲會(huì)比較大。如果預(yù)放大器和各個(gè)衰減器的位置是在射頻激勵(lì)源和參考耦合器之間的話(huà)，那么，在進(jìn)行完網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)之后，再把預(yù)放大器加入到測(cè)量系統(tǒng)之中，或者改變衰減器的衰減量都不會(huì)對(duì) S 參數(shù)和功率測(cè)量結(jié)果的精度造成影響，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)是 8 項(xiàng)誤差校準(zhǔn)。不過(guò)，激勵(lì)源的功率精度會(huì)受到影響。
如果在DUT 和網(wǎng)絡(luò)分析儀 的測(cè)量端口之間加入了阻抗調(diào)諧器，那么在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)之前必須先要把阻抗調(diào)諧器從測(cè)量系統(tǒng)中拿掉。阻抗調(diào)諧器所帶來(lái) 的影響需要使用其它的運(yùn)行于網(wǎng)絡(luò)分析儀之外的應(yīng)用軟件對(duì)阻抗調(diào)諧器的特性予以 表征，然后用去嵌入的方法把阻抗調(diào)諧器的影響從測(cè)量結(jié)果中去除，后再自動(dòng)進(jìn)行負(fù)載牽引的測(cè)量。
網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)包括三個(gè)部分: 矢量校準(zhǔn)，相位校準(zhǔn)和功率校準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)分析儀的自動(dòng)校準(zhǔn)引導(dǎo)程序會(huì)告訴用戶(hù)一步步地完成這些校準(zhǔn)。
矢量校準(zhǔn)
● 在進(jìn)行矢量校準(zhǔn)之前，用戶(hù)需要先設(shè)定校準(zhǔn)信號(hào)的功率。
● 在假設(shè)網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量裝置沒(méi)有做調(diào)整改動(dòng)的情況下，校準(zhǔn)信號(hào)功率的設(shè)定是 設(shè)定網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量端口上的信號(hào)的功率。任何接入到射頻信號(hào)路徑中的預(yù)放 大器和衰減器都會(huì)改變測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量端口上的信號(hào)的功率，在計(jì)算真正的校準(zhǔn)功率的時(shí)候必須要考慮到這一點(diǎn)。
● 當(dāng)使用電子校準(zhǔn)件(ECal)的時(shí)候，請(qǐng)謹(jǐn)記，如果校準(zhǔn)信號(hào)的功率低于-18dBm 的話(huà)，電子校準(zhǔn)件不能進(jìn)行“自適應(yīng)調(diào)整”。
● 當(dāng)使用SOLT 機(jī)械校準(zhǔn)件(N 型接頭、APC-7 型接頭、3.5 毫米接頭或2.4 毫米接頭) 進(jìn)行校準(zhǔn)的時(shí)候，由于負(fù)載校準(zhǔn)件所能承受的功率有限，大校準(zhǔn)功率在+27 dBm 到+33 dBm 之間。為了避免負(fù)載校準(zhǔn)件中產(chǎn)生過(guò)多的熱量，把校準(zhǔn)信號(hào)的功率控制在+20 dBm 以下。
● 當(dāng)使用沒(méi)有負(fù)載校準(zhǔn)件的TRL機(jī)械校準(zhǔn)件進(jìn)行校準(zhǔn)的時(shí)候，校準(zhǔn)信號(hào)的大 功率主要由導(dǎo)致校準(zhǔn)件損壞的信號(hào)的電壓和器件的發(fā)熱特性決定，因此不帶負(fù)載校準(zhǔn)件的TRL校準(zhǔn)件比起SOLT校準(zhǔn)件來(lái)可以用于更大功率的校準(zhǔn)信號(hào)。
相位校準(zhǔn)
NVNA測(cè)量需要在一個(gè)測(cè)量端口上使用相位參考校準(zhǔn)件進(jìn)行相位校準(zhǔn)。通常好是在網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量端口1 上進(jìn)行相位校準(zhǔn)，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)分析儀 的測(cè)量端口1 的測(cè)量接收機(jī)通常比測(cè)量端口3 的測(cè)量接收機(jī)對(duì)信號(hào)的衰減量要小，比較小的測(cè)量接收機(jī)的衰減直接導(dǎo)致比較好的相位校準(zhǔn)結(jié)果。
作為一般的經(jīng)驗(yàn)，相位參考校準(zhǔn)件輸出信號(hào)的功率至少應(yīng)該比測(cè)量接收機(jī)的底噪聲高出20 dB。對(duì)于26.5 GHz 的相位參考校準(zhǔn)件U9391C 來(lái)說(shuō)，它的頻率間隔為 10 MHz 的每個(gè)信號(hào)的輸出功率為-80 dBm。當(dāng)中頻帶寬為 10 Hz，在0.1 GHz 到20 GHz 的測(cè)量頻率范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)分析儀 N5242A 直接把測(cè)量信號(hào)接入測(cè)量接收機(jī)的工作模式下的底噪聲的典型值為-128 dBm; 如果在1 GHz的頻點(diǎn)上，測(cè)量接受機(jī)耦合器的耦合系數(shù)為15 dB 的話(huà)，這意味著耦合器和接收機(jī)之間的衰減器在 10 Hz 的中頻帶寬和 1 GHz 的頻點(diǎn)上對(duì)信號(hào)的衰減量應(yīng)該小于 23 dB。我們有幾種方法來(lái)處理接收機(jī)衰減器對(duì)信號(hào)造成大的衰減的情況:
● 增加取平均操作/ 計(jì)算的次數(shù)，降低噪聲;
● 提高驅(qū)動(dòng)相位參考校準(zhǔn)件的信號(hào)的頻率來(lái)提高它的輸出功率。例如，如果把驅(qū)動(dòng)相位參考校準(zhǔn)件的信號(hào)的頻率從10 MHz 提高到100 MHz，那么會(huì)使它的輸出功率提高 20 dB，相位參考校準(zhǔn)件輸出信號(hào)的功率變化和驅(qū)動(dòng)它的信號(hào)的頻率變化的關(guān)系是20log (信號(hào)頻率2/ 信號(hào)頻率1)。在實(shí)際測(cè)量中經(jīng)常用到的一個(gè)非常好的做法是: 盡可能地使用一個(gè)高頻率的信號(hào)驅(qū)動(dòng)相位參考校準(zhǔn)件，只要能同時(shí)保證它的頻譜成分落在所要測(cè)量的各個(gè)頻率上。
● 不對(duì)DUT的諧波分量進(jìn)行測(cè)量。如果我們不對(duì)DUT的諧波特性進(jìn)行表征的話(huà)， 那么我們就不需要用到相位參考校準(zhǔn)件的數(shù)據(jù)。請(qǐng)注意，即便是不對(duì)諧波分量進(jìn)行測(cè)量，我們?nèi)匀挥锌赡芴崛〕鲆恍┯杏玫腦 參數(shù)。例如，DUT 對(duì)供電電源的敏感性、壓縮特性、在基波頻率上DUT 的匹配特性等的測(cè)量結(jié)果仍然能夠形成對(duì)仿真很有用的器件的模型。
● 在完成NVNA 校準(zhǔn)的過(guò)程中拿掉測(cè)量端口1 的衰減器，在NVNA 校準(zhǔn)完成之后再把衰減器重新連接到測(cè)量的配置中，然后，對(duì)代表測(cè)量端口1 的測(cè)量裝置的變化的S2P 文件進(jìn)行去嵌入操作?？梢酝ㄟ^(guò)以下測(cè)量步驟得到這個(gè)S2P 文件:
○ 不使用衰減器在網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量端口1 和測(cè)量端口3 之間做2 端口矢量校準(zhǔn);
○ 把衰減器連接到網(wǎng)絡(luò)分析儀 的測(cè)量端口 1 的測(cè)量接收機(jī)上;
○ 在網(wǎng)絡(luò)分析儀 的測(cè)量端口 1 和測(cè)量端口 3 之間連接一個(gè)“零長(zhǎng)度”的直通件;
○ 對(duì)這個(gè)直通件進(jìn)行測(cè)量，把得到的S2P 文件存儲(chǔ)起來(lái)。
幅度校準(zhǔn)
在進(jìn)行NVNA 測(cè)量的時(shí)候，會(huì)用功率計(jì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)分析儀 的一個(gè)測(cè)量端口進(jìn)行幅度校準(zhǔn)，這會(huì)校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀 的測(cè)量接收機(jī)使之能夠進(jìn)行功率的測(cè)量，并且會(huì)校準(zhǔn)任何由于對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行調(diào)整和改變而造成的誤差。需要注意的是，這種幅度的校準(zhǔn)并不能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)分析儀 激勵(lì)源輸出信號(hào)的功率進(jìn)行校準(zhǔn)。進(jìn)行一次幅度校準(zhǔn)之后，網(wǎng)絡(luò)分析儀再設(shè)定信號(hào)的功率時(shí)會(huì)假設(shè)測(cè)量裝置沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何調(diào)整和改動(dòng)。
通常情況下，因?yàn)闇y(cè)量端口1 的射頻通路上的信號(hào)的功率會(huì)小，因此在端口 1 上做功率校準(zhǔn)經(jīng)常是選擇。
S參數(shù)的校準(zhǔn)和功率校準(zhǔn)在定義它們的校準(zhǔn)功率時(shí)所使用的方法是非常不 同的。在進(jìn)行S 參數(shù)校準(zhǔn)時(shí)，功率的值是在校準(zhǔn)功率的操作界面上設(shè)定的，在S參數(shù)校準(zhǔn)中，網(wǎng)絡(luò)分析儀在設(shè)定信號(hào)的功率時(shí)是假設(shè)測(cè)量裝置沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何的調(diào)整和改動(dòng)的。相比之下，在做功率校準(zhǔn)的時(shí)候，信號(hào)的功率大小是在功率計(jì)設(shè)置的操作界面上進(jìn)行的。在這個(gè)操作界面上，如果把信號(hào)功率的偏置量設(shè)為0 dB 的話(huà)，那么校準(zhǔn)功率會(huì)與S 參數(shù)校準(zhǔn)中所選擇的功率的大小是一樣的， 如果在功率校準(zhǔn)的操作界面上輸入一個(gè)非零的偏置值就會(huì)改變校準(zhǔn)功率。在功率校準(zhǔn)的過(guò)程擋住，網(wǎng)絡(luò)分析儀會(huì)對(duì)其輸出信號(hào)的功率進(jìn)行調(diào)整直到功率計(jì)測(cè)量到所規(guī)定的信號(hào)功率為止。因此，即便是網(wǎng)絡(luò)分析儀 的測(cè)量裝置經(jīng)過(guò)了調(diào)整和改變， 仍然能夠在DUT 的測(cè)量端口上設(shè)定并測(cè)量所規(guī)定的信號(hào)的功率。
結(jié)論
在用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量大功率器件時(shí)，需要保持一定程度的小心和謹(jǐn)慎以避免損壞矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、輔助測(cè)量器件，甚至是對(duì)被測(cè)器件本身的損壞。
● 在網(wǎng)絡(luò)分析儀的一些端口上大可允許的直流輸入電平為 0 伏，在配置了選件 H85 時(shí)更是要倍加小心，它的射頻測(cè)量端口能夠承受的直流電平就是 0 伏，如有可能，應(yīng)該使用交流耦合。
● 施加到網(wǎng)絡(luò)分析儀端口上的射頻信號(hào)的功率應(yīng)該比這些端口的射頻損壞功率至少 低 3 dB，在理想情況下應(yīng)該至少低 6 dB。
● 當(dāng)計(jì)算測(cè)量設(shè)置中某個(gè)點(diǎn)的信號(hào)的功率時(shí)，要確保您所計(jì)算的值是反應(yīng)了壞結(jié)果的情況。例如，如果兩個(gè) 0 dBm 的信號(hào)在相同的頻率上合并在一起， 在壞的情況下，終所得到的信號(hào)的功率可能是 +6 dBm。
● DUT和預(yù)放大器可能都會(huì)有具體的輸入和輸出匹配要求，在給這些放大器加 電之前要確保這些匹配條件能夠得到滿(mǎn)足以避免放大器產(chǎn)生振蕩。要對(duì)開(kāi)路工作條件倍加小心。
● DUT和預(yù)放大器可能會(huì)對(duì)加電的順序很敏感，通常會(huì)要求先要保證有正確的 源和負(fù)載匹配，然后在打開(kāi)給放大器供電的直流電源，后再施加射頻激勵(lì)信號(hào)。在打開(kāi)測(cè)量系統(tǒng)之前，您要確保您已經(jīng)很清楚地了解你所用的預(yù)放大器和所要測(cè)量的 DUT 的要求。
● 如果測(cè)量的設(shè)置會(huì)在大功率(將近+40 dBm) 上用到網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量端口的耦合器， 您要確保您的網(wǎng)絡(luò)分析儀 配置了選件 H85 (配置了H85 選件之后，網(wǎng)絡(luò)分析儀 內(nèi)部的直流偏置部件會(huì)被拿掉)，因?yàn)閷?dǎo)致直流偏置部件損壞的信號(hào)的功率只有+30dBm。
● 對(duì)網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行預(yù)置 (Preset) 會(huì)使網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出信號(hào)的功率恢復(fù)到預(yù)置的狀態(tài)，這可能會(huì)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)和DUT 造成損壞。您應(yīng)當(dāng)考慮存儲(chǔ)一個(gè)“用戶(hù)預(yù)置”狀態(tài)， 把信號(hào)的功率設(shè)定在比缺省預(yù)置狀態(tài)的信號(hào)的功率低的水平上。
● 在網(wǎng)絡(luò)分析儀完成了測(cè)量以后，網(wǎng)絡(luò)分析儀 的射頻激勵(lì)源仍然會(huì)處于打開(kāi)的狀態(tài)。在測(cè)量完成后立即把射頻激勵(lì)源關(guān)閉是很好的操作習(xí)慣，這樣會(huì)避免使DUT被 激勵(lì)過(guò)熱