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网络分析仪测量不确定度分析

射频百花潭2019-08-04 15:45:57

1 引言


为了表述微波元器件的电路特性,通常采用矢量网络分析仪(Vector Network Analyzer, VNA)测试高频器件、电路及系统的性能参数,它是目前微波领域使用最广泛的测量仪器。微波矢量网络分析仪可以对滤波器、放大器、隔离器、天线、电缆等微波毫米波器件进行测试测量,在科研及生产过程中具有非常重要的作用。




2 不确定度简析


随着通信技术的进一步发展,人们对矢量网络分析仪测量结果准确性的要求越来越高,因此,需要准确描述矢量网络分析仪测试精度。在矢量网络分析仪的实际应用中,测量装置各部件特性的非理想性、校准件特性的非理想性、测试端口连接、电缆弯曲的不一致性等因素都会导致测量结果出现误差。如何计算矢量网络分析仪测量不确定度从而评价矢量网络分析仪的性能和测量结果的质量是值得研究的一个课题。在矢量网络分析仪中,不确定度主要表现为进行校准后测量被测器件时导致的传输测量值与反射测量值的幅度不确定性与相位不确定性。

 

影响不确定度的因素有很多,通过对矢量网络分析仪的组成与测量原理进行分析,将其测量不确定度主要归纳为以下两大类:


与随机误差相关的不确定度包含:


1)有效系统数据的温度漂移导致的不确定度;

2)随机噪声导致的不确定度;

3)电缆弯曲程度变化导致的不确定度;

4)重复性误差导致的不确定度;

5)网络分析仪的非线性特性导致的不确定度。


与系统误差相关的不确定度包括:


1)校准后剩余方向性导致的不确定度;

2)校准后剩余负载匹配导致的不确定度;

3)校准后源失配配导致的不确定度;

4)整机串扰导致的测量不确定度。


值得指出的是,随机误差是不可预测的,无法通过校准消除,但是可以采用分级衰减器、缩小中频带宽、多次测量取平均值等方法使其减小。


3 不确定度构成因素


下面具体分析整机的不确定度构成:


影响系统不确定度的因素主要包括:


1)剩余系统误差。主要包括定向耦合器的方向性误差、等效负载匹配误差、等效源匹配误差、整机串扰误差等。利用矢量网络分析仪进行散射参数校准时,由于实际校准件并非完全理想,必然会造成剩余响应误差,从而导致测量值偏离其真值,将对散射参数的测量结果引入不确定度。


2)非线性系统误差。在对不同器件电路的测试中,接收机会工作于高电平状态或低电平状态。当测试大功率信号时,接收机处于高电平状态,此时,接收机的非线性行为必然会导致非线性系统误差,进而对测量结果引入不确定度。上述两项误差除了直接造成测量结果的不确定性之外,还决定着其它各种单项不确定度在系统中的传递关系。

 

与测量不确定度密切相关的随机性因素主要包括:

 

3)接收机基底噪声。虽然可通过采用较窄的中频带宽、多次测量平均处理、增大信号功率等手段可以使其影响减弱,但终究无法彻底消除,因此必将导致散射参数测量值的不确定度。


4)接头的重复性与线缆的稳定性。当每次连接矢量网络分析仪与待测件时,扭力扳手的不当使用和接头磨损等因素都将造成连接的不一致性,从而对测量结果引入了不确定度。类似地,每次连接时线缆的弯曲程度也将影响测量结果,反映在传输系数的不确定度。由于这两种因素主要由人为操作的偏差造成,因而归为一类。


5)信号源和接收机的不稳定性。信号源的输出总会存在一定的不稳定性,反映在输出信号的幅度、相位的随机起伏,同样会引起散射参数测量值的不确定度。

 

一般而言,工作环境(如温度)变化也会引起测量结果的起伏,这类误差与非线性特性导致的系统误差通常反映在剩余系统误差和接收机的基底噪声以及源和接收机的不稳定性随这些因素的改变上,无需在不确定度模型中直接给出。

 

不确定度模型也可看作是全误差模型,是矢量网络分析仪校准和不确定度计算的基础。误差模型的类型以及所包含误差项的数量取决于:


1) 矢量网络分析仪的硬件拓扑结构;

2) 矢量网络分析仪的端口数和测量接收机的数量;

3) 所要求的测量精度。


对三通道或四通道二端口矢量网络分析仪,考虑所有的系统误差项,我们建立经典的12 项系统误差模型,前向模型和后向模型均包含有6 个误差项。

 

利用矢量网络分析仪进行散射参数测量时,一般需要构造出间接测量的误差模型,这类模型不仅是校准和误差修正的基础,也是分析不确定度传播规律的关键。不同之处在于:校准与误差修正只考虑系统误差,而评估散射参数不确定度时,要同时考虑系统误差和随机误差对测量结果的影响。因此,建立一个科学合理的不确定度模型是分析矢量网络分析仪散射参数不确定度传播规律的根本,这样的模型要尽可能全面地反映实际测量过程中误差和不确定度的传播规律。

 

当提取出矢量网络分析仪的各单项误差后,通过计算就可以得到整机的测量不确定度。而各单项误差一般可以通过矢量网络分析仪的详细指标规范来获得。下图是通过计算得到的矢量网络分析仪的传输不确定度和反射不确定度。


传输不确定度


反射不确定度

 

4 结论


本文通过对矢量网络分析仪不确定度的构成元素及合成机理进行详细分析研究,建立了整机测量不确定度计算模型,并绘制出一款矢量网络分析仪的传输不确定度及反射不确定度。通过矢量网络分析仪进行测试验证,所计算的测量不确定度与实际测试结果能够较好的吻合。

 

作者:刘敬坤   中电41所




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