在我們質(zhì)樸的思維理解中，無源器件的插損S21無論如何都應(yīng)該是負(fù)值，可為什么有人說，他測(cè)的插損居然出現(xiàn)了正值？無源器件居然出現(xiàn)了增益？這又是為什么呢？

其實(shí)常規(guī)的無源器件的插損，那肯定是負(fù)值；這里出現(xiàn)的正值，或者增益，其實(shí)是小插損器件的測(cè)量誤差。那本文的重點(diǎn)，就是介紹一下矢網(wǎng)的系統(tǒng)誤差以及誤差的來源。

1、誤差來源

所有的測(cè)量(包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試系統(tǒng))都包含三類測(cè)量誤差:系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差、漂移誤差。大多數(shù)誤差來源于系統(tǒng)誤差，系統(tǒng)誤差是由測(cè)試設(shè)備和測(cè)試裝置的不完善所引起的。若這些誤差不隨時(shí)間變化，則它們可以通過校準(zhǔn)來表征，且可以在測(cè)量過程中用數(shù)學(xué)處理方式予以消除。網(wǎng)絡(luò)測(cè)量中所涉及的系統(tǒng)誤差與信號(hào)泄漏、信號(hào)反射和頻率響應(yīng)有關(guān)。即被測(cè)件的不匹配和泄漏、測(cè)試信號(hào)通道和參考信號(hào)通道的隔離、系統(tǒng)頻率響應(yīng)造成的重復(fù)性誤差，這些誤差是可以通過校準(zhǔn)消除的，校準(zhǔn)后的指標(biāo)反映了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量精度。隨機(jī)誤差以隨機(jī)方式隨時(shí)間變化，由于其不可預(yù)測(cè)，所以不可通過校準(zhǔn)來消除。對(duì)隨機(jī)誤差起主要影響的因素是儀器噪聲(如取樣器和中頻本底噪聲)、開關(guān)和連接器的重復(fù)性。漂移誤差包括頻漂、溫漂和測(cè)試裝置校準(zhǔn)和測(cè)量中的其他物理變化，測(cè)量穩(wěn)定性主要來源于漂移誤差，由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的初始指標(biāo)、校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件的性能和誤差修正模式?jīng)Q定。

2、系統(tǒng)誤差

系統(tǒng)誤差是由于分析儀硬件特性的不理想引起的，這種誤差是可重復(fù)的(因此可以預(yù)測(cè))，并假 設(shè)不隨時(shí)間改變。通過校準(zhǔn)可以確定系統(tǒng)誤差，測(cè)量時(shí)通過數(shù)學(xué)計(jì)算來消除這些誤差。

系統(tǒng)誤差并不能完全消除，由于校準(zhǔn)過程的局限性，總有一些殘留誤差，校準(zhǔn)后的殘留系統(tǒng)誤差主要來自：

·校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的不理想

·連接器連接

·互連電纜

·儀器本身

所有的測(cè)量都受動(dòng)態(tài)精度和頻率誤差的影響，對(duì)于反射測(cè)量，有關(guān)的殘留誤差為：

·有效方向性

·有效源匹配

·有效反射跟蹤

對(duì)于傳輸測(cè)量，相關(guān)的殘留誤差為：

·串?dāng)_

·有效負(fù)載匹配

·有效傳輸跟蹤

Part.1

方向性誤差

分析儀用定向耦合器或電橋來做反射測(cè)量，理想耦合器的耦合端只有反射信號(hào)輸出到接收機(jī)進(jìn)行測(cè)量。

圖1 方向性

實(shí)際上，將有少量的入射信號(hào)通過耦合器的主路泄漏到耦合端口，這會(huì)在測(cè)量時(shí)引起方向性誤差，分析儀通過如下方法確定和減小方向性誤差：

·在校準(zhǔn)時(shí)，將負(fù)載連接到測(cè)量端口，并認(rèn)為負(fù)載端口不發(fā)生反射。

·耦合端口的輸出信號(hào)就是泄漏的誤差信號(hào)。

·在反射測(cè)量時(shí)減去方向性誤差信號(hào)。

方向性誤差是反射測(cè)量中產(chǎn)生測(cè)量不確定度的主要因素，尤其對(duì)于反射較小的器件測(cè)量是主要的誤差來源。

Part.2

串?dāng)_誤差

理想情況下，只有通過被測(cè)件的傳輸信號(hào)到達(dá)接收機(jī)，實(shí)際上有少量的信號(hào)通過分析儀中校準(zhǔn)測(cè)量誤差的其它路徑到達(dá)接收機(jī)，這部分信號(hào)稱為串?dāng)_信號(hào)，分析儀通過如下方法確定和減小串?dāng)_誤差：

·校準(zhǔn)時(shí)在端口 1 和端口 2 同時(shí)連接負(fù)載。

·測(cè)量接收機(jī)中測(cè)量的信號(hào)就是分析儀內(nèi)的泄漏信號(hào)。

·在傳輸測(cè)量時(shí)誤差修正去除串?dāng)_誤差。

串?dāng)_誤差取決于待測(cè)件的特性。串?dāng)_會(huì)給高損傳輸測(cè)量帶來誤差，但對(duì)大多數(shù)測(cè)量來說，串?dāng)_影響是很小的。對(duì)于測(cè)量大動(dòng)態(tài)范圍的器件，通過隔離校準(zhǔn)可以提高測(cè)量精度。

Part.3

源匹配誤差

理想情況下在反射測(cè)量時(shí)，測(cè)量接收機(jī)接收從被測(cè)件反射回的所有信號(hào)，實(shí)際上，從被測(cè)件反射回來的一部分信號(hào)又被測(cè)量端口反射回被測(cè)件，這部分信號(hào)測(cè)量接收機(jī)是測(cè)量不到的，這會(huì)引起源匹配誤差。

圖2 源匹配

在傳輸測(cè)量中，源匹配愈大，誤差愈??；而由源匹配引起的誤差，是反射測(cè)量和傳輸測(cè)量不確定因素之一。分析儀通過如下方法確定和減小源匹配誤差：

·校準(zhǔn)時(shí)將短路器連接到測(cè)量端口，接收機(jī)測(cè)量來自短路器反射的信號(hào)，將測(cè)量值保存到分析儀里。

·將開路器連接到端口，接收機(jī)測(cè)量來自開路器反射的信號(hào)，將測(cè)量值保存到分析儀里。

·分析儀將測(cè)量值和開路器、短路器的已知值進(jìn)行比較，確定源匹配誤差項(xiàng)。

·在進(jìn)行反射和傳輸測(cè)量時(shí)通過誤差修正去除源匹配誤差。

Part.4

負(fù)載匹配誤差

理想的傳輸測(cè)量，測(cè)量接收機(jī)接收通過被測(cè)件的傳輸信號(hào)，實(shí)際上，有一部分信號(hào)被測(cè)試端口反射而無法測(cè)量，這就會(huì)引起負(fù)載匹配誤差；這是由于被測(cè)件的輸出端口和測(cè)試系統(tǒng)的端口2的租了不匹配導(dǎo)致的。如被測(cè)件插損小，則由2端口反射的信號(hào)和由源再次反射的信號(hào)會(huì)造成很大的誤差，因?yàn)榉瓷湫盘?hào)經(jīng)過被測(cè)件時(shí)，衰減很小。當(dāng)待測(cè)件的插損＞6dB時(shí)，源匹配和負(fù)載匹配通常可以忽略了，因?yàn)檎`差信號(hào)每次通過待測(cè)件時(shí)都衰減了很多。然而，在傳輸測(cè)量中，對(duì)于高反射輸出端口和小插損的元件來說，負(fù)載匹配是主要的誤差來源。

圖3 負(fù)載匹配

分析儀通過如下方法確定和減小負(fù)載匹配誤差：

·將端口 1 和端口 2 連接到一起進(jìn)行零長(zhǎng)度直通。

·當(dāng)源在 1 端口時(shí)，A 接收機(jī)中的測(cè)量信號(hào)中包括端口 2 的反射信號(hào)，當(dāng)源在端口 2 ，B 接收機(jī)中的測(cè)量信號(hào)包括端口 1 的反射信號(hào)，這樣就可以確定負(fù)載匹配誤差。

·在進(jìn)行反射和傳輸測(cè)量時(shí)通過誤差修正去除源匹配誤差。

Part.5

反射跟蹤誤差

反射測(cè)量是通過比較 A 與 R1 或 B 與 R2 接收機(jī)中的信號(hào)進(jìn)行的，這稱為比值測(cè)量。對(duì)于理想的反射測(cè)量，A 與 R1 或 B 與 R2 接收機(jī)的頻響應(yīng)該是完全相同的。實(shí)際上這是不可能的，這就會(huì)引起反射跟蹤誤差，是由各種測(cè)試偏差引起的矢量和誤差，誤差的幅度和相位都會(huì)隨頻率變化，這些偏差主要由以下的原因引起：

·信號(hào)分離器件。

·測(cè)試電纜與適配器。

·參考和測(cè)試信號(hào)路徑間的差異。

分析儀通過如下方法確定和減小反射跟蹤誤差：

·校準(zhǔn)時(shí)將短路器連接到測(cè)量端口，接收機(jī)測(cè)量來自短路器反射的信號(hào)，將測(cè)量值保存 到分析儀里。

·將開路器連接到端口，接收機(jī)測(cè)量來自開路器反射的信號(hào)，將測(cè)量值保存到分析儀里。

·分析儀將測(cè)量值和開路器、短路器的已知值進(jìn)行比較，確定源匹配誤差項(xiàng)。

·在進(jìn)行反射和傳輸測(cè)量時(shí)通過誤差修正去除反射跟蹤誤差。

Part.6

傳輸跟蹤誤差

傳輸測(cè)量是通過比較 A 與 R2 或 B 與 R1 接收機(jī)中的信號(hào)進(jìn)行的，這稱為比值測(cè)量。對(duì)于理想的傳輸測(cè)量，A 與 R2 或 B 與 R1 接收機(jī)的頻響應(yīng)該是完全相同的。實(shí)際上這是不可能的，這就會(huì)引起傳輸跟蹤誤差，是由各種測(cè)試偏差引起的矢量和誤差，誤差的幅度和相位都會(huì)隨頻率變化，這些偏差主要由以下的原因引起：

·信號(hào)分離器件。

·測(cè)試電纜與適配器。

·參考和測(cè)試信號(hào)路徑間的差異。

分析儀通過如下方法確定和減小傳輸跟蹤誤差：

·將端口 1 和端口 2 連接到一起進(jìn)行零長(zhǎng)度直通。

·測(cè)量 A 與 R2 或 B 與 R1 接收機(jī)中的信號(hào)。

·通過比較兩個(gè)接收機(jī)中的信號(hào)確定傳輸跟蹤誤差。

·在進(jìn)行傳輸測(cè)量時(shí)通過誤差修正去除傳輸跟蹤誤差。

3、總結(jié)

如上所述，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的系統(tǒng)誤差主要分為方向性、源匹配、負(fù)載匹配、串?dāng)_、傳輸跟蹤和反射跟蹤，而每種誤差又包括正向和反向兩種。

所以，對(duì)于小插損器件測(cè)量時(shí)出現(xiàn)的增益或者正值，這是由于測(cè)量誤差導(dǎo)致的；如上文所述，通過在矢網(wǎng)端口增加衰減器，改善端口駐波，有助于更準(zhǔn)確的測(cè)量小插損器件的準(zhǔn)確損耗。