利用矢量網絡分析儀測試大動態(tài)范圍微波器件的幾種方法

隨著射頻微波通信技術的快速發(fā)展，對微波器件的測量精度、動態(tài)范圍及測試效率提出了更高要求。矢量網絡分析儀（VNA）作為微波S參數測試的核心設備，在傳輸與反射特性測量中具有不可替代的優(yōu)勢。然而，當被測器件（DUT）動態(tài)范圍較大時，若不采取有效措施，測試結果易受儀器本底噪聲、非線性失真和串擾等因素影響。因此，合理優(yōu)化VNA測試配置，是實現高精度測量的關鍵。

VNA的測量動態(tài)范圍定義為接收機能響應的最大輸入功率與最小可測功率（即本底噪聲）之間的差值。為確保測量準確性，通常要求VNA的動態(tài)范圍大于DUT至少10dB。影響動態(tài)范圍的主要因素包括接收機最大輸入功率和本底噪聲水平。為此，可通過提升輸入信號強度、降低噪聲干擾、抑制串擾等手段進行優(yōu)化。

1. 矢量網絡分析儀工作原理

了解矢量網絡分析儀的工作原理和動態(tài)范圍的定義，對開展大動態(tài)范圍器件的測試很有必要。矢量網絡分析儀，是同時具備信號源和接收機（包括參考接收機和測量接收機）功能的高精度測量儀器，矢量網絡分析儀工作原理框圖 ，如圖1所示。

圖1  矢量網絡分析儀的原理框圖

矢量網絡分析儀的測量動態(tài)范圍，是指矢量網絡分析儀接收機能測量到輸入的最大功率和最小可測功率（本底噪聲）之間的差值。要使測量正確有效，輸入信號必須在這個范圍內。圖2為矢量網絡分析儀的測量動態(tài)范圍示意圖。

1）測量動態(tài)范圍的上限在系統(tǒng)工作電平較大時會受到系統(tǒng)非線性壓縮的影響。

2）動態(tài)范圍的下限在小信號狀態(tài)下會受到系統(tǒng)噪聲門限的影響。

為了減小測量的不確定度，矢量網絡分析儀的動態(tài)范圍要比被測微波器件的動態(tài)范圍大，例如，當被測信號至少比本底噪聲高10dB時，才能有效提高精度。

2. 利用矢量網絡分析儀測試大動態(tài)范圍器件的幾種方法

2.1 提高被測微波器件的輸入功率

在安全范圍內提升DUT輸入功率，有助于增強輸出信號強度，提升信噪比。但需注意避免接收機壓縮或損壞，尤其對于高增益放大器類器件，應謹慎設置源輸出功率。建議使用外接功率計校準VNA激勵電平，減少因源電平偏差導致的測量誤差。

2.2 減小中頻帶寬

降低中頻帶寬可顯著減小本底噪聲，每減小10倍帶寬，動態(tài)范圍約提升10dB。雖然小帶寬會延長掃描時間，但可通過分段掃描策略優(yōu)化：在濾波器通帶內采用較大帶寬以提高速度，在阻帶則切換至小帶寬以保證精度。

2.3 設置掃描平均

增加矢量網絡分析儀掃描平均，可降低隨機噪聲對測量的影響，從而增大測量動態(tài)范圍。矢量網絡分析儀通過幾次連續(xù)掃描，對同一個測量點取平均來計算每一個測量值，平均次數越多，越能夠有效降低噪聲對測量的影響。  

設置掃描平均通常在【Response】/(響應)菜單下【Avg】/(平均)子菜單中進行設置，需要同時設置【Average ON/Off】/(平均打開/關閉)和【Average Factor】/(平均因子)參數。開啟平均掃描功能后，降低了隨機噪聲對測量的影響，擴大了測量動態(tài)范圍。如圖5所示。

圖5 矢量網絡分析儀啟用平均后的隨機噪聲

增加掃描平均次數，會使掃描時間變長，通常情況下采用增加掃描平均降低噪聲提高動態(tài)范圍，要比減小中頻帶寬所需時間要長，尤其是平均次數較多時。

2.4 減少矢量網絡分析儀接收機串擾

在低電平信號測試中，VNA內部信號路徑間的串擾不可忽視。可采用交替掃描模式，即每次僅開啟一個接收機，減少相互干擾；同時，進行隔離校準（Isolation Calibration），在雙端口接負載條件下提取串擾誤差并予以修正，顯著提升校準精度。

2.5 利用矢量網絡分析儀面板跳線

部分矢量網絡分析儀安裝有面板跳線，比如KEYSIGHT公司的高性能PNA系列矢量網絡分析儀，利用這些跳線可以實現較多擴展測試功能，在測試大動態(tài)范圍器件時就可以使用。

為擴大矢量網絡分析儀測量動態(tài)范圍，可以繞過測試端口耦合器而直接將信號饋入接收機。如圖所示，信號不接測試端口，先取下CPLR ARM—RCVR A IN連接端子，再將信號直接與RCVR A IN連接。

綜上所述，測試大動態(tài)范圍微波器件需綜合運用多種技術手段。在實際操作中，應根據DUT特性靈活配置中頻帶寬、平均次數、掃描模式，并嚴格執(zhí)行隔離校準。必要時可借助硬件跳線或外接儀表輔助測量。