矢网系统误差分析之为什么无源器件的插损S21会出现正值

在我们质朴的思维理解中，无源器件的插损S21无论如何都应该是负值，可为什么有人说，他测的插损居然出现了正值？无源器件居然出现了增益？这又是为什么呢？

其实常规的无源器件的插损，那肯定是负值；这里出现的正值，或者增益，其实是小插损器件的测量误差。那本文的重点，就是介绍一下矢网的系统误差以及误差的来源。

01  误差来源

所有的测量（包括矢量网络分析仪测试系统）都包含三类测量误差：系统误差、随机误差、漂移误差。大多数误差来源于系统误差，系统误差是由测试设备和测试装置的不完善所引起的。若这些误差不随时间变化，则它们可以通过校准来表征，且可以在测量过程中用数学处理方式予以消除。网络测量中所涉及的系统误差与信号泄漏、信号反射和频率响应有关。即被测件的不匹配和泄漏、测试信号通道和参考信号通道的隔离、系统频率响应造成的重复性误差，这些误差是可以通过校准消除的，校准后的指标反映了矢量网络分析仪的测量精度。随机误差以随机方式随时间变化，由于其不可预测，所以不可通过校准来消除。对随机误差起主要影响的因素是仪器噪声（如取样器和中频本底噪声）、开关和连接器的重复性。漂移误差包括频漂、温漂和测试装置校准和测量中的其他物理变化，测量稳定性主要来源于漂移误差，由矢量网络分析仪的初始指标、校准标准件的性能和误差修正模式决定。

02  系统误差

系统误差是由于分析仪硬件特性的不理想引起的，这种误差是可重复的（因此可以预测），并假设不随时间改变。通过校准可以确定系统误差，测量时通过数学计算来消除这些误差。

系统误差并不能完全消除，由于校准过程的局限性，总有一些残留误差，校准后的残留系统误差主要来自：

☆校准标准的不理想

☆连接器连接

☆互连电缆

☆仪器本身

所有的测量都受动态精度和频率误差的影响，对于反射测量，有关的残留误差为：

☆有效方向性

☆有效源匹配

☆有效反射跟踪

对于传输测量，相关的残留误差为：

☆串扰

☆有效负载匹配

☆有效传输跟踪

Part.1  方向性误差

分析仪用定向耦合器或电桥来做反射测量，理想耦合器的耦合端只有反射信号输出到接收机进行测量。

图1 方向性

实际上，将有少量的入射信号通过耦合器的主路泄漏到耦合端口，这会在测量时引起方向性误差，分析仪通过如下方法确定和减小方向性误差：

☆在校准时，将负载连接到测量端口，并认为负载端口不发生反射。

☆耦合端口的输出信号就是泄漏的误差信号。

☆在反射测量时减去方向性误差信号。

方向性误差是反射测量中产生测量不确定度的主要因素，尤其对于反射较小的器件测量是主要的误差来源。

Part.2  串扰误差

理想情况下，只有通过被测件的传输信号到达接收机，实际上有少量的信号通过分析仪中校准测量误差的其它路径到达接收机，这部分信号称为串扰信号，分析仪通过如下方法确定和减小串扰误差：

☆校准时在端口1和端口2同时连接负载。

☆测量接收机中测量的信号就是分析仪内的泄漏信号。

☆在传输测量时误差修正去除串扰误差。

串扰误差取决于待测件的特性。串扰会给高损传输测量带来误差，但对大多数测量来说，串扰影响是很小的。对于测量大动态范围的器件，通过隔离校准可以提高测量精度。

Part.3  源匹配误差

理想情况下在反射测量时，测量接收机接收从被测件反射回的所有信号，实际上，从被测件反射回来的一部分信号又被测量端口反射回被测件，这部分信号测量接收机是测量不到的，这会引起源匹配误差。

图2 源匹配

在传输测量中，源匹配愈大，误差愈小；而由源匹配引起的误差，是反射测量和传输测量不确定因素之一。分析仪通过如下方法确定和减小源匹配误差：

☆校准时将短路器连接到测量端口，接收机测量来自短路器反射的信号，将测量值保存到分析仪里。

☆将开路器连接到端口，接收机测量来自开路器反射的信号，将测量值保存到分析仪里。

☆分析仪将测量值和开路器、短路器的已知值进行比较，确定源匹配误差项。

☆在进行反射和传输测量时通过误差修正去除源匹配误差。

Part.4  负载匹配误差

理想的传输测量，测量接收机接收通过被测件的传输信号，实际上，有一部分信号被测试端口反射而无法测量，这就会引起负载匹配误差；这是由于被测件的输出端口和测试系统的端口2的租了不匹配导致的。如被测件插损小，则由2端口反射的信号和由源再次反射的信号会造成很大的误差，因为反射信号经过被测件时，衰减很小。当待测件的插损＞6dB时，源匹配和负载匹配通常可以忽略了，因为误差信号每次通过待测件时都衰减了很多。然而，在传输测量中，对于高反射输出端口和小插损的元件来说，负载匹配是主要的误差来源。

图3 负载匹配

分析仪通过如下方法确定和减小负载匹配误差：

☆将端口1和端口2连接到一起进行零长度直通。

☆当源在1端口时，A接收机中的测量信号中包括端口2的反射信号，当源在端口2 ，B接收机中的测量信号包括端口1的反射信号，这样就可以确定负载匹配误差。

☆在进行反射和传输测量时通过误差修正去除源匹配误差。

Part.5  反射跟踪误差

反射测量是通过比较A与R1或B与R2接收机中的信号进行的，这称为比值测量。对于理想的反射测量，A与R1或B与R2接收机的频响应该是完全相同的。实际上这是不可能的，这就会引起反射跟踪误差，是由各种测试偏差引起的矢量和误差，误差的幅度和相位都会随频率变化，这些偏差主要由以下的原因引起：

☆信号分离器件。

☆测试电缆与适配器。

☆参考和测试信号路径间的差异。

分析仪通过如下方法确定和减小反射跟踪误差：

☆校准时将短路器连接到测量端口，接收机测量来自短路器反射的信号，将测量值保存到分析仪里。

☆将开路器连接到端口，接收机测量来自开路器反射的信号，将测量值保存到分析仪里。

☆分析仪将测量值和开路器、短路器的已知值进行比较，确定源匹配误差项。

☆在进行反射和传输测量时通过误差修正去除反射跟踪误差。

Part.6  传输跟踪误差

传输测量是通过比较A与R2或B与R1接收机中的信号进行的，这称为比值测量。对于理想的传输测量，A与R2或B与R1接收机的频响应该是完全相同的。实际上这是不可能的，这就会引起传输跟踪误差，是由各种测试偏差引起的矢量和误差，误差的幅度和相位都会随频率变化，这些偏差主要由以下的原因引起：

☆信号分离器件。

☆测试电缆与适配器。

☆参考和测试信号路径间的差异。

分析仪通过如下方法确定和减小传输跟踪误差：

☆将端口1和端口2连接到一起进行零长度直通。

☆测量A与R2或B与R1接收机中的信号。

☆通过比较两个接收机中的信号确定传输跟踪误差。

☆在进行传输测量时通过误差修正去除传输跟踪误差。

03  总结

如上所述，矢量网络分析仪的系统误差主要分为方向性、源匹配、负载匹配、串扰、传输跟踪和反射跟踪，而每种误差又包括正向和反向两种。

所以，对于小插损器件测量时出现的增益或者正值，这是由于测量误差导致的；如上文所述，通过在矢网端口增加衰减器，改善端口驻波，有助于更准确的测量小插损器件的准确损耗。