为什么S参数的测试结果会有漂移？
来源:
|
作者:juncoax2018new
|
发布时间: 2019-11-22
|
1967 次浏览
|
分享到:
为什么S参数的测试结果会有漂移？
上海军友射频技术有限公司作为国内领先的射频、微波、毫米波产品制造工厂，主营产品为稳幅稳相射频测试电缆、射频测试探针、射频转接器等射频元器件；公司拥有一批高素质的专业技术人才和管理人才，对生产工艺、材料应用上具有深厚的认识，每一个产品都必须经过严苛的性能测试，而在长期生产测试的过程中，发现矢量网络分析仪在使用一段时间后会出现测量结果漂移现象，测试结果会有所差异；除去不同测试设备之间的差异、同一台设备在测试使用时也会出现不同测试现象；
矢量网络分析仪在使用一段时间后会出现测量结果漂移现象，特别在测量的S参数比较小的时候更加明显。那么这种情况出现的原因是什么，为什么在测量的S参数比较小的时候漂移会更加明显？以下对这种情况进行一下粗略的分析。
众所周知，网络分析仪测量得到的S参数实质上是仪表内部两个接收机接收电平的比值，因此S参数的漂移根本来源是接收机电平的漂移。对于接收机而言，对它短期测量结果影响最大的就是环境温度。网络分析仪的接收通路上有定向耦合器、混频器等器件，发射通道上有射频信号源、ALC、射频开关、定向耦合器、混频器等器件，这些器件的性能都会随温度变化而变化。虽然仪表内部也采取了多种措施对温度漂移进行补偿，但是最终测试结果还是会随着温度变化而有小的变化，最终表现就是接收机接收电平的温漂，从而导致了网络分析仪测试结果随温度变化而变化。同时我们在使用网分时一般不会直接在仪表端口上进行测试，还会外接一些线缆等连接件，这些连接件的特性也会随着温度变化有一定的变化，这也导致了温漂的出现。我司的SP809A产品在温度变化10摄氏度时，S参数测量结果在低频段变化大约为0.1dB左右，高频段变化大约会到0.2到0.3dB。以下是我们的一些实测结果。
图1 仪表1反射系数漂移测量
众所周知，网络分析仪测量得到的S参数实质上是仪表内部两个接收机接收电平的比值，因此S参数的漂移根本来源是接收机电平的漂移。对于接收机而言，对它短期测量结果影响最大的就是环境温度。网络分析仪的接收通路上有定向耦合器、混频器等器件，发射通道上有射频信号源、ALC、射频开关、定向耦合器、混频器等器件，这些器件的性能都会随温度变化而变化。虽然仪表内部也采取了多种措施对温度漂移进行补偿，但是最终测试结果还是会随着温度变化而有小的变化，最终表现就是接收机接收电平的温漂，从而导致了网络分析仪测试结果随温度变化而变化。同时我们在使用网分时一般不会直接在仪表端口上进行测试，还会外接一些线缆等连接件，这些连接件的特性也会随着温度变化有一定的变化，这也导致了温漂的出现。我司的SP809A产品在温度变化10摄氏度时，S参数测量结果在低频段变化大约为0.1dB左右，高频段变化大约会到0.2到0.3dB。以下是我们的一些实测结果。
图1 仪表1反射系数漂移测量
仪表1开机两个小时后在前一天中午进行校准，端口不接任何器件，测量S11与S22，并把当时测量结果写入内存，仪表随后保持测量状态直至第二天中午。可以看到在温度基本一致的情况下两条曲线变化很小，仅在高频部分（8GHz到9GHz）有大约0.01dB的漂移。
图2 仪表2反射系数漂移测量
图2 仪表2反射系数漂移测量
这是仪表2的测试结果，与仪表1不同的是仪表2开始测试时间是在上午九点左右，与中午温度有一定温差。可以看到仪表2的漂移明显要大于仪表1，高频部分漂移量大约在0.02到0.03dB。以上测试结果是校准后的漂移，仪表的实测值经过校准修正算法计算之后在作为被测物的真实值显示在我们面前。这种校准是否会对测试结果的漂移产品影响吗？下图是仪表2将校准修正关闭后的测量结果。
图3 仪表2反射系数漂移测量（无校准修正）
图3 仪表2反射系数漂移测量（无校准修正）
漂移量基本与有校准修正时一致，看来在目前测量情况（反射系数比较大的时候）下，测量结果的温度漂移基本与网络分析仪接收通路的温度漂移相当，校准修正对漂移量影响很小。对传输系数较大时的漂移进行测量后也基本是这个结果。但是当反射系数或传输系数很小时校准修正是否还是对漂移量影响很小，这里需要进行一些分析。首先还是实测，S21测量下来发现漂移量似乎与S21本身的大小关系不大，当S21很小时漂移量会稍稍增加，这可能与接收机接收小信号比较容易受外界影响有关，测量值的漂移量不一定是温度变化的原因，实测时发现连接电缆的微小震动等都会导致测量结果的变化，这些变化已经超过了温漂导致的漂移。同时打开与关闭校准修正对测量结果漂移的影响也不明显。对与S11与S22的测量结果就不同了。我们将一个适配器作为测试件，测量时适配器另一端接上负载，测量得到的S11值大约在-40dB左右。当关闭校准修正时，仪表示值漂移量大约在0.5dB左右，这里的来源同样不光是温度变化，测试件本身的变化也是一个重要原因。当打开校准修正后，观察到仪表示值在2～3dB的范围内不停移动，校准修正似乎将测量值的漂移放大了。网分测量时先做校准修正是保证测量准确的必要步骤，但是当测量值产生小的漂移时，校准修正起到了什么作用是需要进行分析的。网络分析仪的校准修正实质上是通过对一系列标准件的测试得到对测试结果的修正项，然后对网络分析仪的测量结果（即根据网络分析仪接收机实际测试数据计算得到的结果）来进行修正而得到被测物的S参数。当网分的接收机测量结果有所变化时，校准修正后的值也会随之变化，那么可以通过校准修正的算法得到修正前后测试值变化量的关系。
先看看S11的变化量与校准修正的关系。进行校准修正时，与S11有关的误差项有三个，EDF（方向性误差项）、ESF（源匹配误差项）以及ERF（频率响应误差项），我们用S11A代表修正后的测试结果，也就是仪表的显示值，S11M代表修正前的测试结果，即网络分析仪的测量值，两者之间关系为：
先看看S11的变化量与校准修正的关系。进行校准修正时，与S11有关的误差项有三个，EDF（方向性误差项）、ESF（源匹配误差项）以及ERF（频率响应误差项），我们用S11A代表修正后的测试结果，也就是仪表的显示值，S11M代表修正前的测试结果，即网络分析仪的测量值，两者之间关系为：
对上面式子两边求微分，当S11A与S11M变化量都很小的情况下可以得到:
由于我们实际关心的是变化的相对量，即dB值，所以上式应该为：
ESF表示的是网络分析仪端口阻抗与50欧姆特征阻抗的差异，一般来说网络分析仪的这个参数会在-10dB以下，在S11A很小的情况下上式中的1-S11A∙ESF可以粗略的认为就等于1，于是上式最后可以化简为：
EDF一般数值都小于-20dB，因此当被测物的S11比较大时，校准修正对于测量稳定度基本没有影响。当被测物的S11很小的时候就是另外一个情况了。这种情况下，网络分析仪的测量值S11M会非常接近EDF，从而导致测量值一个较小的波动会带来修正后的S11值非常大的波动，从测量现象上来看就是测量稳定度变得很差，温度稍有变化或者连接件稍稍被触动都会带来测量结果的很大变动。从上式看，S11M等于EDF的时仪表显示值的漂移会在无穷大，仪表测量的稳定性将完全丧失。实际上这种情况是不可能出现的。S11M只可能大于EDF，不会等于或小于它，从EDF的实际物理意义可以得到这个结论。EDF指的是测量S11时从发射通路向接收通路的泄漏，从某种意义上来说EDF相当于S11测量时的底噪，因此S11的测量值自然不可能小于EDF。我们做校准修正时，EDF等于负载校准件的S11，在实际测量中我们也不会遇到一个反射小于标准负载的被测物。EDF是S11M测量的下限，但是并非是S11A的下限，在校准修正后S11A是可以小于EDF的，但是S11A小于EDF时，测量稳定性会下降很多，以至于得到的测量结果的不确定度上升，最后使测试结果失去意义。因此EDF从某种意义上也给出了S11测量的下限，当被测物的S11等于或小于EDF时，测量结果准确度就会降低，当S11小到一定程度，即使是网络分析仪测量的正常抖动，即Trace noise，也会使S11测量的抖动变得非常大，从而使对被测物S11的准确测量变得不可能。
下图为一台SP809A型号网络分析仪某一次校准后的EDF，可以看到在整个频率范围内EDF基本都小于-30dB，那么可以认为这台网络分析仪进行S11测量时，当被测物的S11大于-40dB时都可以得到较为准确与稳定的测试结果。
图4 仪表2校准误差项EDF
下图为一台SP809A型号网络分析仪某一次校准后的EDF，可以看到在整个频率范围内EDF基本都小于-30dB，那么可以认为这台网络分析仪进行S11测量时，当被测物的S11大于-40dB时都可以得到较为准确与稳定的测试结果。
图4 仪表2校准误差项EDF
那么从网络分析仪的datasheet上我们是否能够看到EDF这一项？由于EDF是校准时对负载校准件S11的测量结果，所以不会在网络分析仪的datasheet上出现。但是我们可以从datasheet中提供的directivity与Reflection tracking这两项数值计算出EDF来。
对于做的比较好的网络分析仪来说，Reflection Tracking与1非常接近，因此可以近似认为EDF等同于Directivity，所以根据网络分析仪规格书中的方向性这一指标就可以大致判断出该网络分析仪S11的测试能力。校准时我们用负载校准件的S11作为EDF，而无修正的S11测量值不会小于网络分析仪的方向性，因此我们只要找一个反射小于网络分析仪方向性指标的微波器件（比如衰减器）就可以当作校准中的负载件使用，而不会影响测试的准确度。以上对S11的测量准确度进行了分析，S22与之基本相同，只不过需要把这些指标换到另一个端口就可以。S21的校准修正式比S11复杂很多，它与两端口四个网络参数的测量值以及所有的校准误差项都有关系。不过大致分析下来可以得知，S21的测量下限与1端口的发射通路到2端口的接受通路的泄漏EXF有关。由于网络分析仪中这个泄漏值一般都会远小于接收机的底噪，所以S21或S12的测量准确度最终只与接收机底噪或网分的动态范围有关系，当传输系数大于动态范围10dB的时候基本都能得到比较稳定与准确的测试结果。以上对于网络分析仪测量结果的稳定性做了一个非常粗略的分析，虽然在分析中我们加上了种种限制条件以及各种近似，但是最终得到的结论还是有一定参考意义的。网络分析仪在测量值比较大的时候，测量稳定性主要与仪表的温度稳定性以及迹线噪声有关，校准修正与否对测量稳定性基本没有影响。当测量值比较小时，对稳定性的考虑就与仪表的其它特性有关了。特别对于反射系数，当测量很小的反射系数时，在反射系数与仪表本身的方向性指标相近或者低于该项指标时，测量稳定性将大幅度下降。综上所述，当我们选择网络分析仪时，对仪表测试能力的考察除了频率范围以及端口数量之外，还需要考察决定反射系数测试能力的方向性以及决定插损测试能力的动态范围。一般来说，当仪表的方向性指标比被测物的反射系数高出不超过10dB时都能得到比较准确与稳定的测试结果，当被测物反射系数比仪表的方向性指标低太多时，测试的稳定性与准确度会有比较大的下降。动态范围则直接确定了插损测试的下限，网络分析仪所能测到的最大插损就等于动态范围。为了得到比较稳定和准确的测试结果，我们建议被测物的最大插损高于仪表动态范围10到20dB。
——文章转载自射频百花潭，原创普尚电子
上海军友射频技术有限公司作为国内领先的射频、微波、毫米波产品制造工厂，主营产品为稳幅稳相射频测试电缆、射频测试探针、射频转接器等射频元器件；公司拥有一批高素质的专业技术人才和管理人才，对生产工艺、材料应用上具有深厚的认识，多年来秉持一贯创新的研发精神及对完美品质之坚持，针对日趋多样化的市场需求，不断开拓创新。与国内外知名企业建立了长期紧密的合作关系。
联系我们
电话：021-69760391
网址：www.juncoax.com
邮箱：sales@juncoax.com
