普尚電子科技有限公司是一家專注于無線通信和射頻微波領域， 自主研發、生產和銷售通訊儀器儀表的高技術企業。我們公司推出的SP809A矢量網絡分析儀在以下這幾個方面都有突出的表現。這款儀表10Hz中頻帶寬下的動態范圍超過135dB，能對抑制超過110dB的微波器件進行快速測量。同時它還具有高度的穩定性，S21在48小時內測試值漂移小于0.03dB。跡線噪聲水平也處于前列，傳輸跡線噪聲小于0.002dBrms。此外，這款儀表的測試速度也極為突出，未校準情況下，100kHz中頻帶寬時201點掃描時間小于3.1ms。這臺儀表對于濾波器、射頻線纜、天線及多端口微波器件測試場景極為適用，能夠幫助客戶應對高強度測試環境的挑戰。
好了，領導要求的任務完成，下面言歸正傳。
寫這篇文章的起因是曾經有一個客戶在前不久和我們交流時提到，矢量網絡分析儀在使用一段時間后會出現測量結果漂移現象，特別在測量的S參數比較小的時候更加明顯。那么這種情況出現的原因是什么，為什么在測量的S參數比較小的時候漂移會更加明顯？以下對這種情況進行一下粗略的分析。
眾所周知，網絡分析儀測量得到的S參數實質上是儀表內部兩個接收機接收電平的比值，因此S參數的漂移根本來源是接收機電平的漂移。對于接收機而言，對它短期測量結果影響最大的就是環境溫度。網絡分析儀的接收通路上有定向耦合器、混頻器等器件，發射通道上有射頻信號源、ALC、射頻開關、定向耦合器、混頻器等器件，這些器件的性能都會隨溫度變化而變化。雖然儀表內部也采取了多種措施對溫度漂移進行補償，但是最終測試結果還是會隨著溫度變化而有小的變化，最終表現就是接收機接收電平的溫漂，從而導致了網絡分析儀測試結果隨溫度變化而變化。
同時我們在使用網分時一般不會直接在儀表端口上進行測試，還會外接一些線纜等連接件，這些連接件的特性也會隨著溫度變化有一定的變化，這也導致了溫漂的出現。我司的SP809A產品在溫度變化10攝氏度時，S參數測量結果在低頻段變化大約為0.1dB左右，高頻段變化大約會到0.2到0.3dB。以下是我們的一些實測結果。
圖1 儀表1反射系數漂移測量
儀表1開機兩個小時后在前一天中午進行校準，端口不接任何器件，測量S11與S22，并把當時測量結果寫入內存，儀表隨后保持測量狀態直至第二天中午。可以看到在溫度基本一致的情況下兩條曲線變化很小，僅在高頻部分（8GHz到9GHz）有大約0.01dB的漂移。
圖2 儀表2反射系數漂移測量
這是儀表2的測試結果，與儀表1不同的是儀表2開始測試時間是在上午九點左右，與中午溫度有一定溫差。可以看到儀表2的漂移明顯要大于儀表1，高頻部分漂移量大約在0.02到0.03dB。
以上測試結果是校準后的漂移，儀表的實測值經過校準修正算法計算之后在作為被測物的真實值顯示在我們面前。這種校準是否會對測試結果的漂移產品影響嗎？下圖是儀表2將校準修正關閉后的測量結果。
圖3 儀表2反射系數漂移測量（無校準修正）
漂移量基本與有校準修正時一致，看來在目前測量情況（反射系數比較大的時候）下，測量結果的溫度漂移基本與網絡分析儀接收通路的溫度漂移相當，校準修正對漂移量影響很小。對傳輸系數較大時的漂移進行測量后也基本是這個結果。
但是當反射系數或傳輸系數很小時校準修正是否還是對漂移量影響很小，這里需要進行一些分析。
首先還是實測，S21測量下來發現漂移量似乎與S21本身的大小關系不大，當S21很小時漂移量會稍稍增加，這可能與接收機接收小信號比較容易受外界影響有關，測量值的漂移量不一定是溫度變化的原因，實測時發現連接電纜的微小震動等都會導致測量結果的變化，這些變化已經超過了溫漂導致的漂移。同時打開與關閉校準修正對測量結果漂移的影響也不明顯。
對與S11與S22的測量結果就不同了。我們將一個適配器作為測試件，測量時適配器另一端接上負載，測量得到的S11值大約在-40dB左右。當關閉校準修正時，儀表示值漂移量大約在0.5dB左右，這里的來源同樣不光是溫度變化，測試件本身的變化也是一個重要原因。當打開校準修正后，觀察到儀表示值在2～3dB的范圍內不停移動，校準修正似乎將測量值的漂移放大了。
網分測量時先做校準修正是保證測量準確的必要步驟，但是當測量值產生小的漂移時，校準修正起到了什么作用是需要進行分析的。
網絡分析儀的校準修正實質上是通過對一系列標準件的測試得到對測試結果的修正項，然后對網絡分析儀的測量結果（即根據網絡分析儀接收機實際測試數據計算得到的結果）來進行修正而得到被測物的S參數。當網分的接收機測量結果有所變化時，校準修正后的值也會隨之變化，那么可以通過校準修正的算法得到修正前后測試值變化量的關系。
先看看S11的變化量與校準修正的關系。進行校準修正時，與S11有關的誤差項有三個，EDF（方向性誤差項）、ESF（源匹配誤差項）以及ERF（頻率響應誤差項），我們用S11A代表修正后的測試結果，也就是儀表的顯示值，S11M代表修正前的測試結果，即網絡分析儀的測量值，兩者之間關系為：
對上面式子兩邊求微分，當S11A與S11M變化量都很小的情況下可以得到:
由于我們實際關心的是變化的相對量，即dB值，所以上式應該為：
ESF表示的是網絡分析儀端口阻抗與50歐姆特征阻抗的差異，一般來說網絡分析儀的這個參數會在-10dB以下，在S11A很小的情況下上式中的1-S11A?ESF可以粗略的認為就等于1，于是上式最后可以化簡為：
EDF一般數值都小于-20dB，因此當被測物的S11比較大時，校準修正對于測量穩定度基本沒有影響。當被測物的S11很小的時候就是另外一個情況了。這種情況下，網絡分析儀的測量值S11M會非常接近EDF，從而導致測量值一個較小的波動會帶來修正后的S11值非常大的波動，從測量現象上來看就是測量穩定度變得很差，溫度稍有變化或者連接件稍稍被觸動都會帶來測量結果的很大變動。
從上式看，S11M等于EDF的時儀表顯示值的漂移會在無窮大，儀表測量的穩定性將完全喪失。實際上這種情況是不可能出現的。S11M只可能大于EDF，不會等于或小于它，從EDF的實際物理意義可以得到這個結論。EDF指的是測量S11時從發射通路向接收通路的泄漏，從某種意義上來說EDF相當于S11測量時的底噪，因此S11的測量值自然不可能小于EDF。我們做校準修正時，EDF等于負載校準件的S11，在實際測量中我們也不會遇到一個反射小于標準負載的被測物。
EDF是S11M測量的下限，但是并非是S11A的下限，在校準修正后S11A是可以小于EDF的，但是S11A小于EDF時，測量穩定性會下降很多，以至于得到的測量結果的不確定度上升，最后使測試結果失去意義。因此EDF從某種意義上也給出了S11測量的下限，當被測物的S11等于或小于EDF時，測量結果準確度就會降低，當S11小到一定程度，即使是網絡分析儀測量的正常抖動，即Trace noise，也會使S11測量的抖動變得非常大，從而使對被測物S11的準確測量變得不可能。
下圖為一臺SP809A型號網絡分析儀某一次校準后的EDF，可以看到在整個頻率范圍內EDF基本都小于-30dB，那么可以認為這臺網絡分析儀進行S11測量時，當被測物的S11大于-40dB時都可以得到較為準確與穩定的測試結果。
圖4 儀表2校準誤差項EDF
那么從網絡分析儀的datasheet上我們是否能夠看到EDF這一項？由于EDF是校準時對負載校準件S11的測量結果，所以不會在網絡分析儀的datasheet上出現。但是我們可以從datasheet中提供的directivity與Reflection tracking這兩項數值計算出EDF來。
EDF=Directivity/(Reflection Tracking)
對于做的比較好的網絡分析儀來說，Reflection Tracking與1非常接近，因此可以近似認為EDF等同于Directivity，所以根據網絡分析儀規格書中的方向性這一指標就可以大致判斷出該網絡分析儀S11的測試能力。
這里再扯一句題外話，校準時我們用負載校準件的S11作為EDF，而無修正的S11測量值不會小于網絡分析儀的方向性，因此我們只要找一個反射小于網絡分析儀方向性指標的微波器件（比如衰減器）就可以當作校準中的負載件使用，而不會影響測試的準確度。
以上對S11的測量準確度進行了分析，S22與之基本相同，只不過需要把這些指標換到另一個端口就可以。S21的校準修正式比S11復雜很多，它與兩端口四個網絡參數的測量值以及所有的校準誤差項都有關系。不過大致分析下來可以得知，S21的測量下限與1端口的發射通路到2端口的接受通路的泄漏EXF有關。由于網絡分析儀中這個泄漏值一般都會遠小于接收機的底噪，所以S21或S12的測量準確度最終只與接收機底噪或網分的動態范圍有關系，當傳輸系數大于動態范圍10dB的時候基本都能得到比較穩定與準確的測試結果。
以上對于網絡分析儀測量結果的穩定性做了一個非常粗略的分析，雖然在分析中我們加上了種種限制條件以及各種近似，但是最終得到的結論還是有一定參考意義的。
網絡分析儀在測量值比較大的時候，測量穩定性主要與儀表的溫度穩定性以及跡線噪聲有關，校準修正與否對測量穩定性基本沒有影響。當測量值比較小時，對穩定性的考慮就與儀表的其它特性有關了。特別對于反射系數，當測量很小的反射系數時，在反射系數與儀表本身的方向性指標相近或者低于該項指標時，測量穩定性將大幅度下降。
綜上所述，當我們選擇網絡分析儀時，對儀表測試能力的考察除了頻率范圍以及端口數量之外，還需要考察決定反射系數測試能力的方向性以及決定插損測試能力的動態范圍。一般來說，當儀表的方向性指標比被測物的反射系數高出不超過10dB時都能得到比較準確與穩定的測試結果，當被測物反射系數比儀表的方向性指標低太多時，測試的穩定性與準確度會有比較大的下降。動態范圍則直接確定了插損測試的下限，網絡分析儀所能測到的最大插損就等于動態范圍。為了得到比較穩定和準確的測試結果，我們建議被測物的最大插損高于儀表動態范圍10到20dB。
最后還是推薦一下普尚電子自家的矢量網絡分析儀SP809A，它頻率范圍為100kHz到9GHz，兩端口與四端口可選，動態范圍接近140dB（10Hz中頻帶寬），方向性全頻段都能保持在-20dB以下，6GHz以下頻段基本能保持在-30到-35dB，基本能滿足可用頻段內各種射頻、微波產品的測試。歡迎大家聯系我們。