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步进衰减器让矢网成为更好的矢网

2022/12/21
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阅读需 6 分钟
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VNA有很多性能指标,包括:

频率范围:决定可测的频率范围

频率分辨率:仪器可输出的最小频率步进,限制了所有测量的精度

测量准确度:底线,与幅度和相位的测量不确定性相关

输出功率范围:测试端口处的输出功率。有的DUT对不同的输入功率,响应不一样。这些DUT被设计为在输入功率范围内或以特定输入功率运行。

功率分辨率:输出功率可调的步进;更好的功率分辨率允许更准确的输出功率设置。

输出端口的谐波失真和非谐波杂散:测试端口出现的不需要的杂散信号。低失真可以提供更准确的结果,尤其是在测量 DUT 失真或谐波时。

测量速度:每个点的测量速度;当 VNA 激励设置导致扫描时间较长时,会对总周期时间产生很大影响。

而步进衰减器的存在,则使得矢网在输出功率范围这一指标上表现优异,使得矢网成为更好的矢网。

许多现代矢网,都会在参考耦合器和测试耦合器之间,增加一个步进衰减器。

因为VNA中步进衰减器的存在,可以:

(1) 可以实现更大的功率输出范围。因为纯ALC电路可提供的输出功率范围有限,步进衰减器使得源功率可以设置成更大的范围。

(2) 衰减器减小了功率源匹配和比率源匹配之间的差异,从而改善输出端口匹配。

在一般情况下,功率源匹配(power source match)和比率源匹配(ratio source match)是两个不同的参量,而功率源匹配在常规校准的过程中,是不被表征的;比率源匹配可以在校准过程中确定。

步进衰减器把这两个值的差异减小了衰减器衰减值的2倍。降低两者的差异后,则可以根据比率源匹配计算源功率的误差,这时作为正常校准过程中的一部分执行的。

(3) 有助于在测试端口生成低噪声信号。步进衰减器放置在参考耦合器和测试耦合器之间,另一个有吸引力的好处是与信号的噪声水平有关。即使在测试端口需要小信号时,衰减器也允许参考通道中的大信号,这将有助于在测试端口生成低噪声信号。

(4) 校准状态可以在改变衰减器值的前后,基本保持有效。

步进衰减器的插损,可以很好的被补偿,但是它对匹配的影响,确是无法补偿的。

当步进衰减器具有一定的衰减值时,源匹配和负载匹配特性,主要由衰减器的匹配决定,而且这种情况下的匹配通常非常好。

因此,在测试过程中,如果不要求输出最大端口功率的话,最好使用一些步进衰减器值。

因为当衰减值值大于0dB时,原始匹配通常会更好。因此,在设置一定的衰减值的情况下,进行校准,当衰减器切换到一个不同的非零值时,对校准测量的影响较小,也就是说,改变衰减器的值,对校准状态影响不大。

但是一些老的VNA,没有对标称衰减器值的变化进行补偿,所以,不允许在校准后,更改衰减器的值。通常来说,更改步进衰减器的值,会改变相应端口上,所有的原始误差项。而在这些VNA中,误差校正通常会因为步进衰减值的变化而关闭。所以,在这些矢网中,改变衰减器的值,会破坏原先的校准状态。

VNA内部对衰减值是怎么处理的?

在大多数VNA中,标称的衰减值是已知的,参考接收机会针对衰减器值的变化有所补偿。而且,ALC电路也会起作用,所以,改变衰减器的值,只会导致测试端口输出功率值的轻微变化。标称衰减值通常在实际衰减值的0.25~0.5dB范围内。

也就是说,当改变矢网的VNA设置时,矢网内部的一系列操作,保证从端口处看到的输出功率基本保持不变。假设衰减器的衰减量从10dB增加到15dB,那么内部源的功率也会增加一定的值,比如也增加5dB。参考接收机位于步进衰减器之前,所以该接收机看到的信号也增加5dB。但是,由于希望参考接收机功率显示与端口功率相同,所以其读数也需要降低一个值,比如降低5dB。

参考资料:

https://coppermountaintech.com/what-makes-a-good-vna/

Joel P. Dunsmore HANDBOOK OF MICROWAVE COMPONENT MEASUREMENTS WITH ADVANCED VNA TECHNIQUES

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