《JJF1495—2014矢量网络分析仪校准规范》分析和难点解决

    陈胜+裴炎花+钟志忠

    

    

    摘 要：《JJF1495-2014 矢量网络分析仪校准规范》是全国无线电计量技术委员会发布的解决网络分析仪计量校准的技术依据，文章分析了该规范的校准方法，发现一些难点问题，并提出了解决方法。

    关键词：矢量网络分析仪；校准规范；难点

    网络分析仪，是一种通过在宽频带内进行微波器件网络参数测量的一种仪器，工作方式主要是扫频测量单端口和多端口器件的复数散射参数，并可换算成其他网络参数，如衰减、电压驻波比、阻抗、相移和群时延等。

    网络分析仪通常是由信号发生单元、信号分离单元、接收机单元、数字控制及显示部分组成，一般采用测量复数入射电压与复数出射电压比的方法，计算散射参数。被测参数通过仪器内嵌计算系统控制，进行系统误差的修正和转换。

    1 校准规范分析和难点解决

    网络分析仪一般可分为矢量网络分析仪和标量网络分析仪。《JJF1495—2014矢量网络分析仪校准规范》（以下简称规范）是全国无线电计量技术委员会针对矢量网络分析仪的校准发布的国家规范。根据工作经验，我们对该规程的校准项目进行了一些分析和研究。

    规范按照JJF1071—2010《国家计量校准规范编写规则》的要求编写，内容基本包括了矢量网络分析仪各种特性参数的计量。校准项目共有9项，其项目如表1所示。

    对校准项目类型进行分析，可以分成4个模块：（1）网络分析仪的外观和正常性的检查；（2）网络分析仪的内部信号源的量值校准；（3）接收机功能的量值校准；（4）总体量和校准件的校准。下面对这几个类型模块逐个分析。

    1.1 外观及工作正常性检查

    外观及工作正常性检查，这是在校准中最基础的步骤。矢网的结构完整性、无影响正常工作的机械損伤、电源电压、接口端面的清洁等，是校准工作开始前要确认的项目。

    部分实验室在证书上注重测试数据，功能性检查在证书中没有体现，这可能是两个原因导致的：（1）对非数据性的内容不够重视；（2）实际已经做了工作，确认了仪器的正常性，但证书没有这个项目记录。如果发生了校准纠纷，则很难证明仪器在实验室的状态，所以，证书和记录上有这一项是十分有必要的，同时，矢量网络分析仪的接口检查也十分必要。同样的N型测试接口，50 Ω和75 Ω的阻抗不同，插针的粗细不同；3.5 mm和2.4 mm接口尺寸不同，内芯也不匹配。外观检查大意就容易导致端口损坏或者接触不良，导致测试不准或无法进行。

    1.2 内部信号源校准

    内部信号源的校准，包括频率准确度和功率准确度的校准。标准器是频率计和功率计，将网络分析仪调至成连续波输出模式输出信号，按规范要求的测试步骤和方法搭建测试系统，即可完成测试。

    1.3 接收机部分量值校准

    这部分校准内容包含了网络分析仪的扫迹噪声、本底噪声、串扰和动态精度的校准。这一部分，因为对线缆、校准件精度有较高的要求，操作过程相对繁琐，也是矢量网络分析仪校准中的一个重点和难点。

    扫迹噪声测试使用短路器。被测试端口接上短路器，将矢量网络分析仪设置到被测频点，按规范要求设置好中频带宽和平均值与测量点数，将测量功能设置为反射系数模值，以线性形式显示，采用单次扫描，统计测量点反射系数模值的单次标准差和算术平均值。按公式（1）计算扫迹噪声测量结果：

    （1）

    式中：

    TNM—模值扫迹噪声测量结果，dB；

    stdevM—所有测量点反射系数模值的单次标准差；

    avgM—所有测量点反射系数模值的算术平均值。

    本底噪声是用来描述等效到网络分析仪测试端口的输入噪声功率。设置网络分析仪为连续波输出模式，设定端口1输出功率，用功率计标定为PS。然后用线缆连接另一端口2，做直通校准。校准完成后，取下电缆，在两个测试端口连接固定负载，单次扫描后，对测量结果求单次标准差。按公式（2）计算测试端口2的本底噪声。

    （2）

    式中：

    N—本底噪声最终测量结果，dBm；

    stdevN—单次扫描后，测量结果的单次标准差；

    PS—功率计测量结果，dBm。

    串扰是网络分析仪测试端口之间信号泄漏的程度。将网络分析仪设置为连续波模式，按规范要求设置被测网络分析仪参数。设置端口1输出功率，用功率计测量为P1，然后连接上测试电缆后，测得功率为P1&apos；。将线缆连上端口2后做直通测试，取下线缆，在两端口接上固定负载，开始平均扫描，扫描完成后对测量结果求算术平均值MA。按公式（3）计算端口1到2的串扰。

    （3）

    式中：

    Ct —测试端口1到端口2的串扰测量值，dB；

    MA—S21线性模值测量值的算数平均值；

    P1&apos；—测试端口接测试电缆后，功率计测量值，dBm；

    P1—测试端口的功率计测量值，dBm。

    模值动态准确度是用来描述网络分析仪测量测试端口入射功率时，其测量准确度依赖于被测信号的程度。模值动态精度的计量又分为两种方式：（1）测试端口入射功率小于测试端口最大输出功率；（2）测试端口入射功率超过测试端口最大输出功率。

    两种测试状态都要使用衰减器。第一种测量方式，是把衰减器直接通过线缆联入，通过改变衰减器的衰减值，根据校准规范提供的方法，衡量网络分析仪的模值动态精度。第二种是通过线性测量系统来实现测量模值动态准确度。线性测量系统由步进衰减器和放大器以及功率分配器等组成，其原理是调节信号的输出，然后放大，来测量接收信号较大的端口。其原理如图1所示。

    1.4 总体量和校准件的校准

    校准项目是散射参数和校准件，对于散射参数，通过精密校准件，测量仪器的反射系数和散射系数，具体方法可按规程执行。校准件的校准方法是先用标准精密校准件对网络分析仪进行自校准，然后在自校准端面，连接被测校准件，测得被校校准件的反射系数模值和相角。

    2 難点解决和数据处理

    2.1 难点解决

    内部信号源的功率和频率准确度的校准，这个项目对某些型号网络分析仪不完全适用。在规范中提醒，无法设置连续波输出模式的，可使被校矢量网络分析仪频率扫描的开始频率设置为校准频率，并适当增加扫描时间，使频率计和功率计有足够的时间进行测量。在频率测量时，可以记录下相对准确的测量值，这是规范提供的一种解决办法，只能算是一个实现方式。但是在功率测量方面，即使这样设置，功率的波动仍较大，无法准确衡量仪器功率的稳定输出值，测量偏差较大。对于仪器的量值能否满足指标要求，这一方法不完全合理，所以这是网络分析仪校准中一个难题。

    网络分析仪ZVB的校准给我们提供了一个新思路。网络分析仪的内部信号源，其扫频模式可以通过内部Service命令，让其变成一个点频源，实现信号源功率和频率的校准。

    另外，频率校准可以从接收机方面考虑，信号源和接收机共用同一个时基，通过上下变频发射或接收不同的频率，可以先测量时基频率准确度，输入标准信号频率，由接收机来测量信号频率准确度。在功率方面，网络分析仪本身是测量相对参数，也可以通过外部标准源发射一个标准功率，用其接收机测量功率的准确度。

    2.2 数据处理

    大部分校准规范和检定规程对测量数据要求是多次测量取平均值，本规范的数据测量要求和其他有所不同，要求的测量次数为3次，测试数据取中位数。

    3 结语

    《JJF1495-2014矢量网络分析仪校准规范》的发布，为目前矢量网络分析仪计量校准的提供了较为严谨的技术依据。本文分析了规范的校准方法和重难点以及数据分析中的与其他规程不同之处。由于目前市场上仪器设备种类繁多，关注的数据点不同，具体的参数和校准方法，可以结合实际工作解决。

    作者简介：陈胜（1983— ），男，安徽宿州，助理工程师；研究方向：无线电计量。

    [参考文献]

    [1]中国国家标准化管理.JJF 1495-2014矢量网络分析仪校准规范[M].北京：中国标准出版社，2014.

    [2]全国法治计量管理计量技术委员会.JJF1071-2010国家计量校准规范编写规则[M].北京：中国质检出版社，2010.

    [3]王琦.现代矢量网络分析仪的校准和测量[J].实验技术与管理，2006（2）：31-34.

    [4]樊中山.矢量网络分析仪的校准方法[J].国外电子测量技术，2003（5）：35-36.

    Abstract：“JJF1495-2014 vector network analyzer calibration specification” is technical basis to solve the network analyzer calibration issued by the National Radio Measurement Technology Committee. This paper analyzes the calibration method of the specification， found some difficult problems， and puts forward the solution.

    Key words： vector network analyzer； calibration specification； difficulties