射频传播信道测量中矢量网络分析仪的校准

摘要

本方案描述了在将矢量网络分析仪用作精确测量仪器之前，对其进行校准的最佳实践方法，旨在测量射频传播测量测试系统的各个组成部分。

摘要

射频（RF）频谱活动的原位测量有助于理解射频波传播的物理机制，并验证现有及新型频谱传播模型。随着频谱使用的持续增长，这两项参数对于支持和维护无干扰的频谱共享至关重要。此类传播测量必须准确、可重复，且无伪影和偏差。表征测量中所用组件的增益与损耗，是确保测量准确性的关键。矢量网络分析仪（VNA）是一种成熟、高精度且多功能的设备，在正确校准后可同时测量信号的幅度和相位。本文详细阐述了矢量网络分析仪校准的最佳实践。校准完成后，该仪器可用于精确测量正确配置的传播测量（或信道探测）系统中的各个组件，也可直接作为测量系统使用。

引言

电信科学研究所（ITS）是美国商务部下属机构国家电信和信息管理局（NTIA）的研究实验室。自20世纪50年代以来，ITS一直积极参与无线电传播测量工作。频谱共享作为联邦与商业频谱用户之间的新范式，要求两个不同的系统在同一时间共享相同的射频频谱。随着频谱共享场景的不断增加，对准确且可重复的无线电传播测量的需求也随之上升，以更深入地理解多个服务必须共享的无线电环境。本描述程序的目标是确保构成此类系统的各个组件均通过精确配置的矢量网络分析仪（VNA）得到充分表征。

随着对频谱需求的增加，通常难以迅速将联邦机构当前使用的频谱释放给商业用途。例如，在高级无线服务（AWS）-3 频段（1755–1780 MHz）中，军方与商业无线运营商之间正在制定频谱共享方案¹。此类方案允许商业无线运营商在军方完全退出该频段之前，提前进入 AWS-3 频段使用频谱。

国防频谱组织（DSO）负责管理AWS-3频段的过渡工作。此次过渡的关键环节之一是开发新的传播模型，以评估在共享该频段的军用与商用无线系统之间产生射频干扰的潜在风险。DSO已委托美国国家标准与技术研究院下属的通信技术实验室（ITS）及其他机构开展一系列信道探测测量，以建立能够更准确计算环境中植被和人造结构（统称为杂波）影响的新模型。通过考虑杂波因素的改进传播模型，将减少对军用系统附近商用发射机的使用限制。

射频频谱活动的原位测量有助于理解射频波传播的物理机制，并验证现有及新型的无线电传播模型。这两个方面对于支持和维护无干扰的频谱共享至关重要。信道探测技术通过从特定位置向移动或固定接收机发射已知的测试信号，获取不同环境下无线电信道特性的估计数据。这些数据用于建立和改进模型，以更准确地预测信号的传播损耗或衰减。此类损耗可能由建筑物及其他障碍物（如城市峡谷中的树木或地形）对信号的遮挡和反射引起。这些障碍物会产生多个略有差异的传播路径，导致发射天线与接收天线之间的信号损失或衰减。

ITS 测量技术可产生准确、可重复且无偏倚的结果。DSO 鼓励 ITS 与更广泛的技术界分享其机构知识，这些知识包括如何最优地测量和处理射频传播数据。最近发布的 NTIA 技术备忘录 TM-19-535^2,3,4,5 描述了一套用于无线电传播测量系统准备与验证的最佳实践方法。作为这些最佳实践的一部分，使用矢量网络分析仪（VNA）精确测量测量系统中各组件的损耗或增益，然后利用这些增益和损耗值计算两个天线之间的信号衰减。

本文所述方案介绍了在实验室或现场应用中测试前校准矢量网络分析仪（VNA）⁵ 的最佳实践。这些步骤包括预热时间、射频连接器类型的选取、正确连接方式以及执行适当的校准步骤。校准应在受控的实验室环境中进行，且须在特定传播测量场景的数据采集之前完成。某些附加因素可能与特定的传播测量环境相关，但不在本方案的涵盖范围内。

矢量网络分析仪（VNA）在组装其他测量系统时，用于测量元器件和子组件的器件特性。功率放大器、接收机、滤波器、低噪声放大器、混频器、电缆和天线等元器件均可通过矢量网络分析仪进行表征。在测试和/或校准系统之前，需先列出系统所需的所有元器件清单，并完成所有系统组件的装配。通过将每个组件插入矢量网络分析仪的电缆之间，可分别对各个组件进行测量，以确保所有组件均在制造商规定的规格范围内正常工作。在完成各组件的检测后，再组装整个系统，并测量整个系统的损耗情况，从而确保组件之间的反射和传输特性得到准确表征。

矢量网络分析仪（VNA）用于测量散射参数（S参数），这些参数是具有幅值和相位的复数。S参数是以下两种比值的测量结果之一：1）反射信号与入射信号之比（反射测量），或 2）透射信号与入射信号之比（传输测量）。对于一个双端口器件，可以测量四个S参数（S₁₁、S₂₁、S₁₂ 和 S₂₂）。第一个下标表示信号接收端口，第二个下标表示信号发射端口。因此，S₁₁ 表示发射信号来自端口1，并在端口1被接收。而 S₂₁ 表示发射信号仍来自端口1，但被端口2接收。S₁₁ 测量的是被测器件（DUT）在端口1处反射的信号量，相对于在端口1入射的原始信号。S₂₁ 测量的是通过被测器件传输并到达端口2的信号量，相对于在端口1的入射信号。S₁₁ 是被测器件在端口1处反射系数的度量，S₂₁ 是被测器件从端口1到端口2传输系数的度量。

为了消除从矢量网络分析仪（VNA）到测量参考平面（通常位于VNA测量电缆末端）之间各组件引入的系统误差，必须对VNA进行校准。校准过程通过测量已知的“理想”标准件（如开路、短路、负载、直通/传输线），并将这些标准件的实际值与VNA测得的值进行比较，从而识别系统误差。经过一系列误差修正后，即可获得被测器件（DUT）的校正后测量值。目前在校准过程中会表征12个误差项^6,7。欲了解更多信息，可参考基于经典微波电路理论^9,10支持的六端口网络分析仪上进行的原始S参数测量方法⁸。

最常见的S参数反射测量类型包括回波损耗、驻波比（SWR）、反射系数和阻抗匹配。最常见的S参数传输测量类型包括插入损耗、传输系数、增益/损耗、群延迟、相位或相位延迟以及电延迟。本方案中重点强调传输损耗的测量。

使用矢量网络分析仪（VNA）测量系统组件的增益和损耗是广为人知的技术。然而，一些重要步骤常常被忽略，例如清洁连接器和使用合适的扭矩扳手。本实验方案提供了所有必要的操作步骤，并解释了其中某些步骤尤为重要的原因。本文还将作为后续文章的前导，后续文章将详细介绍如何进行射频（RF）传播测量，包括信号衰减的计算方法。

方案

1. VNA 设置

1. 收集传播测量系统的所有组件，包括电缆、放大器、滤波器、被测器件（DUT，可以是子组件）及其他组件。
2. 打开矢量网络分析仪（VNA）（图1），并预热至少0.5小时，以确保VNA内部所有组件达到稳定的运行温度，并将相位漂移降至最低。
3. 按下 预设 按钮。
4. 将高质量、相位稳定的电缆连接至VNA的1号和2号端口（图2）。
5. 使用8 in.lbf扭矩扳手拧紧VNA端口上的连接器。正确施加扭矩时，应握住扳手末端，轻轻推动手柄，避免手柄完全翻转。
6. 目视检查所有电缆和连接器是否存在明显磨损迹象，例如划痕、凹痕以及连接器螺纹不完整等。
7. 查阅所有电缆、连接器和被测器件（DUT）的制造商技术规格，确认其有效测量范围。这些规格可能包括温度、湿度、频率和功率等参数。
8. 清洁所有设备和电缆端部的连接器。使用专为清洁敏感电子元件和连接器设计的棉签。使用带有污垢连接器的电缆可能导致电缆导电表面损坏，并产生不准确的测量结果。
   1. 将棉签浸入异丙醇中。
   2. 使用湿润的棉签轻轻清洁中心导体（图3A）。切勿对中心导体施加过大压力，因其容易受损。
   3. 清洁每个连接器的外导体（图3B），并清洁耦合螺母的螺纹。
   4. 使用洁净的压缩空气干燥所有电缆和连接器端部（图3C）。若压缩空气导致连接器冷却，请在连接和拧紧前让其恢复至室温（RT）。
9. 对齐并连接VNA 1号和2号端口的电缆与被测器件（DUT）。对于N型连接，请使用12 in.lb扭矩扳手进行紧固（图4）。确保电缆端部正确对齐。
   1. 开始将DUT侧的连接器旋入VNA电缆螺纹。正确的连接应使螺母能够自由旋转且阻力很小。阻力是螺纹错扣的迹象。不对齐可能损坏连接器或引起信号反射和信号损耗。切勿过度拧紧连接器，以免造成损坏。
   2. 布置VNA电缆，使其在校准过程中移动最小。校准用电缆为相位稳定型，理想情况下在校准期间不应弯曲或移动。
10. 根据被测器件（DUT）的技术规格调整VNA测量参数。频率范围也可通过中心频率和称为“跨度”（span）的频率范围进行选择。
    1. 选择频率范围。选择 激励菜单 | 频率 | 起始频率：1700 MHz。选择 激励菜单 | 频率 | 终止频率：1900 MHz。
    2. 选择测量类型（例如S11、S12、S21、S22）。选择 响应菜单 | 测量 | S21。
    3. 选择并调整端口功率。选择 激励菜单 | 功率 | 调整端口功率： 0 dBm。确保输出功率等于或低于被测器件（DUT）的最大功率规格。
    4. 选择并调整扫描设置。选择 激励菜单 | 扫描 | 扫描类型：步进式。选择 激励菜单 | 扫描 | 时间 | 扫描时间：1秒。然后选择 激励菜单 | 扫描 | 扫描设置 | 停留时间：0 μsec。
       注：步进扫描是最精确的扫描类型，因为它会逐个频率点步进并在每个频率点停留后再进行测量。如果使用较长电缆，可能需要增加停留时间，以确保信号在测量后能到达接收器。0 μs停留时间为最优默认设置。
    5. 通过选择 响应菜单 | 平均 | 平均：IFBW：1 kHz，来选择并调整平均模式。
       注：选择合适的平均类型：“点平均”会在指定次数（如2、4、16、32等）内对每个频率点进行平均，从而降低噪声基底和不确定性，但会增加扫描时间。IFBW使用滤波器测量窄带宽内的功率，同样可降低噪声基底但所需测量时间更短。IFBW平均通常是一种更优的平均技术。
    6. 通过选择 响应菜单 | 格式 | 对数幅度，选择显示的数据格式（例如对数幅度［默认设置］、史密斯圆图、驻波比等）。
    7. 使用 激励菜单 | 扫描 | 数据点数：1601，选择显示轨迹中的数据点数量。
       注：设置数据点数的目的是在起始频率和终止频率之间实现最大频率覆盖：

在上述示例中，步长或频率间隔为 0.125 MHz，因此 frequency(1) = 1700.000 MHz，frequency(2) = 1700.125 MHz，… frequency(1600) = 1899.875 MHz，frequency(1601) = 1900 MHz。

2. 矢量网络分析仪的校准

1. 选择手动或电子校准，如果具备且需要使用电子校准模块（参见第 2.11 节）。两种校准方式均准确。
2. 选择 手动校准 通过选择 响应 | 校准菜单 | 开始校准 | 校准向导 | 无引导.
   1. 选择合适的校准试剂盒，以确保该特定校准试剂盒中各标准品的准确数值已知（图5）。此处选择 85054D，然后选择双端口短路-开路-负载-直通（SOLT）校准（适用于具有两个端口的被测器件）。其他可用的校准方式包括用于单端口器件的单端口校准，以及响应校准。SOLT 是最精确的选项¹¹.
   2. 选择 下一步 进入下一个界面。
3. 连接一个开放校准标准（图6) 连接到端口1的电缆。开路校准标准件在连接器后方设有开放腔体，用于模拟377 Ω的自由空间阻抗。
4. 将一个短路校准标准件连接到端口2的电缆上。短路标准件在连接器后方设有金属板，可使入射电压完全反射。
   1. 选择 端口 1 | 开路 | N型（50）阴头开路，用于测量连接的开路状态。在矢量网络分析仪屏幕上将出现一条轨迹，从S参数的0 dB参考电平开始缓慢下降₁₁，开路标准的对数幅度显示格式。测量完成后（标准上方将出现勾选标记），按下 OK 继续按钮将使用户返回上一屏幕。
   2. 选择与待测器件（DUT）连接器性别相同的校准标准件（即，雄性校准标准件带有中心针，雌性校准标准件带有可插入的端口）。较老的矢量网络分析仪（VNA）需要根据 VNA 电缆的连接器性别选择相应的校准标准件。
   3. 选择 端口 2 | 短型 | N 型（50）阴头短型，用于测量连接的短路负载。在矢量网络分析仪屏幕上将出现一条轨迹，从S参数的0 dB参考电平开始缓慢下降₁₁，短标准的对数-幅值显示格式。测量完成后（标准上方会出现对勾标记），按下 好的 继续按钮将使用户返回上一屏幕。
5. 在端口之间交换校准标准件（即将开路校准标准件连接至端口2，然后将短路校准标准件连接至端口1）。
   1. 选择 端口 1 | 短型 | N 型（50）母头短接头 在端口1测量短路。VNA屏幕上将出现一条迹线，从S参数0 dB参考电平处轻微倾斜下降。₁₁，短标准的对数幅度显示格式。测量完成后（标准上方将出现对勾标记），按下 好的 继续按钮将使用户返回上一屏幕。
   2. 选择 端口 2 | 开路 | N 型（50）阴开路 测量2号端口的开路状态。在矢量网络分析仪屏幕上将出现一条轨迹，从S参数的0 dB参考电平处缓慢倾斜下降₁₁，开路标准的对数幅度显示格式。测量完成后（标准上方将出现一个对勾标记），按下 好的 继续按钮将使用户返回上一屏幕。
6. 移除第1端口的短路负载，并在第1端口连接一个宽带负载。负载可吸收输入能量，从而在较宽频率范围内产生较小的反射。
   1. 选择 端口 1 | 负载 | N 型（50）宽带负载 测量1号端口的负载。测量完成后（标准上方将出现一个对勾标记），按下 好的 继续按钮。此操作将使用户返回上一屏幕。
   2. 将当前校准标准件保留在2号端口。切勿让端口保持开放状态，以免形成泄漏信号的通路。矢量网络分析仪屏幕上将出现一条轨迹，并横跨屏幕变化。所有在S上测得的数值₁₁对于良好负载，对数幅度显示格式将小于 -20 dB。
7. 将开路负载从2号端口取下，取下1号端口的宽带负载并将其连接至2号端口。再将原2号端口的开路负载连接至1号端口，以防止信号泄漏。
   1. 选择 端口 2 | 负载 | N型（50）宽带负载 用于测量2号端口的负载。在矢量网络分析仪屏幕上将出现一条轨迹，并横跨屏幕变化。S参数测量中的所有数值将在₁₁，对良好负载而言，对数-幅度显示格式的读数将小于 -20 dB。测量完成后（标准件上方将出现一个对勾标记），按下 好的 继续按钮将使用户返回上一屏幕。
8. 在连接至1端口和2端口的电缆之间插入一个直通校准标准件。该标准件通常是一个两端具有相同性别接头的转接器。
   1. 选择 THRU 测量直通校准标准。测量完成后，此屏幕上的直通标准上方将出现一个对勾标记。
      注意：在校准过程中，隔离度测量通常可以省略，因为隔离度用于测量电缆之间的串扰，其数值通常远小于其他标准。上述校准测量可按任意顺序进行。
9. 当所有标准品上方均显示对勾后，保存校准结果。选择 下一页 | 保存为用户自定义集合. 输入校准名称，然后按 保存 按钮
10. 按照第3节中详述的方法检查校准。
11. 如果不选择手动校准，请选择电子校准选项¹². 连接电子校准套件（图7) 连接到端口1和端口2之间的电缆上。选择 响应 | 校准菜单 | 开始校准 | 校准向导 | 电子校准 使用电子校准选项。
    1. 选择 2端口电子校准 | 下一步，然后选择 测量 按钮。电子校准模块将自动测量多个不同的标准品，并在最后提示用户保存校准结果。
    2. 选择 下一 | 保存为用户预设. 输入校准名称，然后按下 保存 按钮
       注意：仅将端口1和端口2的电缆连接至电子校准模块。所有校准标准均内置于该模块中。电子校准将自动校准内部标准。若电子校准模块的连接器类型与电缆不一致，则需额外完成一次校准，以修正模块内因转接头引入的校准误差。请务必咨询制造商以获取操作指导。

3. 检查校准

1. 使用直通件检查校准。
   1. 将一个无明显磨损痕迹的直通转接头（图6）连接到1号和2号端口之间的电缆上。不要测量该直通标准件。选择另一个直通件。
   2. 选择 响应 | 测量 | S21，然后选择 响应 | 刻度 | 刻度。通过按下向下箭头按钮将 每格 值设置为0.1。选择 激励菜单 | 触发 | 单次，以测量直通件的插入损耗。在整个频率范围内将显示一次单次扫描。
      注：在对数幅度图上，直通件的值应位于0 dB参考值的±0.05 dB范围内（图8），以满足充分校准的要求。这是多年校准实践中获得的经验值。通过将刻度更改为每格0.05 dB可观察到这一点。
   3. 检查完直通件后，返回并选择 响应 | 刻度 | 刻度，将 每格 值重新设为10，恢复刻度至10 dB/格。然后选择 响应 | 测量 | S11。
   4. 选择 激励菜单 | 触发 | 单次 以测量 S₁₁。一个良好直通件的指标如下：|S₁₁| = -20 dB（功率反射率为1%，电压反射率为10%）。
      注：史密斯圆图¹³ 表示阻抗。S₁₁ 和 S₂₂ 的测量结果在图中显示为圆心附近的一个小圆圈。阻抗值与50 Ω参考值的偏差应在0.5 Ω以内，方可视为充分校准。
2. 使用50 Ω负载检查校准。
   1. 将一个50 Ω匹配负载连接至1号端口。
   2. 选择 激励菜单 | 触发 | 单次 以测量 S₁₁。
      注：匹配负载的反射应小于-20 dB（理想负载的反射系数为0）。在史密斯圆图上，该结果同样显示为圆心附近的一个小圆圈（图9）。
3. 使用开路校准标准件检查校准。
   1. 连接一个开路校准标准件。
   2. 选择 激励菜单 | 触发 | 单次 以测量 S₁₁。在对数幅度图上，开路件的值为0 dB（理想开路的反射系数为1）。在史密斯圆图上，充分校准时开路件显示为最右侧0点附近的一个小圆圈（图9）。
4. 使用短路校准标准件检查校准。
   1. 连接一个短路校准标准件。
   2. 选择激励菜单 | 触发 | 单次 以测量 S₁₁。在对数幅度图上，短路件的值为0 dB（理想短路的反射系数为-1）。在史密斯圆图上，充分校准时其值显示为最左侧的一个圆圈（图9）。
      注：若某项校准测试未通过，请检查连接并重新执行校准。若校准结果良好，则继续进行第4节操作。

4. 组分或系统损耗的测量

1. 将待测器件（DUT）连接至矢量网络分析仪（VNA）。如果待测器件具有两个以上端口（例如开关、功率分配器等），请将未连接至VNA的端口接上50 Ω匹配负载，因为这些端口会反射功率，从而影响测量结果。
2. 选择 响应 | 测量 | S21。
3. 选择 激励菜单 | 触发 | 单次 以测量待测器件。
4. 选择 文件 | 另存为…。在文件名输入框中输入文件名。选择文件类型为 .CSV 或迹线 (*.s2p)。选择 范围（此处默认的 显示迹线 即可）。选择 格式（例如对数幅值和相位角、线性幅值和相位、实部和虚部，或当前显示格式[如史密斯圆图]）。点击 保存 以保存数据。
5. 检查并分析带通滤波器的测试结果。以下步骤提供一个示例：
   1. 通过在迹线上放置标记来识别迹线的各个部分。选择 标记/分析 | 标记 | 标记1，然后按 确定。
   2. 选择 标记/分析 | 标记搜索 | 最大值 以确定滤波器迹线的插入损耗。也可使用前面板上的旋钮，在频率点间移动标记以识别最大值和最小值。
   3. 选择 标记/分析 | 标记 < 标记1，然后选择 差值标记 和 耦合标记。屏幕上该标记的读数应为0 dB。这将为其他标记设定参考值。
   4. 选择 标记/分析 | 标记… | 标记2 | 开启 | 耦合标记。点击激励框内以高亮频率，然后旋转旋钮，直到屏幕上标记2的读数显示为-3 dB。
   5. 选择 标记/分析 | 标记… | 标记3 | 开启 | 耦合标记。点击激励框内以高亮频率，然后旋转旋钮，直到屏幕上标记3的读数显示为-3 dB。
   6. 将测得的数值与制造商提供的滤波器规格进行比较。

结果

在验证某个组件是否正常工作时，重要的是查阅制造商在其各自网站上提供的技术规格。此处，在查阅滤波器的技术规格后对其进行了测量（图10）¹⁴。如图11所示，确定了插入损耗以及3 dB带宽点。校准后的实测插入损耗（由标记1所示）为0.83 dB。负号表示该值代表损耗。参考标准中规定的插入损耗为0.8 dB（经调整，dBa）。该滤波器实测3 dB带宽从1749 MHz变化至1854 MHz，两者相减得到105 MHz，接近典型值104.5 MHz。

根据制造商的规格说明¹⁵，有额定可承受50 W输入功率的10 dB衰减器。该衰减器的衰减量技术指标为10 dB ± 0.5 dB。在某一时刻，输入功率超过50 W的信号被施加到该衰减器上，导致其损坏。使用经过校准的矢量网络分析仪（VNA）对该器件的质量进行了检测。同样，为确保质量，在所有现场测量之前对每个器件进行测量至关重要。待测器件（DUT）的测量结果如图12所示。相比之下，一个完好的10 dB衰减器的测量结果如图13所示。需要注意的是，在1750 MHz处测得的衰减值为9.88 dB，在整个1700–1900 MHz带宽范围内，其值均处于-9.5至-10.5 dB的标称范围之内。

最后，电缆损耗是射频测量中另一项常见的关键测量。被测电缆的技术参数可在数据表第5页找到¹⁶。在1 GHz频率下，其每英尺衰减（dB/ft）为0.05 dB，即0.16 dB/m。根据制造商说明，一根长度为36英尺/11米的被测电缆，其标称损耗约为1.8 dB。实测损耗如图14所示。在1750 MHz频率下，实测损耗为-1.88 dB（四舍五入至最接近的十分之一分贝后，其绝对值为1.9 dB）。

图1：开启矢量网络分析仪（VNA）。 红色圆圈标示了矢量网络分析仪电源按钮的位置。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2：连接至矢量网络分析仪两个端口的高质量、相位稳定电缆。使用扭矩为8 in.lbf的扭矩扳手将电缆连接至矢量网络分析仪的前面板。请点击此处查看此图的放大版本。

图3：连接器的清洁。（A）清洁内导体，（B）清洁外导体及螺纹，（C）使用压缩空气轻轻吹干连接器。请点击此处查看该图的放大版本。

图 4：用于 N 型连接器的 12 in.lbf. 扭矩扳手。 该扳手用于拧紧矢量网络分析仪（VNA）电缆与被测器件（DUT）之间的连接。 请点击此处查看该图的放大版本。

图5：N型校准套件。图中所示为一个校准套件，包含用于校准矢量网络分析仪（VNA）误差的开路、短路、负载和直通标准件。请点击此处查看此图的放大版本。

图6：N型校准标准件。 用于校准的公头和母头校准标准件的照片。 请点击此处查看该图的放大版本。

图7：电子校准模块。 电子校准模块的照片。请点击此处查看该图的放大版本。

图8：校准后在对数幅度图上以GHz为单位的直通（Thru）校准检查结果。在1.8 GHz频率下，直通值为0.01 dB。该图显示了校准后直通值随频率（GHz）的变化情况。直通用于校准验证，以确保校准的有效性。请点击此处查看该图的放大版本。

图 9：史密斯圆图说明。 左图显示了标准阻抗的实部和虚部阻抗值位置，右图显示了阻抗幅值。¹⁷ 该史密斯圆图同时在左侧展示了实部和虚部阻抗，在右侧展示了阻抗幅值。 请点击此处查看此图的放大版本。

图10：插入在端口1和端口2之间的射频滤波器。 在测量过程中，将射频滤波器插入矢量网络分析仪（VNA）电缆末端的端口1和端口2之间的真实照片。请点击此处查看此图的放大版本。

图11：根据提供的规格测量的射频滤波器插入损耗及3 dB点 图9. 这是测量所示射频滤波器时 VNA 上的截图 图10. 请点击此处以查看此图的放大版本。

图12：测量一个不符合其技术指标的10 dB衰减器。在1.7 GHz时测得的值为-22.70 dB，其技术指标为10 dB ± 0.5 dB。图中还显示了一个已超出其技术指标范围的10 dB衰减器的测量结果。请点击此处查看该图的放大版本。

图13：符合规格的10 dB衰减器的测量结果。实测值为-9.88 dB。图中还显示了一个符合其规格的10 dB衰减器的测量结果。请点击此处查看该图的放大版本。

图 14：长度为 36 英尺（11 米）的同轴电缆测量结果，其标称衰减值为 0.05 dB/ft。 预计电缆全长的损耗约为 1.8 dB，这与在 1.87 GHz 下测得的 -1.9 dB 值一致。图中还展示了另一根电缆的测量结果，表明实测损耗在制造商规定的规格范围内。 请点击此处查看此图的放大版本。

讨论

在进行校准之前，必须让矢量网络分析仪（VNA）在室温下预热至少0.5小时（尽管1小时更佳），以确保所有内部组件达到室温，从而获得更稳定的校准结果。一次校准可在数天内保持较高的准确性而无明显损失；然而，应每天使用校准标准件检查校准状态，以确保测量的完整性。对所有系统组件进行检查至关重要，以防止劣质连接器损害VNA的测量精度。建议将低损耗电缆与VNA配合使用。在测量任何系统组件或被测器件（DUT）之前，必须首先验证校准的完整性。任何超出本说明书中规定指标的测量结果均应重复测量，或可能需要重新校准。最后，使用制造商提供的技术规格来核对被测器件的测量值，是验证过程中的必要步骤。

使用矢量网络分析仪（VNA）作为测量仪器存在一定的局限性。如果被测器件（DUT）或系统的损耗过大，导致测得的S参数低于VNA的噪声底限，则无法使用VNA进行测量。可以通过减小中频带宽（IF bandwidth）和增加扫描时间来降低噪声底限，但这会减慢测量采集速度，因此在调整这些参数时需要权衡利弊。VNA无法承受高于30 dBm的输入功率，因此在测量放大器时必须使用内部或外部衰减。VNA的信号源和接收机位于同一台仪器内，因此曾被用作无线电传播测量系统。由于信号源和接收机均集成在VNA中，发射端口必须以某种方式与接收端口连接。通常使用电缆实现这种连接，但电缆会引入损耗，从而降低可测动态范围。此外，这种连接方式也限制了可实现的分离距离。

测量损耗的另一种方法是使用信号发生器和功率计。功率计是一种标量测量设备，因此只能测量信号的幅度，无法监测信号的相位，从而导致对信号的测量精度较低。矢量网络分析仪（VNA）则可测量相对于已知输入信号的被测信号的幅度和相位（包括实部和虚部），属于更高精度的测量方式。

矢量网络分析仪（VNA）是多种测量类型的多功能选择。该仪器可通过发射端和接收端的天线来测量辐射的无线电信号¹⁸。时域分析可用于监测随时间变化的信号，并确定电缆中发生断裂的位置。VNA 在一次扫描过程中可测量多个频率，从而可用于了解在传导¹⁹或辐射环境²⁰中多个频率下的衰减损耗情况。充分理解 VNA 的各项参数设置，有助于对被测器件（DUT）或系统进行准确表征，从而以高度可信的方式获取被测器件或系统的测量结果。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
12 英寸磅扭矩扳手	Maury Microwave		TW-12
8 英寸磅扭矩扳手	Keysight Technologies		8710-1764
衰减器	Mini-Circuits		BW-N10W50+
电缆 1	Micro-Coax		UFB311A – 36 英尺
校准标准套件 (1)（手动）	Keysight Technologies		Economy Type-N 校准套件，85054 D
校准标准套件 (2)（电子校准）	Agilent Technologies		电子校准套件，N4693-60001，10 MHz 至 50 GHz
清洁棉签	Chemtronics		Flextips Mini
压缩空气	Techspray		需超滤
滤波器 1	K&L Microwave, Inc.		8FV50-1802-T95-O/O
异丙醇	任意品牌
矢量网络分析仪（VNA）	Keysight Technologies		研究人员可选择的型号众多 – 请查阅官方网站