PNA，ZVA系列矢网在多参数计量方面溯源探讨

王成，李凯峰，宋晓婵，余国军

(中国人民解放军61236部队，北京100094)

0 引言

高性能的矢量网络分析仪具有越来越强大的测试功能，覆盖测试参数越来越广，在计量领域具有出色性能，但是对矢量网络分析仪全面计量参数溯源的国家标准和军用标准尚未出台。目前，按照JJG(电子)07009-91《HP-3577A型网络分析仪试行检定规程》、JJG(邮电)016-1992《标量网络分析仪检定规程》、GJB/J 3608-99《自动网络分析仪检定规程》开展矢量网络分析仪的检定校准时，只对4个S参数中S11模(电压驻波比)、S21模(衰减量)、S21相角(传输相移)进行检定，经溯源后的矢量网络分析仪可以开展S参数的检定和校准，可以直接对S参数标准器组和微波器件的传输特性(S参数S21和S12、增益、相位、群时延、传输系数等)和反射特性(S参数S11和S22、电压驻波比、反射系数、阻抗、反射损耗等)进行计量，这是矢量网络分析仪最基本的测试能力。但在谐波、增益压缩、互调失真(IMD，Interference Modulation Distortion)、噪声系数(NF，Noise Figure)、非线性参数以及变频器件特性测试方面，尚不能够满足计量溯源要求。而不论按照JJF1033-2008《计量标准考核规范》，还是按照GJB2749A-2009《军事计量测量标准建立与保持通用要求》建立计量标准，开展计量校准工作，都要求标准设备首先进行计量溯源。

随着测量仪器技术的发展，矢量网络分析仪在多参数测试方面，除完成传统S参数测试外，在以上各参数测试领域具有越来越出色的性能和优势。探讨矢量网络分析仪在这些方面的溯源方法，寻求这些参数的计量途径，让高性能的矢量网络分析仪在计量领域全面发挥测试优势，具有十分重要的现实意义和理论价值。

1 公司PNA系列、ZVA系列矢量网络分析仪

Agilent公司的PNA系列，特别是PNA-X系列，R/S公司的ZVA系列矢量网络分析仪，是目前业界公认的性能最出色的微波矢量网络分析仪，在S参数、增益压缩、交调失真/谐波失真、噪声系数测试方面性能卓著，选配2端口、4端口或者更多端口，内置2个或者4个激励源，搭配8部以上接收机，同时支持放大器类、变频器类设备全面指标的测试。单台机器最高频率可达67 GHz，通过外置谐波混频器可扩展至500 GHz。它们不再是一台单纯的网络分析仪，而是一个平台或者说是测试系统，只要在这个平台的基础上增加选件就可以轻松实现以往通常需要组合使用独立的信号发生器、频谱分析仪和噪声系数分析仪等仪器才能完成的功能。一系列强大的校准技术和器件，使得矢量网络分析仪在易用性和精度上比传统仪器具有绝对的优势［1-2］。

2 矢量网络分析仪S参数和校准件溯源

矢量网络分析仪S参数和校准件的校准溯源体系现在已相对成熟，国内目前同轴S参数标准装置频率上限可以达到67 GHz，波导标准频率更高。各级计量机构都建立有S参数标准装置，可以开展对S11模(电压驻波比)、S21模(衰减量)、S21相角(传输相移)的校准检定。关于矢量网络分析仪S参数溯源与计量的文献和资料也很多，这里不做详细讨论。

矢量网络分析仪进行S参数溯源校准后，如果开展增益压缩、互调失真、噪声系数、混频电路等测试，还需要做进一步的校准溯源。这里尝试分别开展矢量网络分析仪内置激励源和测量接收机的溯源校准［3-4］。PNA，ZVA系列矢量网络分析仪通常内置双激励源，每个端口有两个接收机，结构框图如图1所示。

图1 矢量网络分析仪双激励源、4个接收机

3 矢量网络分析仪激励源溯源

矢量网络分析仪激励源的溯源可以参照信号发生器部分量值校准溯源的要求，频率参数可以溯源到时间频率标准，功率参数、频谱参数等可以溯源到信号发生器检定装置，相位噪声参数可以溯源到相位噪声标准装置。利用矢量网络分析仪进行S参数测试，得到的是各端口信号电压的比值，是相对量，所以传统S参数测试不需要功率校准。高性能的矢量网络分析仪通过功率计校准以后，绝对电平精度可以达到很高的水平。

3.1 矢量网络分析仪激励源频率范围、频率准确度、相位噪声溯源

测量矢量网络分析仪设定频率与实际输出频率偏差，得出整个工作频率范围内的频率准确度，频率计量可以溯源到时间频率基标准，相位噪声参数可以溯源到相位噪声标准。依据矢量网络分析仪指标，可以选用时间频率标准和相位噪声标准等，如图2所示。

图2 矢量网络分析仪激励源频率溯源图

3.2 矢量网络分析仪激励源功率参数、频谱参数溯源

功率参数主要测量矢量网络分析仪激励源最大输出功率、输出功率设定值与实际输出功率的偏差(输出功率精度)，以及在功率扫描范围内的输出功率电平线性度;频谱参数主要测量矢量网络分析仪激励源的频谱纯度(谐波特性等)。可以溯源到信号发生器检定装置，采用测量接收机可以对这些参数进行校准溯源，溯源图如图3所示。

图3 矢量网络分析仪激励源功率、频谱溯源图

4 矢量网络分析仪接收机溯源

矢量网络分析仪接收机主要从噪声电平、功率测量、接收机线性度等参数开展溯源，可以溯源到频谱仪标准、测量接收机标准、衰减标准等。

4.1 噪声电平、功率测量溯源

对矢量网络分析仪的噪声电平溯源一般分为扫迹噪声和本底噪声，扫迹噪声校准旨在测量被校矢量网络分析仪在指定测量设置下的扫迹噪声;本底噪声旨在测量被校矢量网络分析仪在测试端口没有输入测试信号时的噪声背景，测量接收机标准可以开展噪声电平的溯源［3］。

功率测量目的是检验矢量网络分析仪接收机功率参数方面测量不确定度、功率测量范围等，接收机频响、带宽、频率抑制的校准检定可以参照频谱分析仪检定校准方式，溯源图如图4所示。

图4 矢量网络分析仪接收机噪声电平溯源图

4.2 接收机线性度溯源

接收机线性度测量目的是校准矢量网络分析仪接收机模值测量的非线性度。大信号输入时非线性度主要由接收机内混频器等变频器件的非线性决定，较小信号时非线性度主要由接收机内放大器和衰减器等量程变换器件的非线性决定，非常小的信号非线性度主要由本底噪声和系统漂移等因素决定［3］。接收机线性度校准可以溯源到衰减标准，溯源图如图5所示。

图5 矢量网络分析仪接收机线性度溯源

除此之外，矢量网络分析仪端口匹配测量可以依据自身S参数测试能力，直流电压测量方面可以溯源到电磁学领域。

5 功率计、噪声源溯源

矢量网络分析仪在测试增益压缩、互调失真、噪声系数等参数时，除需要矢网校准器件(电子校准件和机械校准件)进行S参数校准外，还需要功率计或噪声源进行功率校准，校准后的矢量网络分析仪激励源可以有很高的精度，因为利用阻抗调谐功能可以消除端口失配的影响，各公司的噪声源和功率计在噪声和功率校准方面也具有很好的性能。例如在利用PNA-X测试噪声系数时，可以使用噪声源或功率计进行校准，两者精度相当，在较高频率时采用功率计校准测量精度高于采用噪声源。

目前，利用S参数标准装置可以开展矢量网络分析仪校准件的计量溯源。在功率计和噪声源选用方面，Agilent公司PNA系列矢量网络分析仪支持346系列噪声源(暂不支持N4000系列)和Agilent公司系列的功率计;R/S公司支持本公司NRP-Z系列功率计。在溯源方面，功率计可以溯源到功率标准装置，开展对功率敏感器校准系数的检定;噪声源可以溯源到微波噪声标准中，通过测量Y系数计算超噪比进行校准或检定，溯源图如图6所示。

图6 功率计、噪声源溯源图

6 矢量网络分析仪测量不确定度分析

测量不确定度在计量领域具有十分重要的作用，体现了各级溯源单位能力的强弱，测量结果的不确定度还将影响对委托方被测件进行合格判定的风险程度，因此有必要研究利用矢量网络分析仪进行计量校准的不确定度分析。

6.1 S参数测试

S参数可以测试微波器件或微波系统传输特性(包含衰减和增益、相位、群延时等)和反射特性(包含反射系数、反射损耗、电压驻波比等)。S参数测试过程中系统误差可以通过校准进行修正，由于校准件及校准模型的不完善，存在残余误差，称为有效误差，有效误差影响矢量网络分析仪的测量结果。有效方向性，有效源匹配，有效反射频响，有效传输频响，有效负载端匹配，有效隔离度，迹线噪声等来源影响矢量网络分析仪测量不确定度［4-5］。S参数测量不确定度分量一般有:

1)标准器不准引入的不确定度分量;

2)剩余系统误差引入的不确定度分量，方程式分别为［6］

3)失配引入的不确定度分量;

4)测量重复性引入的不确定度分量。

6.2 增益压缩测试

增益压缩是器件由线性工作区域向非线性工作区域转化的体现，常见的有1 dB压缩点测试。随着微波技术的发展，一些领域为节省器件的成本，使之工作在非线性区域已经是较普遍情况，比如工作在非线性区域的大功率放大器。在增益压缩测试方面，矢量网络分析仪具有优势，支持针对每个功率点扫频率和针对每个频率点扫功率两种方式，可以测试1 dB或xdB压缩点，能够同时测量线性增益和压缩增益、压缩点处的输入和输出功率、线性相位随频率的偏移，将增益压缩与频率对应关系直观显示出来。

利用矢量网络分析仪测试增益压缩的不确定度分量:

1)S参数测量的不确定度分量;

2)矢量网络分析仪输出功率线性度或功率绝对精度引入的不确定度分量;

3)前置放大器和接收端衰减器的频率响应和漂移误差带来的不确定度分量;

4)接收机的压缩程度和接收机温度的漂移引入的不确定度分量;

5)测量重复性引入的不确定度分量。

其中频率响应是增益压缩测量中主要的误差，进行直通响应测量校准能显著减小这个误差。

6.3 互调失真(IMD)测试

互调失真测量需要两个激励源，PNA、ZVA系列矢量网络分析仪内置高性能双激励源，无需任何外置设备，能够实现互调失真/谐波失真测量，在测试精度和测量速度上具有明显优势，可以同时测试IM频谱、IIP3，OIP3，IM3等参数。

利用矢量网络分析仪测试互调失真的不确定度分量:

1)矢量网络分析仪信号源谐波特性引入的不确定度分量;

2)被测件连接失配引入的测量不确定度;

3)矢量网络分析仪接收机线性工作特性引入的不确定度分量;

4)测量重复性引入的不确定度分量。

6.4 噪声系数测试

目前对噪声系数测试主要有两种方法:基于噪声系数分析仪或频谱仪的Y系数法(也称冷/热噪声源)和基于矢量网络分析仪的冷源法［7］。冷源法中通过阻抗调谐能够很大程度上减少失配带来的误差，精度高于Y系数法，未来很可能成为噪声系数测试的主角。Agilent公司PNA-X矢网采用电子校准件作为阻抗Tuner，通过网络仪前面板跳线连接到端口1的前面，如图7所示。

图7 阻抗Tuner连接图

利用矢量网络分析仪测试噪声系数的不确定度分量:

1)S参数测量的不确定度分量;

2)功率探头的不确定度分量;

3)噪声校准的抖动引入的不确定度分量;

4)噪声测量的抖动引入的不确定度分量;

5)噪声接收机的压缩程度和噪声接收机温度的漂移引入的不确定度分量;

6)测量重复性引入的不确定度分量。

其中最大的误差来源是S21的测量不确定度。使用Y系数法主要误差来源是噪声源与被测件之间的失配。

Agilent公司和R/S公司都提供了噪声系数测量不确定度分析软件，给出测试结果的同时，也给出测量结果不确定度分析。

6.5 混频电路测试

PNA，ZVA系列矢量网络分析仪具备混频电路测试能力，在混频电路测试时，内置第二个激励源提供被测混频器的本振激励，能够完成对混频电路传输、反射和隔离参数的测试，矢量网络分析仪混频器矢量校准技术支持对混频器变频传输特性绝对时延和幅频参数的测试，实现对混频电路完整的测试功能。

混频器测试，输入输出不同频，矢量网络分析仪采用先进的矢量校准技术以提高测试的精度，端口校准消除端口的失配、方向性及反射频响误差的校准，矢量校准消除参考混频器引起的频响误差。对混频电路测试，S参数(除群时延、相位)、增益压缩、互调失真、噪声系数测试，测量不确定度分析参照输入输出同频设备的情况。群时延和相位测试需要进行矢量校准，可以采用参考混频器、校准混频器与被测混频器并连配置方案，或者采用相位参考件(梳妆波发生器)，而无论采用何种方式，都需要考虑校准后的参考混频器、校准混频器或者相位参考件的频响误差，矢量网络分析仪经校准后各频点之间的残余线性相位关系也是引起测量不确定度的因素。

7 结束语

新一代的矢量网络分析仪除了S参数测试功能外，还具有增益压缩、互调失真、噪声系数、混频测试等能力，探讨矢量网络分析仪在这些方面的溯源途径，将促进矢量网络分析仪在计量领域得以更好应用。测量不确定在计量工作中具有重要作用，分析矢量网络分析仪测量不确定度，有助于更好地进行计量溯源量传。

［1］PNA Series Network Analyzer Help［Z］.Agilent Technologies.

［2］ZVA Series Network Analyzer Help［Z］.Rohde＆Schwarz Technologies.

［3］刘欣萌.网络分析仪校准技术培训［Z］.北京:中国计量科学研究院信息电子所.

［4］北京无线电计量测试研究所.微波S参数计量培训教材［Z］.

［5］Gerd Wübbeler，Clemens Elster，Thomas Reichel.Determination of the Complex Residual Error Parameters of a Calibrated One-Port Vector Network Analyzer［J］.IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT，2009，58(9):3238-3244.

［6］陈涛.矢量网络分析仪校准误差分析［J］.微波学报，2010(8):592-594.

［7］刘迪.基于Y因子法和冷源法测量噪声系数的比较［Z］.Agilent Technologies.2013.