负载匹配对测量结果的影响

胡小兰 陈丽 祝林林 董建军

摘要：由于硬件特性的不理想，矢量网络分析仪原始方向性、源匹配、负载匹配、测试通道之间的传输跟踪、反射跟踪以及通道间的串扰是随机误差的主要来源，虽然可以通过校准方法进行减小，但不能完全消除，因此测量结果不是被测件的真实特性，而是包含了测量误差。其中负载匹配既影响反射测试又影响传输测试，影响程度取决于被测件的真实阻抗和输出等效失配。

关键词：矢量网络分析仪;负载匹配;源匹配;测量不确定度

0、前言

矢量网络分析仪是用来测量射频、微波和毫米波网络特性的仪器，它通过施加合适的激励源到被测网络并接收和处理网络的响应信号，计算和量化被测网络的网络参数，它能同时测量出网络的幅度特性和相位特性，是最常用的微波测量仪器之一。测量往往伴随着误差，矢量网络分析仪也一样，得到的测量结果并不是被测件的真实特性，而是包含了测量误差。

1、负载匹配定义

在测量双端口网络参数时，理想情况下，入射信号经被测件（DUT）传

输并在传输通道内测出。实际上，一部分信号被端口反射而未在传输通道内被测量。这类测量称为负载匹配误差。具体来说，负载匹配误差是由于被测件输出端匹配不理想引起的，即被测件的输出端和测试系统的2 口阻抗不匹配。如图1 所示。一部分传输信号由2 口反射回被测件。反射信号一部分经再次反射回到2 口，一部分通过被测件作为反向信号进入1 口。通常用回波损耗来表征负载匹配，回波损耗值愈大，指标越好，所引起的测量误差愈小。

负载匹配带来的误差既影响传输测量也影响反射测量，误差的大小取决于被测件的输出端和2 口的阻抗匹配。下面举例说明负载匹配是如何影响反射测量和传输测量的。

2、负载匹配对反射测量的影响

如图1，在进行反射测量时，假设DUT 的传输系数为η，负载匹配为ML，源匹配误差可忽略，由于负载匹配导致的误差B=η*ML*η，A 为引入方向性误差的被测反射信号，由于负载匹配导致的实际反射测量结果最坏情况可能是A±B。举例说明，如图2，用方向性为40dB，负载匹配为18dB 的矢量网络分析仪1 和方向性为40dB，负载匹配为25dB 的矢量网络分析仪2 分别对回波损耗为16dB（0.158）、插入损耗为1dB（0.891）的被测件（比如1dB 的衰减器）进行反射测试时，负载匹配对回波损耗测量的影响计算如下：

由已知得：Ρ 方向性=10（-40/20）=0.01

ML1=10（-18/20）=0.126，ML2=10（-25/20）=0.056

η=0.891

B1= η*ML1* η=0.891*0.126*0.891=0.1，B2= η*ML2* η=0.891*0.056*

0.891=0.045

因此网络分析仪1 测量结果最坏可能为Ρmax=0.158+0.01+0.1=0.268，

Ρmin=0.158-0.01-0.1=0.048 之间，

换算成dB 为RLmax=-20lg0.268=11.43dB，RLmin=20lg0.048=26.37dB 之间，

测量不确定度为（11.43dB-16dB=-4.57dB，26.37dB-16dB=10.37dB），即10.37dB/-4.57dB。

网络分析仪2 测量结果最坏可能为Ρmax=0.158+0.01+0.045=0.213，Ρmin=0.158-0.01-0.045=0.103 之间，

换算成dB 为RLmax=-20lg0.268=13.43dB，RLmin=20lg0.048=19.74dB 之间，

测量不确定度为（13.43dB-16dB=-2.57dB，19.74dB-16dB=3.74dB）即3.74dB/-2.57dB。

假设上面例子被测件的插入损耗为6dB（0.5），其它条件不变，从同样的过程可得到：

网络分析仪1 测量结果最坏可能为

Ρmax=0.158+0.01+0.5*0.126*0.5=0.1995，

Ρmin=0.158-0.01-0. 5*0.126*0.5=0.1165 之间，

换算成dB 为RLmax=-20lg0.1995=14dB，RLmin=20lg0.1165=18.67dB 之间，

测量不确定度为（14dB-16dB=-2dB，18.67dB-16dB=2.67dB），即

2.67dB/-2dB。

网络分析仪2 测量结果最坏可能为

Ρmax=0.158+0.01+0.5*0.056*0.5=0.182，

Ρmin=0.158-0.01-0.5*0.056*0.5=0.134 之间，

换算成dB 为RLmax=-20lg0.182=14.8dB，RLmin=20lg0.134=17.45dB 之间，

测量不确定度为（14.8dB-16dB=-1.2dB，17.45dB-16dB=1.45dB），即

1.45dB/-1.2dB。

3、负载匹配对传输测量的影响

如图3，用原始源匹配和负载匹配分别为14dB 和16dB 的矢量网络分析仪采用归一化校准后对回波损耗为16dB，插入损耗为1dB 的被测件（1dB 衰减器）进行传输测试时，负载匹配对传输测试不确定度最坏情况分别为：1 ±（0.02+0.02+0.032）=1.072 或0.928， 换算成dB 为20lg1.072=0.6dB 或20lg0.928=-0.65dB，即0.6dB/-0.65dB。

当被测件的回波损耗为16dB，插入损耗为6dB 时，传输测试不确定度最坏情况分别为：1±（0.02+0.126*0.5*0.2*0.5+0.032）=1.058 或0.942，换算成dB 为20lg1.058=0.49dB，20lg0.942=-0.52dB，即0.49dB/-0.52dB。

4、结束语

上面的实例，当负载匹配为18dB 对1dB 插损的器件进行反射测试时，其测量不确定度为（-4.57dB，10.37dB），当负载匹配提高到25dB 时，测量不确定度缩小为（-2.57dB，3.74dB）。当负载匹配为25dB 对6dB 插损器件进行测试时，其测量不确定度为（-1.2dB，1.45dB）。

当负载匹配为18dB 对1dB/6dB 插损器件进行传输测试时，其测量不确定度分别为（-0.65dB，0.6dB）、（-0.52dB，0.49dB）。可以用同样的方法对其它情况进行计算。

从计算结果可以得出：负载匹配对测量不确定度的贡献与被测件的真实阻抗和输出等效失配有关，是传输和反射测量中产生测量不确定度的因素之一。当被测件插损小，则由2口反射的信号和由源再次反射的信号会造成很大的误差，因为反射信号经过被测件时衰减很小。当测试元件的插损大于6dB 时，源匹配和负载匹配通常可以忽略，因为误差信号每次通过被测件时都衰减了很多。然而，在传输测量中，对于高反射输出端口的元件来说，负载匹配是主要的误差来源。当需要进行高精度测量时，应选性能较好的网络分析仪并进行较复杂的系统校准方法。

参考文献：

[1].矢量网络分析仪高级测量技术指南 （/美）敦思摩尔（Dunsmore，J. P.）著;陈新等译.微波器件测量手册，北京：电子工业出版社，2014.3.

[2]《. 数字通信测量仪器》编写组编.数字通信测量仪器，第一版，北京： 人民邮电出版社，2007.2.

[3].Keysight Technologies.Applying Error Correction to Network Analyzer Measurements，Published in USA，July31，2014.

作者簡介：

胡小兰（1974-）女，高级工程师，1997年毕业于合肥工业大学，中电科仪器仪表有限公司从事射频微波综合测试仪的研发与工程化。