利用矢量网络分析仪测试大动态范围微波器件的几种方法

随着射频微波通信技术的快速发展，对微波器件的测量精度、动态范围及测试效率提出了更高要求。矢量网络分析仪（VNA）作为微波S参数测试的核心设备，在传输与反射特性测量中具有不可替代的优势。然而，当被测器件（DUT）动态范围较大时，若不采取有效措施，测试结果易受仪器本底噪声、非线性失真和串扰等因素影响。因此，合理优化VNA测试配置，是实现高精度测量的关键。

VNA的测量动态范围定义为接收机能响应的最大输入功率与最小可测功率（即本底噪声）之间的差值。为确保测量准确性，通常要求VNA的动态范围大于DUT至少10dB。影响动态范围的主要因素包括接收机最大输入功率和本底噪声水平。为此，可通过提升输入信号强度、降低噪声干扰、抑制串扰等手段进行优化。

1. 矢量网络分析仪工作原理

了解矢量网络分析仪的工作原理和动态范围的定义，对开展大动态范围器件的测试很有必要。矢量网络分析仪，是同时具备信号源和接收机（包括参考接收机和测量接收机）功能的高精度测量仪器，矢量网络分析仪工作原理框图 ，如图1所示。

图1  矢量网络分析仪的原理框图

矢量网络分析仪的测量动态范围，是指矢量网络分析仪接收机能测量到输入的最大功率和最小可测功率（本底噪声）之间的差值。要使测量正确有效，输入信号必须在这个范围内。图2为矢量网络分析仪的测量动态范围示意图。

1）测量动态范围的上限在系统工作电平较大时会受到系统非线性压缩的影响。

2）动态范围的下限在小信号状态下会受到系统噪声门限的影响。

为了减小测量的不确定度，矢量网络分析仪的动态范围要比被测微波器件的动态范围大，例如，当被测信号至少比本底噪声高10dB时，才能有效提高精度。

2. 利用矢量网络分析仪测试大动态范围器件的几种方法

2.1 提高被测微波器件的输入功率

在安全范围内提升DUT输入功率，有助于增强输出信号强度，提升信噪比。但需注意避免接收机压缩或损坏，尤其对于高增益放大器类器件，应谨慎设置源输出功率。建议使用外接功率计校准VNA激励电平，减少因源电平偏差导致的测量误差。

2.2 减小中频带宽

降低中频带宽可显著减小本底噪声，每减小10倍带宽，动态范围约提升10dB。虽然小带宽会延长扫描时间，但可通过分段扫描策略优化：在滤波器通带内采用较大带宽以提高速度，在阻带则切换至小带宽以保证精度。

2.3 设置扫描平均

增加矢量网络分析仪扫描平均，可降低随机噪声对测量的影响，从而增大测量动态范围。矢量网络分析仪通过几次连续扫描，对同一个测量点取平均来计算每一个测量值，平均次数越多，越能够有效降低噪声对测量的影响。  

设置扫描平均通常在【Response】/(响应)菜单下【Avg】/(平均)子菜单中进行设置，需要同时设置【Average ON/Off】/(平均打开/关闭)和【Average Factor】/(平均因子)参数。开启平均扫描功能后，降低了随机噪声对测量的影响，扩大了测量动态范围。如图5所示。

图5 矢量网络分析仪启用平均后的随机噪声

增加扫描平均次数，会使扫描时间变长，通常情况下采用增加扫描平均降低噪声提高动态范围，要比减小中频带宽所需时间要长，尤其是平均次数较多时。

2.4 减少矢量网络分析仪接收机串扰

在低电平信号测试中，VNA内部信号路径间的串扰不可忽视。可采用交替扫描模式，即每次仅开启一个接收机，减少相互干扰；同时，进行隔离校准（Isolation Calibration），在双端口接负载条件下提取串扰误差并予以修正，显著提升校准精度。

2.5 利用矢量网络分析仪面板跳线

部分矢量网络分析仪安装有面板跳线，比如KEYSIGHT公司的高性能PNA系列矢量网络分析仪，利用这些跳线可以实现较多扩展测试功能，在测试大动态范围器件时就可以使用。

为扩大矢量网络分析仪测量动态范围，可以绕过测试端口耦合器而直接将信号馈入接收机。如图所示，信号不接测试端口，先取下CPLR ARM—RCVR A IN连接端子，再将信号直接与RCVR A IN连接。

综上所述，测试大动态范围微波器件需综合运用多种技术手段。在实际操作中，应根据DUT特性灵活配置中频带宽、平均次数、扫描模式，并严格执行隔离校准。必要时可借助硬件跳线或外接仪表辅助测量。