毫米波網絡分析儀系統電纜移動誤差分析

張 娜 馮麗穎 陳 婷 劉 杰 鄧姝沛 郝瑞芳

(1.北京無線電計量測試研究所，北京 100039;2.河北省產品質量監督檢驗研究院，河北石家莊 050200)

1 引 言

毫米波頻段具有寬帶、分辨力高、小型化等優點。當前隨著5G、汽車雷達、安檢成像、深空探測等技術的發展，諸多毫米波領域的應用已日趨成熟，產品陸續面世。毫米波頻段已經開始并將逐步受到各種應用領域的關注。

矢量網絡分析儀是現代電子測量領域應用最廣、使用量最大的測量儀器之一。隨著毫米波技術的發展，各微波廠商相繼推出毫米波寬帶網絡分析儀系統用于毫米波系統、組件或器件的散射(S)參數精確測試。毫米波網絡分析儀系統由網絡分析儀主機和擴頻模塊組成，它們通過射頻電纜(RF)、本振電纜(LO)、測試中頻電纜(Test IF)、參考中頻電纜(Ref IF)和供電線連接。毫米波網絡分析儀系統在校準和測試過程中經常需要移動擴頻模塊，兩者之間的連接電纜組不可避免會發生移動[1]。本文首先分析了電纜移動對毫米波網絡分析儀系統S參數測量引入的影響，然后建立了毫米波網絡分析儀的電纜移動測量模型，依據信號流圖分析了移動電纜網絡參數誤差，并探討了由于電纜移動導致毫米波網絡分析儀系統傳輸幅度誤差和傳輸相位誤差的修正方法。

2 電纜移動對毫米波網絡分析儀S參數影響分析

2.1 毫米波網分簡介

毫米波網絡分析儀系統組成如圖1所示。擴頻控制器將網絡分析儀主機提供的RF、LO信號功分兩路給擴頻模塊，并將Ref IF和Test IF送至網絡分析儀主機進行處理。毫米波網絡分析儀主要測量兩端口網絡的S參數，即反射參數S11和S22、傳輸參數S21和S12。

圖1 毫米波網絡分析儀系統組成圖

2.2 反射參數影響分析

毫米波網絡分析儀反射參數測量信號流圖如圖2所示。反射參數S11為測試中頻1與參考中頻1的比值，反射參數S22為測試中頻2與參考中頻2的比值。以S11為例分析電纜移動引入的影響。

圖2 毫米波網分反射參數測量示意圖

假設毫米波網絡分析儀系統射頻信號RF為A1ej(2πfRFt+φ1)，本振信號LO為A2ej(2πfLOt+φ2)，分別經過M、N次倍頻后信號為ARFej(2πMfRFt+φRF)、ALOej(2πNfLOt+φLO)，由信號流圖可知S11為

=Γej(φ)

(1)

式中：Γej(φ)——被測件的反射系數。

由上述分析可知，S11測量時RF信號和LO信號屬于共模分量，可以抵消。因此RF和LO電纜移動對毫米波網絡分析儀S11測量影響甚微。同理得到電纜移動對S22影響較小[2]。

2.3 傳輸參數影響分析

毫米波網絡分析儀傳輸測量信號流圖如圖3所示。傳輸參數S21為測試中頻2與參考中頻1的比值，傳輸參數S12為測試中頻1與參考中頻2的比值。以S21為例分析電纜移動引入的影響。

圖3 毫米波網分傳輸參數測量示意圖

假設毫米波網絡分析儀系統射頻信號RF為A1ej(2πfRFt+φ1)，本振信號LO1為A2ej(2πfLOt+φ2)，LO2為A3ej(2πfLOt+φ3)，分別經過M、N次倍頻后信號為ARFej(2πMfRFt+φRF)、ALO1ej(2πNfLOt+φLO1)、ALO2ej(2πNfLOt+φLO2)。

由信號流圖可知S21為

(2)

式中：Tej(φT)——被測件的傳輸系數。

由上述分析可知，S21測量時RF信號屬于共模分量，可以抵消。但是LO1信號和LO2信號變化量不能相互抵消，將對毫米波網絡分析儀S21測量引入誤差。相同結論適用于S12。

3 毫米波網分電纜移動測量模型

本振電纜移動是影響毫米波網絡分析儀傳輸參數測量的主要因素。LO電纜移動引起的主要誤差[3]包括：1)電纜在運動過程中由于彎曲扭曲的反射變化；2)源失配；3)擴頻模塊連接端口失配。LO電纜移動系統可認為由運動長電纜、終端擴頻模塊及終端負載組成，信號流圖如圖4所示，其中網絡A表示運動長電纜的S參數，是變化的，互易的；網絡B表示運動長電纜與擴頻模塊之間的連接，S參數不變，Zl表示擴頻模塊后端接的負載。

圖4 本振電纜移動系統信號流圖

為了獲取LO電纜移動時其電參數的變化量，本文構建測試系統如圖5所示。網絡分析儀主機輸出LO信號，經定向耦合器1直通臂與擴頻模塊連接，兩個耦合臂分別連接網絡分析儀1的R1通道和A通道，則A/R1反映了LO1電纜移動的變化。同理采用網絡分析儀1和定向耦合器2可測得LO2電纜移動的變化量。

圖5 LO電纜移動測試系統連接圖

4 LO電纜散射參數變化量獲取

4.1 反射參數變化量

LO電纜移動后，從電纜端口看入的反射參數變化主要由電纜移動、失配等因素引入的，基于圖4可將LO電纜反射參數測量信號流圖簡化如圖6所示。

圖6 反射參數信號流圖

從LO電纜端口看入的反射系數為

Γ=S11a

(3)

式(3)中，第二項用Γ′表示，表示除第一個反射點之外的反射信號。分子表示從網絡B(即LO電纜與擴頻模塊連接網絡)的一次反射，用Γ′p表示。網絡B的S參數不隨LO長電纜移動而改變，即[S11b(1-S22bΓl)+S21bS12bΓl]模值和相位不變，記為|B|和φB。分母用Γ′q表示，則Γ′模值和相位為

(4)

φΓ′=(φ21a+φ12a+φB)-φ′q=φ′p-φ′q

(5)

式中：φΓ′——Γ′的相位φ′P——Γ′P的相位；φ′q——Γ′q的相位；φ21a——S21a的相位；φ12a——S12a的相位。

Γ′模值變化量和相位變化量為

=Δ|Γ′p|dB-ΔΓ′q(dB)

(6)

ΔφΓ′=Δφ21a+Δφ12a-Δφ′q=Δφ′p-Δφ′q

(7)

式中：ΔφΓ′——除了第一反射峰之外其它所有反射峰的相位變化；Δφ′p——網絡B反射相位變化。

4.2 傳輸參數變化量

LO電纜移動后，運動長電纜傳輸參數測量信號流圖可以簡化如圖7所示。

圖7 傳輸參數信號流圖

LO電纜傳輸系數T為

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(8)

網絡B的S參數不隨運動長電纜的移動而改變，即[S21b(1-ΓlS22b)]模值和相位不變，記為|C|和φC。則T模值和相位為

(9)

φT=(φ21a+φC)-φ′q

(10)

則LO電纜傳輸系數T模值變化量和相位變化量為

Δ|T|dB=Δ|S21a|dB-ΔΓ′q(dB)

(11)

ΔφT=Δφ21a-Δφ′q

(12)

網絡A(運動長電纜網絡)互易，可知

Δ|T|dB=Δ|S21a|dB-ΔΓ′q(dB)

(13)

將式(6)代入式(13)可得

(14)

同理可以推得

(15)

5 毫米波網分傳輸參數修正及實驗

采用美國keysight N5225B網絡分析儀和美國OML V10VNA2-T/R-N5260A 3mm擴頻模塊組成3mm網絡分析儀系統。采用Keysight N5225A網絡分析儀、11645B定向耦合器組建LO電纜移動測量系統[4]。兩臺網分工作在外觸發模式(Channel1、點觸發、上升沿有效)，3mm網絡分析儀頻率為(75～110)GHz，點數201，網分N5225A頻率為本振信號頻率(9.375～13.75)GHz，點數201。兩臺網分共時基。網分N5225A采用A和R接收機比值測量模式，中頻帶寬大于1MHz，避免出現接收不到或僅接收部分測試信號的情況。信號發生器(Pulse Vedio)功分兩路為兩臺網分(MEAS Trigger In)提供外觸發信號。

連接系統如圖8所示，N5225A選擇S11，在定向耦合器輸出端完成網分(N5225A)單端口校準；連接定向耦合器輸出端和擴頻模塊LO端；執行3mm網絡分析儀校準；連接被測；采用網分(N5225A)和3mm網絡分析儀分別測量LO電纜移動前后的和被測S21[5-8]。

圖8 LO電纜移動測量系統連接圖

被測件為20dB衰減器和直通的實驗結果如圖9所示。LO采用3m穩相電纜連接。LO電纜移動前后，直通S21幅度分別為(-0.02～+0.01)dB和(-0.01～+0.02)dB，20dB衰減器分別為(-21.04～-20.22)dB和(-21.03～-20.21)dB，電纜移動前后幅度變化很小，因此本文不對S21幅度做修正。LO電纜移動前后，直通S21相位變化量為7.05°～10.42°，20dB衰減器相位變化量為7.53°～11.31°，本文對S21相位進行修正，修正后最大誤差約為1°。

6 結束語

毫米波網絡分析儀系統測試時，連接電纜不可避免會發生移動。本文基于定向耦合器和網絡分析儀構建測量系統，提出了一種LO電纜移動對毫米波網絡分析儀傳輸參數產生誤差的修正方法。并在實驗室環境下采用毫米波網絡分析儀封閉系統進行了實驗。在很多毫米波網絡分析儀開放式系統中，LO電纜很長，由此引入的毫米波網絡分析儀傳輸相位將會有更大誤差，采用本方法可以有效提高S21傳輸相位的測量準確度。