多端口矢量网络分析技术简介及应用

随着电子技术的不断发展，组成电子设备的各功能模块的集成度不断提高。这些高集成度的模块上通常集成有多个微波射频通路和端口，测试时通常要求作为一个整体进行测量。此外，随着无线通信领域的快速增长，功分器、环形器和耦合器等具有三个或四个端口的器件已经非常普遍。使用传统的双端口网络分析仪对这些复杂模块和多端口器件进行测量，不仅需要测量多次，测量时还需用高质量的匹配负载端接在器件的非测量端口，以减小反射误差。为了提高测试效率和测量精度，多端口矢量网络分析仪应运而生。

1.多端口S参数

一个多端口网络示意图如图12-34所示。

图12-33 NVNA的组成框图

图12-34 多端口网络示意图

定义多端口网络的归一化入射波a_i（i=1，2，…，n）和归一化出射波b_i（i=1，2，…，n）为

式中，U_i为i端口电压；I_i为i端口电流；Z_0i为i端口阻抗。

根据归一化入射电压和归一化出射电压，定义多端口网络的S参数为

此定义说明，S_ij可通过在端口j上施加入射波a_j作为激励、在端口i上测量出射波b_i来求得，条件是除端口j外的所有其他端口上的入射波为零。这意味着所有其他端口应以匹配负载端接，以避免反射。

多端口散射参数有着明确的物理意义：S_ii是当所有其他端口端接匹配负载时端口i上的反射系数，S_ij是当所有其他端口端接匹配负载时从端口j至端口i的传输系数。可见，双端口网络其实仅是多端口网络的一个特例。

2.多端口矢量网络分析仪

实现多端口矢量网络分析的方法大致有两种：一种是在双端口VNA的基础上，使用电子或机械开关进行端口扩展；另一种方法是采用多源模式实现真正的多端口网络测量。

图12-35所示为一种通过切换开关使双端口VNA具备多端口测试能力的多端口VNA结构框图。这种方法以较低成本实现了多端口网络参数测量，但在测量混频器等有源器件时，仍需增加外部信号源作为本振。

在图12-36所示的多源模式多端口VNA中，每一对端口都有自己的专用信号源，各信号源的输出频率、功率均可独立设置，但由公共时基进行同步，可以共用一套中频处理及数字电路，采用多端口矢量误差修正，以实现高精度测量。

图12-35 基于双端口VNA的多端口VNA示意图

图12-36 每个端口都具备独立信号源的多端口VNA示意图

与传统VNA相比，这种多源架构相当于将多个双端口VNA集成于一个机箱内，功能配置极其灵活。为了说明这一点，给出一个典型的多端口VNA内部的测量装置框图，如图12-37所示。图中，激励源1、2表示2个独立的信号源，R₁～R₄表示4个参考接收机，A、B、C、D表示4个测量接收机。

对数字①～⑥标识处的简单说明如下：

①每个测试端口都对应于1套独立的测试装置和测试设备，包括测试信号通路和参考信号通路的耦合器、测试信号接收机和参考信号接收机、信号源衰减器和测量接收机衰减器、直流偏置部件。

图12-37 多端口VNA内部的测量装置框图

②内置信号合路器，可简化互调失真测试和非线性参数测试中仪器设置的复杂度。

③内置脉冲信号调制器，可取代外部调制器，使VNA能一体化地完成射频脉冲测量。(www.xing528.com)

④后面板跳线接口，应用灵活，无需移动DUT电缆即可增加测试设备，或向测试路径中接入新的测试设备。

⑤内置脉冲发生器。

⑥通过内置低噪声测量接收机和适用的校准及测量算法，可实现精确的噪声系数测量。

由于仪器内部增加了很多射频开关、分路器、合路器及耦合器等器件，能够根据测试需要组合出许多射频路径，并可以通过菜单和程控命令进行路径切换，因而具备单次连接多次测量（Single Connection Multiple Measurement，SCMM）的能力；考虑到混频器等变频DUT的测试需求，增加了参考混频器用于进行频率匹配变换，同时，双源可分别为DUT提供测试激励和变频本振，因而能方便地进行变频器件的相位或群延迟测量。所以，多端口VNA除了具备S参数、压缩和谐波等传统单信号源的常规测量功能外，它更适合于进行互调失真、热态S参数、有源器件参数等需多个信号源才能完成的测试。

3.多端口VNA应用举例

（1）双音互调失真（Intermodulation Distortion，IMD）测试

传统的IMD测量通常需要2个信号源、1台频谱仪和外接的信号合路器。当需要进行频率扫描或功率扫描时，测量过程非常缓慢。另外，对这些仪器分别进行测量设置，很难权衡考虑信号源的谐波、交调、相位噪声与测量接收机的压缩、本底噪声等各方面因素，将导致测量结果的误差。

在多端口VNA中，上述不便之处可获得解决。利用多端口VNA的多个内置信号源和信号合路器，能够快速、方便地完成IMD的扫描测量，且仪器设置简便，测量速度快。图12-38所示为使用多端口VNA进行IMD测量的仪器内部配置情况。

图12-39给出了多端口VNA中可能的IMD测量显示结果。其中，右图显示的是左图中IMD扫描测量曲线上Marker所对应的频点处的互调频谱。

图12-38 使用多端口VNA进行IMD测量

图12-39 IMD测量结果

（2）混频器和变频器特性的精确表征

用传统的VNA测量混频器等变频器件的特性，面临一个根本性问题：VNA进行频率特性分析的前提是DUT为线性器件或系统，而变频器件本来就是非线性的。为解决这个问题，传统的VNA测量需要外接一对频率特性相互“对称”的“标准混频器”，同时需要外接信号源，用以向被测混频器及“标准混频器”对提供变频本振。这种方法繁琐、测量速度慢，且无法得到DUT的相位或群时延信息。同时，为了处理因失配引起的纹波，经常需要在测试路径中额外加入衰减器，这将降低测量系统的动态范围，校准的稳定性也会受到影响。

如图12-40所示，多端口VNA特别适于测量变频器件。图中，多端口VNA内置的激励源2可用作本振；输入和输出的失配校准可减少纹波现象，因而在测量配置中省去了使用衰减器的麻烦。这种混频器/变频器测量技术能够保证相对精确的输入和输出匹配，获得更精确的变频损耗/增益测量结果，同时相位和绝对群时延测量结果中的噪声也很小。

（3）使用差分激励测量差分放大器

传统VNA在测量差分放大器时使用巴仑（Balun，平衡-不平衡阻抗转换器，是一种带限器件），无法给出器件的共模特性、差模-共模变换特性和共模-差模变换特性。巴仑的相位误差还会导致差分响应测量结果不准确。使用多端口VNA进行一体化差分激励，能够用真正的差分和共模激励信号测得差分放大器的混合模式S参数。测量配置如图12-41所示。通过在DUT输入端口进行失配误差校准，可以把两路激励源之间的相位误差降低到最小。

图12-40 使用多端口VNA测量变频器件

图12-41 在差分激励条件下测量差分放大器

（4）噪声系数测量

测量噪声系数的方法之一是冷源法，或称为直接噪声测量技术。这种方法需在被测放大器（Amplifer Under Test，AUT）的输入端额外连接一个室温的阻抗调谐器（即“冷”负载），并对AUT的增益进行独立的测量。相对噪声系数分析仪和频谱分析仪而言，在VNA上实现这种测量是非常适宜的，因为VNA擅长于进行增益/衰减（S₂₁）的测量，并可通过误差校准技术达到很高的测量精度，甚至还可以同时完成噪声系数和S参数的测量，如图12-42所示。

图12-42 多端口VNA的噪声系数测量应用配置

图12-43为一种可能的噪声系数测量的双视窗显示结果，其中上图所示为测得的噪声系数曲线，下图所示为以标准差形式给出的噪声系数测量不确定度。

图12-43 噪声系数测量结果显示