毫米波网络分析仪系统电缆移动误差分析

1 引 言

毫米波频段具有宽带、分辨力高、小型化等优点。当前随着5G、汽车雷达、安检成像、深空探测等技术的发展，诸多毫米波领域的应用已日趋成熟，产品陆续面世。毫米波频段已经开始并将逐步受到各种应用领域的关注。

矢量网络分析仪是现代电子测量领域应用最广、使用量最大的测量仪器之一。随着毫米波技术的发展，各微波厂商相继推出毫米波宽带网络分析仪系统用于毫米波系统、组件或器件的散射(S)参数精确测试。毫米波网络分析仪系统由网络分析仪主机和扩频模块组成，它们通过射频电缆(RF)、本振电缆(LO)、测试中频电缆(Test IF)、参考中频电缆(Ref IF)和供电线连接。毫米波网络分析仪系统在校准和测试过程中经常需要移动扩频模块，两者之间的连接电缆组不可避免会发生移动[1]。本文首先分析了电缆移动对毫米波网络分析仪系统S参数测量引入的影响，然后建立了毫米波网络分析仪的电缆移动测量模型，依据信号流图分析了移动电缆网络参数误差，并探讨了由于电缆移动导致毫米波网络分析仪系统传输幅度误差和传输相位误差的修正方法。

2 电缆移动对毫米波网络分析仪S参数影响分析

2.1 毫米波网分简介

毫米波网络分析仪系统组成如图1所示。扩频控制器将网络分析仪主机提供的RF、LO信号功分两路给扩频模块，并将Ref IF和Test IF送至网络分析仪主机进行处理。毫米波网络分析仪主要测量两端口网络的S参数，即反射参数S11和S22、传输参数S21和S12。

图1 毫米波网络分析仪系统组成图

Fig.1 Mm-wave Vector Analyzer

2.2 反射参数影响分析

毫米波网络分析仪反射参数测量信号流图如图2所示。反射参数S11为测试中频1与参考中频1的比值，反射参数S22为测试中频2与参考中频2的比值。以S11为例分析电缆移动引入的影响。

图2 毫米波网分反射参数测量示意图

Fig.2 Reflection parameter testing of Mm-VNA

假设毫米波网络分析仪系统射频信号RF为A1ej(2πfRFt+φ1)，本振信号LO为A2ej(2πfLOt+φ2)，分别经过M、N次倍频后信号为ARFej(2πMfRFt+φRF)、ALOej(2πNfLOt+φLO)，由信号流图可知S11为

=Γej(φ)

(1)

式中：Γej(φ)——被测件的反射系数。

由上述分析可知，S11测量时RF信号和LO信号属于共模分量，可以抵消。因此RF和LO电缆移动对毫米波网络分析仪S11测量影响甚微。同理得到电缆移动对S22影响较小[2]。

2.3 传输参数影响分析

毫米波网络分析仪传输测量信号流图如图3所示。传输参数S21为测试中频2与参考中频1的比值，传输参数S12为测试中频1与参考中频2的比值。以S21为例分析电缆移动引入的影响。

图3 毫米波网分传输参数测量示意图

Fig.3 Transform parameter testing of Mm-VNA

假设毫米波网络分析仪系统射频信号RF为A1ej(2πfRFt+φ1)，本振信号LO1为A2ej(2πfLOt+φ2)，LO2为A3ej(2πfLOt+φ3)，分别经过M、N次倍频后信号为ARFej(2πMfRFt+φRF)、ALO1ej(2πNfLOt+φLO1)、ALO2ej(2πNfLOt+φLO2)。

由信号流图可知S21为

(2)

式中：Tej(φT)——被测件的传输系数。

由上述分析可知，S21测量时RF信号属于共模分量，可以抵消。但是LO1信号和LO2信号变化量不能相互抵消，将对毫米波网络分析仪S21测量引入误差。相同结论适用于S12。

3 毫米波网分电缆移动测量模型

本振电缆移动是影响毫米波网络分析仪传输参数测量的主要因素。LO电缆移动引起的主要误差[3]包括：1)电缆在运动过程中由于弯曲扭曲的反射变化；2)源失配；3)扩频模块连接端口失配。LO电缆移动系统可认为由运动长电缆、终端扩频模块及终端负载组成，信号流图如图4所示，其中网络A表示运动长电缆的S参数，是变化的，互易的；网络B表示运动长电缆与扩频模块之间的连接，S参数不变，Zl表示扩频模块后端接的负载。

图4 本振电缆移动系统信号流图

Fig.4 Signal flow of LO cables moving system

为了获取LO电缆移动时其电参数的变化量，本文构建测试系统如图5所示。网络分析仪主机输出LO信号，经定向耦合器1直通臂与扩频模块连接，两个耦合臂分别连接网络分析仪1的R1通道和A通道，则A/R1反映了LO1电缆移动的变化。同理采用网络分析仪1和定向耦合器2可测得LO2电缆移动的变化量。

图5 LO电缆移动测试系统连接图

Fig.5 LO cables moving test system

4 LO电缆散射参数变化量获取

4.1 反射参数变化量

LO电缆移动后，从电缆端口看入的反射参数变化主要由电缆移动、失配等因素引入的，基于图4可将LO电缆反射参数测量信号流图简化如图6所示。

图6 反射参数信号流图

Fig.6 Signal flow of reflection coefficient

从LO电缆端口看入的反射系数为

Γ=S11a

(3)

式(3)中，第二项用Γ′表示，表示除第一个反射点之外的反射信号。分子表示从网络B(即LO电缆与扩频模块连接网络)的一次反射，用Γ′p表示。网络B的S参数不随LO长电缆移动而改变，即[S11b(1-S22bΓl)+S21bS12bΓl]模值和相位不变，记为|B|和φB。分母用Γ′q表示，则Γ′模值和相位为

(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′模值变化量和相位变化量为

=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变化；Δφ′p——网络B反射相位变化。

采用网络分析仪时域功能进行测量。网络分析仪1工作A/R1模式，将其转换到时域。选择较宽的时域门，将除第一个反射峰之外的多个反射峰选取出来，再转换为频域响应，即为Γ′。设置较窄的时域门，在扩频模块与本振电缆连接处进行时域选通并转换到频域，即为Γ′p。分别测量LO电缆移动前后的，继而得到

4.2 传输参数变化量

LO电缆移动后，运动长电缆传输参数测量信号流图可以简化如图7所示。

图7 传输参数信号流图

Fig.7 Signal flow of transmission coefficient

LO电缆传输系数T为

(8)

网络B的S参数不随运动长电缆的移动而改变，即[S21b(1-ΓlS22b)]模值和相位不变，记为|C|和φC。则T模值和相位为

(9)

φT=(φ21a+φC)-φ′q

(10)

则LO电缆传输系数T模值变化量和相位变化量为

Δ|T|dB=Δ|S21a|dB-ΔΓ′q(dB)

(11)

ΔφT=Δφ21a-Δφ′q

(12)

网络A(运动长电缆网络)互易，可知

Δ|T|dB=Δ|S21a|dB-ΔΓ′q(dB)

(13)

将式(6)代入式(13)可得

(14)

同理可以推得

(15)

根据上文得到的可以得到LO电缆传输幅度误差Δ|T|dB和传输相位误差ΔφT。

5 毫米波网分传输参数修正及实验

采用美国keysight N5225B网络分析仪和美国OML V10VNA2-T/R-N5260A 3mm扩频模块组成3mm网络分析仪系统。采用Keysight N5225A网络分析仪、11645B定向耦合器组建LO电缆移动测量系统[4]。两台网分工作在外触发模式(Channel1、点触发、上升沿有效)，3mm网络分析仪频率为(75～110)GHz，点数201，网分N5225A频率为本振信号频率(9.375～13.75)GHz，点数201。两台网分共时基。网分N5225A采用A和R接收机比值测量模式，中频带宽大于1MHz，避免出现接收不到或仅接收部分测试信号的情况。信号发生器(Pulse Vedio)功分两路为两台网分(MEAS Trigger In)提供外触发信号。

连接系统如图8所示，N5225A选择S11，在定向耦合器输出端完成网分(N5225A)单端口校准；连接定向耦合器输出端和扩频模块LO端；执行3mm网络分析仪校准；连接被测；采用网分(N5225A)和3mm网络分析仪分别测量LO电缆移动前后的和被测S21[5-8]。

图8 LO电缆移动测量系统连接图

Fig.8 LO cables moving test system

被测件为20dB衰减器和直通的实验结果如图9所示。LO采用3m稳相电缆连接。LO电缆移动前后，直通S21幅度分别为(-0.02～+0.01)dB和(-0.01～+0.02)dB，20dB衰减器分别为(-21.04～-20.22)dB和(-21.03～-20.21)dB，电缆移动前后幅度变化很小，因此本文不对S21幅度做修正。LO电缆移动前后，直通S21相位变化量为7.05°～10.42°，20dB衰减器相位变化量为7.53°～11.31°，本文对S21相位进行修正，修正后最大误差约为1°。

图9 测试结果对比图

Fig.9 The comparsion of tested result

6 结束语

毫米波网络分析仪系统测试时，连接电缆不可避免会发生移动。本文基于定向耦合器和网络分析仪构建测量系统，提出了一种LO电缆移动对毫米波网络分析仪传输参数产生误差的修正方法。并在实验室环境下采用毫米波网络分析仪封闭系统进行了实验。在很多毫米波网络分析仪开放式系统中，LO电缆很长，由此引入的毫米波网络分析仪传输相位将会有更大误差，采用本方法可以有效提高S21传输相位的测量准确度。