矢网测试时能不能加衰减器呢

在理解这个问题之前，先来了解一下矢网的误差来源[1]。

矢网的测量误差

矢网的测量误差主要有：

(1) 漂移误差(Drift Errors)

校准后，测试环境等的变化(比如环境温度)，引起矢网性能的变化，即为漂移误差。这可以通过重新校准来消除漂移误差。

(2) 随机误差(Random Errors)

随机误差不可预测，也无法通过校准消除。

随机误差主要来自于：

• 仪器的噪声误差

  仪器的噪声误差主要是因为接收机的噪声系数以及系统中本振的相位噪声。

• 开关可重复性

• 连接器的可重复性

(3) 系统误差(Systmatic Errors)

系统误差是由于VNA本身的非理想性产生。

可以通过校准减小系统误差，但是由于校准步骤的局限性(比如校准件的非理想性)等，校准完后，仍然会有残留误差。也就是说，不可能把系统误差完全校准掉。

系统误差

我们校准时，主要工作就是减小系统误差, 具体原理可见矢网校准到底在较什么呢？那系统误差到底都是哪些呢？

反射测量会产生以下三种系统误差：

• Directivity(方向性)

  如果耦合器是理想的话，在a1只出现源的输入信号，b1只有DUT的反射信号。但是，由于实际定向器件的不理想性，a1中也会出现反射分量，b1中也会出现入射分量。此称为方向性误差。

• Source Match(源匹配)

  理想情况下，DUT反射的信号都会b1接收。但实际上，DUT反射回来的信号会在源和DUT之间来回反射，并且与入射信号叠加，造成测量误差。此称为源匹配误差。

• Frequency Response Reflection Tracking(频率响应反射跟踪)

  理想情况下，a1和b1的频率响应该是相等的。但是由于他俩之间的各种器件(定向耦合器、连接电缆等)的幅相特性也与频率相关，所以a1和b1也具有不同的频响特性。

传输测量会产生以下三种系统误差：

• Isolation(隔离度)

  理论上，信号只有通过DUT才能到b2处，但是由于仪器内部本身隔离度的影响，会有信号不经过DUT，而直接泄露到b2.

• Load Match(负载匹配) 

  理想情况下，入射信号通过DUT到达b2处，被b2接收测量。但实际上，有少部分信号会被端口2反射回去，造成b2接收机的测量误差。该误差称为负载匹配误差。

• Frequency Response Transmission Tracking(频率响应传输跟踪)

  理想情况下，a1和b2的频率响应应该是相等的。但是由于他俩之间的各种器件(定向耦合器、连接电缆等)的幅相特性也与频率相关，所以a1和b2也具有不同的频响特性。

在DUT和测试端口加衰减器

测试放大器时，有时候输出增益太大或者输出功率太高，则可能会在DUT和VNA的测试端口之间，加一衰减器。那到底能不能加这个衰减器呢？

先放出结论，出自文献[2]。

• 如果测试端口和DUT之间的总衰减小于10 dB，可以通过常规校准方法进行补偿，因此测量结果不会有影响；

• 但如果衰减值大于10dB，校准状态会不稳定；

• 如果衰减值超过20dB，则必须使用不同的校准技术，并且S22测量结果不可信。

• 在测试端口耦合器之后增加衰减会使VNA方向性降低两倍的衰减值（以dB为单位）。

先来理解，为什么在定向耦合器后面加衰减器，会使VNA的方向性降低两倍。注意，这边指的是VNA的整体方向性，不是指单个定向耦合器器件的方向性。

定向性可以用上式定义；但更好的一种定义方法，是以它的实际应用场景定义，即耦合器接收端口上的功率反映测试端口上负载变化的能力[2][3]。

从上图可以看到，当输出端接一10dB的衰减器后，隔离度下降为2*10=20dB，由原来的30dB下降为10dB。在直通端接短路负载时，在隔离端出现的信号除了直通端反射回来的信号外，还需要叠加上泄露至隔离端输入信号，在上图中，忽略了此项。

尽管VNA的隔离度下降了，仍然可以通过校准，以获得和原来系统相同的性能；但是会影响校准和测量状态的稳定性[3]。可这又是为什么呢？

在上面说了，直通端接短路负载时，在隔离端出现的信号包括直通端反射回来的信号Er和泄露至隔离端输入信号Edir，所以在隔离端的信号为：

所以在定向耦合器后接一衰减器后，Er被衰减2倍的衰减值。

由上图可知，Er减小，Edir没变，则两者叠加后的信号E受Edir相位变化的影响加大。

虽然通过校准，仍然可以把降低的定向性较掉，但是校准完后，测量信号中的任何相位变化都会影响两个信号之间的相位关系。由于无法预测或建模两个信号之间的相位相互作用的变化，因此它将直接影响校准的稳定性。每次移动电缆时，都会导致校准不稳定。这就是为什么即使VNA校准过程可以校正系统方向性，也最好将DUT放置在尽可能靠近系统定向器件的位置、不要降低系统的定向性。

至于为什么是小于10dB能校正，大于10dB就要有风险了呢？这个我还得再学习学习。

参考文献：

[1] http://na.support.keysight.com/vna/help/latest/S3_Cals/Errors.htm

[2]Joel P. DunsmoreHANDBOOK OF MICROWAVE COMPONENT MEASUREMENTS

[3]https://www.anritsu.com/en-US/test-measurement/solutions/en-us/understanding-directivity