由于現場測試通常在極端條件下進行，因此測量準確度、校驗便捷性、掃描速度和分析儀可移植性都非常重要。

射頻和微波系統及元器件的安裝、故障排除和維護，都需要在各種室內和室外環境及條件下，對其反射和傳輸特性進行測量。這類測量通常會以具現場使用校驗功能的手持式矢量網絡分析儀(VNA)進行。由于測試通常在極端條件下進行，范圍可從安裝戶外信號塔和信號桿的高海拔環境，到輪船、飛機和車輛應用所需的密閉空間，因此測量準確度、校驗便捷性、掃描速度和分析儀可移植性都非常重要。所需的測量可通過具有簡單用戶校驗和快速測量掃描功能的VNA輕松進行，這些功能FieldFox手持式分析儀皆可提供。

使用VNA時，測量準確度直接與所選用戶校驗類型和相關測試配置有關。測試配置包括連接待測設備(DUT)和VNA所需的測試線纜和適配器。FieldFox的可用校驗類型包括儀器開啟時即可使用的內置校驗(CalReady)和較復雜的用戶校驗，后者需通過一組高質量校驗標準進行測量。

選擇校驗類型(cal type)時通常需在測量準確度、速度和校驗過程復雜度之間進行取舍。例如，圖1中顯示使用兩種不同FieldFox校驗類型對一小段同軸電纜進行插入損耗測量(S21)的比較。黃色軌跡表示稱為QuickCal的創新校驗類型進行的線纜測量，藍色軌跡則代表使用傳統全2端口機械校驗對相同線纜所進行的測量。用戶在全2端口校驗過程中需對各種高質量校驗標準進行七次連接，執行QuickCal時則無需任何校驗標準。如圖所示，兩種測量結果差異非常小，但QuickCal的校驗過程很簡單，非常便于現場作業。一般來說，由于各測試配置可能需在FieldFox和DUT之間使用適配器和測試線纜，因此了解FieldFox各種可用校驗類型的應用和限制非常重要。本應用說明將探討VNA校驗的新發展，并會比較使用不同校驗類型對各種射頻和微波器件(包括線纜、濾波器和放大器)進行校驗后的測量結果。

圖1：使用Keysight FieldFox VNA提供的全2端口校驗(藍色)和快速QuickCal(黃色)來測量同軸電纜的結果比較。

分析儀硬件配置

本節將介紹各種適用單端口和雙端口裝置測量的FieldFox硬件配置。FieldFox手持式分析儀包括VNA、線纜和天線測試(CAT)分析儀、頻譜分析儀，以及于單一儀器中集成VNA、CAT和頻譜分析儀功能的組合分析儀。FieldFox是一款適合于現場使用的精密儀器，符合MIL-PRF-28800F Class 2和MIL-STD-810G、Method 511.5、Procedure 1要求，可在爆炸環境中進行測量(通過類型測試)。Class 2設備專為最惡劣的環境設計，包括不受保護和不受控制的環境條件。采用VNA配置時，FieldFox可以測量復雜的器件參數，如單端口與雙端口DUT反射和傳輸特性的幅度及相位。測量到的復雜參數又稱為散射參數(S參數)，稍后將于本應用說明中進行討論。采用CAT分析儀配置時，FieldFox也會測量DUT的反射和傳輸特性，但只會報告幅度特性。

VNA和CAT兩種模式都包含創新的QuickCal，可消除任何與儀器相連接的測試線纜和適配器影響，并修正校驗中因溫度變化而產生的漂移誤差。采用頻譜分析儀配置時，FieldFox即為一款高性能接收器，能夠測量已知與未知信號、干擾和/或噪聲的頻率內容。FieldFox頻譜分析儀不僅具備桌上型頻譜分析儀的功能，更包含一種稱為InstAlign的獨特功能，開啟后便可于-10℃~+55℃間為整個射頻和微波頻率范圍提供更高的振幅精準度。本應用說明會繼續將重點放在FieldFox VNA的VNA測量和校驗功能。

網絡分析儀硬件可決定DUT的測量方式：使用傳輸/反射(T/R)硬件配置進行正向測量，或使用全2端口配置進行正向與反向測量。圖2a顯示采用T/R硬件配置的FieldFox VNA輸出和輸入信號路徑。測試信號在T/R配置下會由分析儀的端口1發出，并以輸入至DUT的反射信號或通過DUT的傳輸信號方式進行正向測量。在此配置下，反射信號會在分析儀的端口1測量，正向信號傳輸測量則在分析儀的端口2進行。使用T/R配置時，進行反向測量必須先中斷聯機DUT，調轉方向，然后再重新聯機。圖2b則說明采用全2端口硬件配置的VNA。在這種配置中，DUT參數可以正向和反向測量，無需在物理上調轉器件。分析儀內部的開關矩陣可在端口1和端口2之間路由入射測試信號。使用全2端口配置不僅便于雙向測量DUT，還可對測試系統的大部分系統誤差進行特性分析并將其消除，以達最高測量精準度。

圖2：使用配備(a)傳輸/反射(T/R)硬件和(b)全2端口硬件的分析儀進行DUT測量時的網絡分析儀信號路徑。

系統誤差特性分析會在用戶校驗過程中進行，而全2端口校驗是最精準的VNA校驗方式之一。本應用說明將討論并比較幾種校驗類型，其中包括全2端口校驗、增強響應校驗，以及精準度較低但操作非常簡單的響應(正規化)校驗。采用全2端口硬件配置的FieldFox VNA可執行所有可用校驗類型。采用T/R硬件配置的FieldFox則僅可執行增強響應校驗和響應(正規化)校驗。

系統誤差

系統誤差由測試線纜、適配器和分析儀元器件的頻率響應，分析儀泄露路徑(通常位于內部)，以及DUT和分析儀之間的多次反射造成。用戶校驗的功能之一便是對系統誤差進行特性分析，并以數學方法將其自測量結果中消除。某些類型的用戶校驗只能校驗一部分誤差，使得DUT測量結果精準度降低。圖3說明使用全2端口校驗(黃色)和增強響應校驗(藍色)對同軸電纜進行傳輸響應(S21)校驗的比較。

圖3：使用FieldFox CalReady 2端口校驗和CalReady增強響應校驗進行同軸電纜測量的比較。

由于全2端口校驗能夠修正測試系統中大部分的系統誤差，因此其測量精準度最高。若要使用全2端口校驗消除所有系統誤差，需在校驗和DUT測量過程中進行正向和反向掃描。若以增強響應校驗類型進行校驗和DUT測量則只需掃描正反其中一個方向即可，因此可加快整體測量速度。增強響應校驗不能修正全部系統誤差，因此精準度比全2端口校驗低。如圖3所示，以增強響應校驗進行的線纜測量因未修正的系統誤差而在測量頻率范圍內出現了漣波。圖3中顯示的兩種測量均采用FieldFox分析儀的創新型CalReady校驗來進行。

CalReady是一種隨時可用的內置校驗，無需用戶手動校驗。本應用說明將討論CalReady和FieldFox VNA中其他可用的校驗類型，以及如何在精準度、速度及校驗復雜度之間進行取舍。

S參數測量和顯示格式

如前所述，通常會對VNA進行配置以測量和顯示DUT的反射及傳輸屬性，也叫做散射參數(S參數)。S參數即是測量信號和入射信號的比率。FieldFox VNA已包含所有適合測量和計算這些信號比的硬件，因此操作人員只需熟悉S參數的定義，及其與特定裝置規格之間的關系即可。圖4說明了雙端口DUT的S參數定義，單端口裝置將有一個S參數，雙端口裝置則有四個S參數。用戶決定以哪個DUT端口為端口1或端口2，通常會與DUT的預定操作有所關聯。例如，可以將放大器的輸入定義為端口1，輸出為端口2。如此一來放大器的正向傳輸參數就是從端口1到端口2的增益。圖4中S11參數被定義為來自DUT端口1的反射。S22被定義為來自DUT端口2的反射參數；S21為端口1到端口2的正向傳輸參數；S12則為反向傳輸參數。

圖4：2端口DUT的S參數定義。

對很多無源元件(包括同軸電纜、濾波器、波導元件、耦合器和功率分配器)來說，正向傳輸參數S21等于反向傳輸參數S12，即S21=S12。這種類型的DUT被視為具有“互易性”。放大器、環形器，以及大多數含有半導體和鐵氧體的有源器件則具有“非互易性”。非互易性器件的正向傳輸(例如放大器的增益)不等于反向傳輸(例如放大器的反向隔離)，即S21≠S12。了解器件為互易性器件還是非互易性器件，在選擇增強響應校驗時將變得非常重要，本應用說明稍后會討論這個問題。

正向反射參數S11和反向反射參數S22在所有器件類型下通常不相等。圖5說明對采用全2端口配置的FieldFox VNA進行測量，所得到的四個13GHz帶通濾波器S參數。如前所述，全2端口配置可通過單一分析儀聯機來測量四個S參數。S11和S22反射參數在5~18GHz測量頻率范圍內的響應略有不同。S21和S12的響應相同，在無源濾波器等互易性器件中是可預期的結果。有關圖5中所顯示的測量結果，FieldFox是通過最精準的全2端口校驗類型來進行校驗。圖5中的四個S參數測量值均以典型的“LogMag”格式顯示，Y軸則以分貝值(dB)表示。使用VNA測量到的S參數為復數，可以轉換為多種顯示格式，包括線性振幅、VSWR、史密斯圖、極性、相位、群組延遲以及實部和虛部。幸運的是，FieldFox可管理所有必要的計算結果，并適當顯示所需格式。

圖5：測得的13GHz帶通濾波器的S參數。

眾所周知，S參數是相對測量值，理論上不受外加功率水平影響。例如，在測量一條理想短路傳輸線的S11參數時，反射信號和入射信號的比率具有1或0dB的線性振幅(=20LOG(|S11|))。無論入射信號功率為1皮瓦還是100瓦，短路線路的S11測量值均相同。這一狀況符合無源器件的S參數測量。顯然在測量放大器時，一旦放大器開始進入飽和狀態，S參數便將隨入射功率而有所不同。在本應用說明中，假定放大器在小信號或非飽和模式下運作，且增益在一定的入射功率范圍內保持恒定。

在測量放大器和其他對輸入功率水平敏感的器件時，可以調整FieldFox測試端口功率，以優化測量精準度并避免有源器件和分析儀中出現過載。FieldFox VNA具有三種設定入射(測試端口)功率水平的模式——高輸出功率、低輸出功率，以及允許操作人員手動設定測試端口功率的設定。

FieldFox的預設設定為高輸出功率，可達到最高的測量精準度和動態范圍，而低功率或手動設定則適用于測量高增益放大器或任何對驅動功率敏感的器件。圖6的測量范例顯示了測試端口功率和顯示動態范圍之間的關系。

圖6：使用FieldFox高輸出功率設定(黃色)和低輸出功率設定(藍色)對13GHz帶通濾波器響應進行測量的比較。

該圖比較了使用高輸出功率設定(黃色軌跡)和低輸出功率設定(藍色軌跡)對13GHz帶通濾波器S21參數的測量。在此濾波器的中心通帶內，S21測量結果是相同的，但當使用低功率設定時，噪聲明顯比阻帶高。FieldFox接收器信號的低信號噪聲比會導致噪聲水平增加，而濾波器會降低阻帶的信號水平。在低SNR條件下可降低FieldFox的中頻頻寬(IF BW)，以改善分析儀的噪聲水平。IF BW可在10Hz~100kHz的范圍內進行調節。通過高輸出功率設定并將IF BW設定為最小值，便可達到最大動態范圍和準確度。