隨著射頻微波通信技術(shù)的快速發(fā)展，對微波器件的測量精度、動態(tài)范圍及測試效率提出了更高要求。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）作為微波S參數(shù)測試的核心設(shè)備，在傳輸與反射特性測量中具有不可替代的優(yōu)勢。然而，當被測器件（DUT）動態(tài)范圍較大時，若不采取有效措施，測試結(jié)果易受儀器本底噪聲、非線性失真和串擾等因素影響。因此，合理優(yōu)化VNA測試配置，是實現(xiàn)高精度測量的關(guān)鍵。

VNA的測量動態(tài)范圍定義為接收機能響應(yīng)的最大輸入功率與最小可測功率（即本底噪聲）之間的差值。為確保測量準確性，通常要求VNA的動態(tài)范圍大于DUT至少10dB。影響動態(tài)范圍的主要因素包括接收機最大輸入功率和本底噪聲水平。為此，可通過提升輸入信號強度、降低噪聲干擾、抑制串擾等手段進行優(yōu)化。

1. 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀工作原理

了解矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的工作原理和動態(tài)范圍的定義，對開展大動態(tài)范圍器件的測試很有必要。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，是同時具備信號源和接收機（包括參考接收機和測量接收機）功能的高精度測量儀器，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀工作原理框圖 ，如圖1所示。

圖1  矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理框圖

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量動態(tài)范圍，是指矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機能測量到輸入的最大功率和最小可測功率（本底噪聲）之間的差值。要使測量正確有效，輸入信號必須在這個范圍內(nèi)。圖2為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量動態(tài)范圍示意圖。

1）測量動態(tài)范圍的上限在系統(tǒng)工作電平較大時會受到系統(tǒng)非線性壓縮的影響。

2）動態(tài)范圍的下限在小信號狀態(tài)下會受到系統(tǒng)噪聲門限的影響。

為了減小測量的不確定度，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的動態(tài)范圍要比被測微波器件的動態(tài)范圍大，例如，當被測信號至少比本底噪聲高10dB時，才能有效提高精度。

2. 利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試大動態(tài)范圍器件的幾種方法

2.1 提高被測微波器件的輸入功率

在安全范圍內(nèi)提升DUT輸入功率，有助于增強輸出信號強度，提升信噪比。但需注意避免接收機壓縮或損壞，尤其對于高增益放大器類器件，應(yīng)謹慎設(shè)置源輸出功率。建議使用外接功率計校準VNA激勵電平，減少因源電平偏差導(dǎo)致的測量誤差。

2.2 減小中頻帶寬

降低中頻帶寬可顯著減小本底噪聲，每減小10倍帶寬，動態(tài)范圍約提升10dB。雖然小帶寬會延長掃描時間，但可通過分段掃描策略優(yōu)化：在濾波器通帶內(nèi)采用較大帶寬以提高速度，在阻帶則切換至小帶寬以保證精度。

2.3 設(shè)置掃描平均

增加矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀掃描平均，可降低隨機噪聲對測量的影響，從而增大測量動態(tài)范圍。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通過幾次連續(xù)掃描，對同一個測量點取平均來計算每一個測量值，平均次數(shù)越多，越能夠有效降低噪聲對測量的影響。  

設(shè)置掃描平均通常在【Response】/(響應(yīng))菜單下【Avg】/(平均)子菜單中進行設(shè)置，需要同時設(shè)置【Average ON/Off】/(平均打開/關(guān)閉)和【Average Factor】/(平均因子)參數(shù)。開啟平均掃描功能后，降低了隨機噪聲對測量的影響，擴大了測量動態(tài)范圍。如圖5所示。

圖5 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀啟用平均后的隨機噪聲

增加掃描平均次數(shù)，會使掃描時間變長，通常情況下采用增加掃描平均降低噪聲提高動態(tài)范圍，要比減小中頻帶寬所需時間要長，尤其是平均次數(shù)較多時。

2.4 減少矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機串擾

在低電平信號測試中，VNA內(nèi)部信號路徑間的串擾不可忽視。可采用交替掃描模式，即每次僅開啟一個接收機，減少相互干擾；同時，進行隔離校準（Isolation Calibration），在雙端口接負載條件下提取串擾誤差并予以修正，顯著提升校準精度。

2.5 利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀面板跳線

部分矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀安裝有面板跳線，比如KEYSIGHT公司的高性能PNA系列矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，利用這些跳線可以實現(xiàn)較多擴展測試功能，在測試大動態(tài)范圍器件時就可以使用。

為擴大矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量動態(tài)范圍，可以繞過測試端口耦合器而直接將信號饋入接收機。如圖所示，信號不接測試端口，先取下CPLR ARM—RCVR A IN連接端子，再將信號直接與RCVR A IN連接。

綜上所述，測試大動態(tài)范圍微波器件需綜合運用多種技術(shù)手段。在實際操作中，應(yīng)根據(jù)DUT特性靈活配置中頻帶寬、平均次數(shù)、掃描模式，并嚴格執(zhí)行隔離校準。必要時可借助硬件跳線或外接儀表輔助測量。