1 引言

為了表述微波元器件的電路特性，通常采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（Vector Network Analyzer, VNA）測試高頻器件、電路及系統(tǒng)的性能參數(shù)，它是目前微波領(lǐng)域使用最廣泛的測量儀器。微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以對濾波器、放大器、隔離器、天線、電纜等微波毫米波器件進行測試測量，在科研及生產(chǎn)過程中具有非常重要的作用。

2 不確定度簡析

隨著通信技術(shù)的進一步發(fā)展，人們對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量結(jié)果準確性的要求越來越高，因此，需要準確描述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試精度。在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的實際應(yīng)用中，測量裝置各部件特性的非理想性、校準件特性的非理想性、測試端口連接、電纜彎曲的不一致性等因素都會導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)誤差。如何計算矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量不確定度從而評價矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的性能和測量結(jié)果的質(zhì)量是值得研究的一個課題。在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中，不確定度主要表現(xiàn)為進行校準后測量被測器件時導(dǎo)致的傳輸測量值與反射測量值的幅度不確定性與相位不確定性。

影響不確定度的因素有很多，通過對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的組成與測量原理進行分析，將其測量不確定度主要歸納為以下兩大類：

與隨機誤差相關(guān)的不確定度包含：

1）有效系統(tǒng)數(shù)據(jù)的溫度漂移導(dǎo)致的不確定度；

2）隨機噪聲導(dǎo)致的不確定度；

3）電纜彎曲程度變化導(dǎo)致的不確定度；

4）重復(fù)性誤差導(dǎo)致的不確定度；

5）網(wǎng)絡(luò)分析儀的非線性特性導(dǎo)致的不確定度。

與系統(tǒng)誤差相關(guān)的不確定度包括：

1）校準后剩余方向性導(dǎo)致的不確定度；

2）校準后剩余負載匹配導(dǎo)致的不確定度；

3）校準后源失配配導(dǎo)致的不確定度；

4）整機串擾導(dǎo)致的測量不確定度。

值得指出的是，隨機誤差是不可預(yù)測的，無法通過校準消除，但是可以采用分級衰減器、縮小中頻帶寬、多次測量取平均值等方法使其減小。

3 不確定度構(gòu)成因素

下面具體分析整機的不確定度構(gòu)成：

影響系統(tǒng)不確定度的因素主要包括：

1）剩余系統(tǒng)誤差。主要包括定向耦合器的方向性誤差、等效負載匹配誤差、等效源匹配誤差、整機串擾誤差等。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行散射參數(shù)校準時，由于實際校準件并非完全理想，必然會造成剩余響應(yīng)誤差，從而導(dǎo)致測量值偏離其真值，將對散射參數(shù)的測量結(jié)果引入不確定度。

2）非線性系統(tǒng)誤差。在對不同器件電路的測試中，接收機會工作于高電平狀態(tài)或低電平狀態(tài)。當測試大功率信號時，接收機處于高電平狀態(tài)，此時，接收機的非線性行為必然會導(dǎo)致非線性系統(tǒng)誤差，進而對測量結(jié)果引入不確定度。上述兩項誤差除了直接造成測量結(jié)果的不確定性之外，還決定著其它各種單項不確定度在系統(tǒng)中的傳遞關(guān)系。

與測量不確定度密切相關(guān)的隨機性因素主要包括：

3）接收機基底噪聲。雖然可通過采用較窄的中頻帶寬、多次測量平均處理、增大信號功率等手段可以使其影響減弱，但終究無法徹底消除，因此必將導(dǎo)致散射參數(shù)測量值的不確定度。

4）接頭的重復(fù)性與線纜的穩(wěn)定性。當每次連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與待測件時，扭力扳手的不當使用和接頭磨損等因素都將造成連接的不一致性，從而對測量結(jié)果引入了不確定度。類似地，每次連接時線纜的彎曲程度也將影響測量結(jié)果，反映在傳輸系數(shù)的不確定度。由于這兩種因素主要由人為操作的偏差造成，因而歸為一類。

5）信號源和接收機的不穩(wěn)定性。信號源的輸出總會存在一定的不穩(wěn)定性，反映在輸出信號的幅度、相位的隨機起伏，同樣會引起散射參數(shù)測量值的不確定度。

一般而言，工作環(huán)境（如溫度）變化也會引起測量結(jié)果的起伏，這類誤差與非線性特性導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差通常反映在剩余系統(tǒng)誤差和接收機的基底噪聲以及源和接收機的不穩(wěn)定性隨這些因素的改變上，無需在不確定度模型中直接給出。

不確定度模型也可看作是全誤差模型，是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準和不確定度計算的基礎(chǔ)。誤差模型的類型以及所包含誤差項的數(shù)量取決于：

1) 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的硬件拓撲結(jié)構(gòu)；

2) 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口數(shù)和測量接收機的數(shù)量；

3) 所要求的測量精度。

對三通道或四通道二端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，考慮所有的系統(tǒng)誤差項，我們建立經(jīng)典的12 項系統(tǒng)誤差模型，前向模型和后向模型均包含有6 個誤差項。

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行散射參數(shù)測量時，一般需要構(gòu)造出間接測量的誤差模型，這類模型不僅是校準和誤差修正的基礎(chǔ)，也是分析不確定度傳播規(guī)律的關(guān)鍵。不同之處在于：校準與誤差修正只考慮系統(tǒng)誤差，而評估散射參數(shù)不確定度時，要同時考慮系統(tǒng)誤差和隨機誤差對測量結(jié)果的影響。因此，建立一個科學合理的不確定度模型是分析矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀散射參數(shù)不確定度傳播規(guī)律的根本，這樣的模型要盡可能全面地反映實際測量過程中誤差和不確定度的傳播規(guī)律。

當提取出矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的各單項誤差后，通過計算就可以得到整機的測量不確定度。而各單項誤差一般可以通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的詳細指標規(guī)范來獲得。下圖是通過計算得到的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的傳輸不確定度和反射不確定度。

4 結(jié)論

本文通過對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀不確定度的構(gòu)成元素及合成機理進行詳細分析研究，建立了整機測量不確定度計算模型，并繪制出一款矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的傳輸不確定度及反射不確定度。通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測試驗證，所計算的測量不確定度與實際測試結(jié)果能夠較好的吻合。