1、第39卷 第1期 V()139 No1 铁道技术监督 网络分析仪测量过程中的误差分析 李 洋-，陈海康z (1北京交通大学电子信息工程学院，北京100044；2铁道部产品质量监督检验中心通信信号检验站，北京100081) 摘要：通过对网络分析仪内部各机构工作原理的分析，找出测试过程中产生误差的原因，将所存在的 误差分为系统误差、随机误差和漂移误差3类。重点阐述系统误差的形成，通过比较和分析频响、方向性 失配、串扰等系统误差，进一步说明不同误差对测试结果的影响。介绍现阶段试验过程中系统误差的校准方 法，分析校准原理，总结频响校准和单 口校准的校准件选取、消除误差项及特点。 关键词：网络分析仪；系
2、统误差；误差分析；校准 中图分类号：TB971 文献标识码：B 文章编号：10069178(201 1)O1001004 0引言 网络分析仪是用来测量各种网络参数的仪器， 它以扫频的方式给出各散射参数的幅度、相位频率 特性。通过扩展不同的网络接口，可以实现对混频 器件、平衡器件、多端口器件、天线、电缆等多种 通信产品的测试。通过精确的校准后，具有很高的 测试动态范围和测试精度。目前所做的试验工作， 主要是利用网络分析仪的散射参数(s参数)网络 测量产品的反射特性和传输特性，例如反射系数、 插入损耗、驻波比、相移和群延时等参数，并通过 史密斯圆图来显示端口阻抗与传输特性的关系。为 了精确还原被测
3、器件的理想反射及传输特性，必须 考虑测试仪器内部及测试过程中所产生的各种误 差，并努力将其影响降至最小。 1网络分析仪工作原理 网络分析仪内部结构如图1所示。网络分析仪 工作时。先由内部信号源产生给定功率的测试频率 信号，测试信号通过功率分配器输出能量相等的2 路信号，一路进入接收机Rl，另一路经衰减器由 被测件相应的测试口(Port1)发出，通过测试线 缆到达被测设备(DUT)。在设备端口(A)测试 信号发生折射和反射，反射信号通过定向耦合器 (负责分离同一物理路径上相反方向传播的信号) 与折射信号分离，进入测量接收机A；折射信号通 收稿日期：2OlolO一21 作者简介：李洋，研文员 10
4、 过被测设备到达另一端测试口(Port2)，然后进人 测量接收机B。这样，将接收机R1中的源信号、 接收机A中的反射信号及接收机B中通过被测设 备后的信号进行分析计算，便得到被测设备的反射 特性(AR)和传输特性(BR)。 图1网络分析仪内部结构 2 网络分析仪测试过程中的误差分析 21误差分类 网络分析仪测试过程中产生的误差主要有系统 误差、随机误差和漂移误差3类。 系统误差又叫规律误差，是指在重复性条件 下，对同一被测量进行无限多次测量，所得结果 的平均值与被测量真值之差，是一种在相同的测 量条件下的测量值序列中数值、符号保持不变或 按某确定规律变化的测量误差。在使用网络分析 铁道技术监督
5、 仪测试时，系统误差是由于仪表装置的不理想或 被测试设备的不匹配所引起，可重复出现，变化 相对有规律，所以在测试过程中可以通过校准来 消除。 随机误差又称偶然误差，是指测量结果与重复 性条件下对同一被测量进行无限多次测量所得结果 的平均值之差。在使用网络分析仪测试时，随机误 差是随机变化、不可预知的，所以不能通过校准消 除。利用网络分析仪测试过程中，随机误差主要出 现在开、关动作的重复性、测试件插拔的重复性、 仪表内部随机产生的噪声(激励源相位噪声、采样 噪声、中频接收机本底噪声等)。 漂移误差是指测量仪器计量特性的慢变化引起 的误差，是一种随时间或随使用次数而变化的系统 误差 漂移误差主要是
6、由于温度变化造成，可通过 进一步校准消除。校准后测量仪器能够保持稳定精 度的时间长短取决于测试环境中测量仪器的漂移速 度。 误差会对被测试设备的特性参数或结果产生较 大的影响。上述3种误差中，系统误差为引起参数 变化的主要误差，它包含多种误差形式，可以通过 精密校准器件逐个校准消除。随机误差随时问随机 变化，无法校准消除。漂移误差常常表现为时间效 应或磨损效应，可以通过对测量仪器定期检定或计 量消除。 22系统误差的产生 网络分析仪测试过程中，内部信号源产生不同 频率的测试信号，频率的变化会带动仪表内部设备 及测试线缆特性的变化。频率越高，线缆上的阻抗 越大，从而造成传输线路阻抗不匹配、损耗增
7、大， 在传输特性测试中产生较大误差，这些与频率变化 相关的测试误差被称为频响误差。 此外，信号传输过程中，分析仪内部的定向耦 合器受有限的方向性影响，会产生方向性误差。方 向性误差产生原理如图2所示 图2方向性误差产生原理 信号从左端进入定向耦合器，理想状态下入射 信号完全通过定向耦合器，产生反射后反射信号与 入射信号分离，进入相应内部接收机。但在实际传 输过程中，输入测试信号在耦合端会出现漏泄现 象，这样入射漏泄会与反射信号形成矢量叠加进入 接收机，造成反射特性的测试误差，即方向性误 差。 图3为方向性误差对测试结果的影响示例。 1 mW(0 dBm)09mW (一046 dBm) (1)理
8、想状态无损传输 1W【u d m)0_89 mW (一051 dBm) (2)入射漏泄产牛 向忡误差 图3方向性误差对测试结果影响不例 从图3中可以看到，在理想状态下，1 mw信 号到达被测设备端口时产生01 mW的反射，网络 分析仪接收机通过比较输入信号和反射信号得出反 射损耗(回波损耗)RL为 RL=10 lg(反射功率入射功率)= l0 1g(01 roW1 mw)=一10(dB)。 在实际过程中，南于入射信号产生00l mW 漏泄信号。造成人射漏泄信号和反射信号相叠加， 在反射接收机中产生011 mW的叠加信号，这样 通过计算得到的反射损耗RL为 RL=10 lg(反射功率入射功率)=
9、 10 lg(011 roW1 mW)=-96(dB)。 通过比较可以看出，内部定向耦合器漏泄信号 的叠加带来了04 dB的方向性误差，当被测端口 匹配性能较好时，方向性误差对测试影响较大 网络分析仪主要用来测试理想状态下试品的技 术参数，这就要求测试条件尽量达到无损耗的理想 状态，其基本条件之一就是负载阻抗与激励源内部 阻抗互相适配，达到最大功率输出的工作状态。如 果端口阻抗与传输线缆特性阻抗匹配很差，将会出 现失配现象，导致测试信号在传输路径中多次折射 及反射，从而引入测试误差，也称为失配误差 网络分析仪_丁作时，其内部测量接收机R、 A、B分别接收源激励信号、反射信号及传输信 号。虽然各
10、个接收机彼此独立T作，但随着测试信 号频率的不断变化，在接收机之间会存在信号串扰 现象，给测试结果带来一定的误差，称为串扰误 计量工作 差。 综上所述，网络分析仪在测试过程中产生的系 统误差包括频响误差、方向性误差、失配误差和串 扰误差。图4为系统误差分类示意。 频响误差 源失配误差 图4系统误差分类示意 1 、 ， ， 、 负载失配误差 23系统误差综合分析举例 假设内部信号源输出测试信号电压幅值为1， 通过定向耦合器由方向性误差所引起的信号电压误 差值为002失配误差造成的信号电压误差值为 0112，串扰误差引起的信号电压误差值为001， 则系统综合误差对测试结果的影响如图5所示。 方 图
11、5系统综合误差对测试结果影晌示例 依据图5可知，理想状态下被测样品本身反射 损耗为20 lg(O1421)=一l7(dB)，理想状态下 被测样品本身传输损耗为20 lg(08581)=一13 (dB)。 加入各种系统误差后，传输及反射损耗为误差信 号与真实信号的矢量叠加，在2种极端相位状态下： 反射损耗(极大值)=20 lg(0142+0O2+ 01 12x085821)=一12(dB)； 反射损耗(极小值)=20 lg(0142-002 0112085821)=一27(dB)； 传输损耗(极大值)=20 lg(0858+0叭+ 0112085831)=一06(dR)； 传输损耗(极小值)=2
12、0 lg(0858-001 0112xO85831)=一21(dB)。 可以看出，如果不对系统误差进行校准，则反 射损耗测试值会在一27，一l2之间、传输损耗 值会在一21，一06之间变化，无法准确反映被 12 测样品的真实参数。 3网络分析仪误差校准 31误差校准的原理 对网络分析仪的校准主要是为消除测试样品时 的各种系统误差。网络分析仪的校准过程，是通过 对标准校准件参数的测试，得到各种误差的具体数 值，然后通过计算，对被测试品的测试结果进行修 正处理，去除其中的误差成份，从而得到被测试品 更接近于真值的结果。 在单端口反射测试时实际测量值包含方向性 误差、失配误差及频响误差3项。为了计算
13、这3种 误差的具体参数，需要通过测量3种标准校准件并 建立方程组来求解。在双端口传输测试时，由于2 个端口都存在正反向传输特性，所以需要对每个端 口进行校准测量，然后连接2个端口进行直通校准 测量，从而消除存在的各种系统误差。 32误差校准的分类及校准方法 使用网络分析仪测试时，根据测试需要消除误 差项的不同，校准主要分为频响校准和矢量校准。 频响校准的校准过程比较简单，仅消除频响误差对 测试结果的影响。在反射测试时，频响校准使用短 路或开路校准件；在传输测试时，频响校准使用直 通校准件。矢量校准是更精确的误差校准，它要求 网络分析仪具有幅度和相位的测试能力，通过测试 多个标准校准件，联立方程
14、组，从而消除更多的误 差项。 不同校准方法及可消除的误差项如表1所 示 表1不同校准方式的比较 校准方法 校准件选取 消除误差项 特点 4结语 网络分析仪主要用来测量样品(下转第28页) 质量管理 钢轨膀夕17i=打唐质 宽时，对曲线上股内侧轻磨，去除斜裂纹，对曲线 下股压宽外侧加强打磨。曲线下股的打磨模式是： 第13遍，电机分布为45。_45。，功率为1213 kW， 速度为1213 kmh，打磨飞边；第24遍，电机分布 为45。5。，功率为1213 kW，速度为1213 kmh， 打磨轨距角；第35遍，电机分布为_23o00，功率 为l213 kW，速度为1213 kmh，打磨外侧；第 4
15、6遍，电机分布为15。5。，功率为1213 kW， 速度为l213 kmh，打磨顶部。对曲线上股的打 磨模式是：第12遍，电机分布为45-5。，功率 为1213 kW，速度为1213 kmh，打磨内侧；第 24遍，电机分布为-23。 ，功率为1213 kW，速 度为1213 kmh，打磨夕卜1奂0；第46遍，电机分布为 15-5。，功率为l213 kW，速度为1213 krnh，打 磨顶部。 实践证明在曲线地段打磨出不对称的钢轨断 面，能有效降低上股侧磨和下股打滑现象。 33加强检修保养 331 日常保养 每天保证2 h的保养时间。作业系统主要完成 更换超限砂轮对轴承和电机导向柱进行油润。 3
16、32定期保养 按保养规范的要求，及时检查、调整各作业系 统的参数，包括标定打磨角度、调整主发电机电 压、设定打磨液压系统的压力等。 333针对性检修保养 当某部分功能出现异常时，要作好针对性检修 保养及时、彻底排除故障，且绝不能简单地以故 障排除为目的，还要找出原因，以全面提高对车辆 的熟悉程度和检修水平。 34提高操作人员的业务水平和责任心 由于不同钢轨采用不同的打磨模式，操作人员 不应因打磨对行车安全的直接影响小而放松对自己 的要求。作业前应充分调查钢轨情况，精心准备 打磨方案。作业中应注意观察打磨效果及时调 整作业模式。作业后要及时总结。要增强检修保 养车辆的责任心，杜绝砂轮磨损超限，减
17、少设备 故障。 4对改进打磨的建议 41 内侧最大打磨角度增大到55。以上 从图1可以看出，钢轨飞边一般在45。以下 但飞边在3 mm以上地段，若要打磨干净靠下面的 飞边比较困难。因此，建议内侧最大打磨角度增大 到55。以上，以提高打磨效果。 42改进控制系统，自动在低接头处增加压力， 更好地打磨接头 在京九线打磨时，有1处钢轨低头1 mm。如 果按1 lllm切削全部钢轨，不仅降低了钢轨使用寿 命，还增加了打磨成本。由于操作人员无法通过操 作加强接头部分的打磨，如果将波磨传感器采集的 加速度信号传输到打磨车计算机控制系统中，通过 软件自动在接头处按顺序增加打磨压力，可平顺地 消除低接头现象。
18、 43改进廓形检测和波磨测量系统，形成闭环反 馈 在上一项建议的基础上，如果将廓形检测和波 磨测量的结果也输入到控制系统中，通过计算机自 动运算，给出打磨角度和压力，则能更大程度地提 高系统的智能化水平，减少对现场操作人员的倚 赖 参考文献 1缪闯波钢轨打磨对轮轨作用的影响J铁道标准设计， 2002(7)：31-32 2金雪松轮轨关系研究中的力学问题J机械强度，2005， 27(4)：408410 (上接第12页)理想状态下各种网络参数，对测量 数据精度要求较高。而现在很多试验环境很难达到 严格的电磁屏蔽标准，导致在测试过程中引入各种 不必要的误差 为了在硬件条件无法改变的情况下 更好地减4,N试引入的误差，必须了解误差产生的 原因及对测试参数产生影响的大小，从而通过不同 的校准方法去尽量减小它，最终得到较为理想的测 试参数 28 参考文献 1谷歆海网络分析仪的工作原理及在测量领域的应用J电 子工程师，2008(7)：1518 2全凌云矢量网络分析仪校准方法研究J电子质量，2010 (3)：61-63 3杨勇，羊恺，罗正祥基于反射和传输方式的误差网络校准方 法fJ实验科学与技术，2006(5)：11一l3，21 4李洋陈海康计算机通信类浪涌保护器传输性能测试相关问 题的讨论J铁道技术监督，2009，37(3)：8-l1 f5李东升计量学基础【M北京：机械工业出版社，2006
