矢量网络分析仪（VNA）是研发和生产中分析微波网络的标准工具。VNA测量S参数以表征被测网络的频域响应。这些网络可以是如电缆这类的简单器件，也可以是具有有源增益和其他特性的复杂微波系统。为了充分表征开发中的微波器件，工程师通常使用具有非常高规格和宽频率覆盖的VNA。这在开发过程中是有意义的，因为工程师正在进行初步表征，以确定真正的器件性能是什么，以及是否符合设计规范。这些高端VNA往往在实验室环境中由几位工程师共享，用于表征不同的设备，然而由于通常需要满足各种各样的要求，它们往往是非常昂贵、笨重、功能强大的VNA解决方案。
许多微波测试应用不需要用到昂贵的高端VNA提供的性能水平。在生产中尤其如此，因为生产测试通常不如设备表征严格，测试成本至关重要。对于集成到制造测试系统中的VNA来说，S参数测量仅代表测试项目列表的一部分，也可能只需要中等性能的VNA。本应用说明将研究这些要求，以及它们如何影响决定哪种VNA适合产线环境。
在为产线应用选择VNA时，有几个因素需要考虑。让我们来看看应该考虑的几个关键特征。
性能
首先，VNA的性能必须足以进行所需的测量。一些产线应用需要最大的动态范围和高水平的噪声性能来正确测量被测器件（DUT）。对于这些应用，正确的选择是功能齐全的高端VNA，如安立VectorStar™VNA系列。然而，许多产线应用不需要最高水平的性能，因为它们使用VNA只是根据测量结果的Pass/Fail来简单地确定器件的好与坏，而不是表征每个器件的性能来评估DUT设计。例如ShockLine™系列VNA具有非常好的性能和一组有针对性的功能，可以用来代替高端VNA，以降低测试成本，同时不影响测试的质量。在评估不同性价比水平的VNA之间的权衡时，工程师必须仔细考虑整个测试项目列表。
应用技术还可以通过优化设置参数来帮助实现更好的VNA测量性能。例如，VNA的动态范围通常通过使用最窄的可用中频带宽（IFBW）选择来最大化。然而，IFBW越窄，频率扫描越慢，这会降低扫描速度和整体测量效率。
其他技术，如最小化扫频点或在分段扫频中仅使用选定频率，可以帮助抵消使用窄中频带宽时的速度降低，但仅在有限范围内。VNA硬件总体上仍必须具有足够好的性能，以便工程师在应用之间进行权衡，以获得所需的速度和测量值。
提高测试设置有效性能的另一种方法是减少或消除VNA和DUT之间的互连和固定的影响。一种方法是将VNA端口尽可能靠近待测件，尽量减少或消除用于连接DUT的任何电缆（图1）。
图1 将端口连接到DUT简化了设置
图2展示了这种策略的几个示例。例如ShockLine MS46121B 6 GHz 单端口VNA这样的仪器是一种功率传感器大小的设备，可以很容易地直接连接到DUT。这种架构消除了VNA和DUT之间接口电缆或夹具的需要和任何影响，提高了整体测量质量。最终，这缩短了设备测试时间并降低了测试成本。
图2 ShockLine MS46121B 与MS46522B E-band VNA
以类似的方式，像ShockLine MS46522B E波段VNA这样的仪器将测量模块连接到VNA，以创建一个单一的系统，该系统的架构创建了可以直接或几乎直接连接到DUT的移动VNA端口。通过最大限度地减少与DUT接口所需的任何接口电缆、波导或夹具的有害影响，特别是在毫米波频率下，这简化了测量并提高了测量质量。通过将校准平面带到模块上，小型便携式VNA端口消除了进行复杂去嵌入的需要。拥有独立系留系统的另一个显著好处是，用户不再需要购买或执行模块到VNA接口电缆的工厂校准，使E波段VNA开箱即用。
当VNA不能直接连接到DUT时，消除接口电缆和夹具的影响是提高S参数测量性能和提高产线测试裕度的主要方法。可以使用参考平面扩展等简单技术来消除电缆接口对DUT的影响，但对于更复杂的设置，需要额外的去嵌入。许多VNA都有可选的软件来创建S参数文件，用于从测量中去除接口夹具。该软件是所有VNA上都应包含的功能，因为从整体测量中删除/取消嵌入夹具的响应至关重要，这样才能单独确定DUT的响应。
对于非常复杂的夹具去嵌入，安立公司的通用夹具提取（UFX）软件选件等解决方案使工程师能够有效地为产线环境进行去嵌入测试设置（图3）。虽然这种先进的夹具去除能力通常是高端VNA具备的，但对于生产应用中使用的VNA来说至关重要，因为随着设备变得越来越复杂，复杂的DUT夹具在制造中变得越来越普遍。在许多情况下，没有一套完整的校准标准，唯一的选择是用于夹具内网络提取的开路和/或短路标准。像UFX这样的软件成为一种有价值的工具，可以更准确地消除夹具对测量结果的影响。随着信号完整性和设备验证迁移到更高的频率，以支持5G系统、回传和数据中心应用中的更高数据速率，这种能力变得更加有价值。
图3 通用夹具提取（UFX）
韧性和尺寸
产线环境通常对设备要求苛刻。按键、屏幕、旋钮和仪器上的任何其他人机界面都可能因频繁使用而被损坏。一些产线应用需要具有屏幕和键盘的集成仪器，但许多产线设置不需要，特别是在集成测试系统中远程控制VNA的应用。
尺寸也是生产环境的一个关键因素。生产车间的空间是一种昂贵而稀缺的商品。在工作台或机架上占用较少空间的仪器降低了测试成本，因为它最大限度地减少了给定测试单元所需的生产空间。
产线用VNA受益于无头架构（没有嵌入式键盘或屏幕），由于消除了脆弱的人机界面组件，使其更加耐用。它们还应标配坚固的测试端口连接器和耐用的机箱，确保该设备能够承受制造车间的压力。无论是1端口、2端口还是4端口解决方案，VNA的空间效率以及能够轻松安装在测试台上或机架内也是至关重要的（图4）。
图4 安装在机架上的ShockLine VNA
软件与易用性
产线用VNA的另一个考虑因素是在测试应用程序中编程和使用有多容易。对于使用远程控制编程的自动化测试设置，需要全面的SCPI命令和/或其他远程接口。程序代码的复用是提高设备从设计到生产效率的关键方法。例如，安立公司的台式VNA共享SCPI远程控制接口，使程序能够在平台之间轻松迁移。在实验室的高端VectorStar VNA上运行的程序可以很容易地过渡到生产线的ShockLine VNA，只需很少或根本不需要修改。
对于操作工控制VNA的产线环境，安立台式VNA还共享一个具有全面生产功能的通用GUI界面。操作员培训被最小化，一旦他们在安立台式VNA上进行培训，他们将精通ShockLine和VectorStar系统。GUI软件还应可定制，以适应特定的生产环境和各种操作员的需求。重要的是要有可调节的字体、迹线粗细、可选择的限制线颜色和其他显示选项，以帮助确保所有人都能轻松查看结果（图5）。
一些应用程序要求操作工配置复杂的设置，这些设置需要大量的培训，可能还需要操作员难以正确完成的书面程序。在选择产线用VNA时，最好有一个软件，使专家用户能够为操作员创建一个指导性的、图形化的分步程序，用于给定的测试设置和测量。这将通过清晰地指导用户完成整个过程来简化复杂的VNA测量。安立公司针对这一要求的解决方案称为easyTest™，这个图形工具可以轻松创建非常复杂的程序，支持长达100个步骤的脚本。
图5 ShockLine GUI
最后，为了优化效率，工程师应该能够使用VNA软件离线工作。在仿真模式下运行使他们能够继续在项目上工作，而无需占用实时硬件，然后其他工程师可以将其用于另一个项目。
总结
在生产中选择用于微波S参数测试的VNA时，需要考虑许多方面。测试需求的成本必须与性能要求相平衡，并且可以根据具体应用进行不同的权衡。安立ShockLine VNA系列以比典型的高端VNA更低的成本提供性能、鲁棒性、可配置性和易用性的组合，从而瞄准产线制造应用。
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