芯耀
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在射频行业里，所谓网络就是带一个或多个接口（端口）的器件，每个端口都能做到这几件事：传导射频信号、吸收信号、或者把信号反射回去。
1、单端口器件（一端口网络）：天线、匹配负载（假负载）都属于这类，只有一个信号接口；
2、双端口器件（二端口网络）：滤波器、功放是最常见的，一头进信号、一头出信号；
3、三端口器件（三端口网络）：定向耦合器、混频器，有三个信号接口。
日常用得最多的就是一、二、三端口器件，当然也有接口数量更多的多端口射频器件。
我们分析这些射频器件（也就是前面说的射频网络），操作逻辑很简单：往其中任意一个端口打进射频信号，然后测两处信号功率：一是这个输入端口反弹回来的信号功率（反射功率）；二是如果器件有好几个端口，还要测其他各个端口漏出去/传过去的信号功率。
绝大多数常规测试场景里，同一时间只会往一个端口打信号，不会多路同时输入。而且这些射频器件的性能全都跟频率挂钩，不同频率表现不一样，所以测试时一般不会只测单一频点，而是扫一整段频率区间。干这类测试专用的仪器，名字就叫网络分析仪。
字母S代表散射（Scattering），说白了就是测射频信号在各个端口之间来回反弹、分流出去的比例。
S参数的命名规则：大写S后面带两个下标数字，第一个数字：信号流出来的端口，第二个数字：信号打进去的端口。
举个例子：信号从1端口输入、从2端口输出，这个传输损耗/增益就叫S21；信号打进1端口，又从1端口反射回来，这个反射量就叫S11。
一个有输入、输出两个接口的射频器件，一共对应4个S参数：S11、S21、S12、S22，各自含义如下：
1、S11：信号从1口打进去，被器件输入端反弹回来的信号占比；
2、S21：信号从1口输入、正常传到2口输出的信号占比（正向传输）；
3、S12：反过来，信号从2口输入、传到1口输出的信号占比（反向传输）；
4、S22：信号从2口打进去，被器件输出端反弹回来的信号占比。
所有S参数本质都是功率比值，用来表示各个端口之间信号反射、传输的比例大小。
关于S参数还有几个实用知识点：
1、S参数能写成N阶方阵，N就是器件的端口数量，单端口、双端口、三端口器件都能对应各自的矩阵。
2、S参数不是单纯的数值，属于复数，同时包含幅度大小和相位两部分信息。
3、S11、S22这类反射参数，通常会画在专用的史密斯圆图上直观查看。
4、S参数最大的好处：单个器件的S参数可以级联拼接，直接推算一整条射频链路整套系统的整体性能，不用重新搭整机测试。
虽说射频工程师基本都懂S参数，但平时交流还有更口语化的叫法，对应各个S参数：
1、S11、S22 这两个反射参数
分别代表器件输入端、输出端的匹配好坏，行业里一般用回波损耗或者驻波比（VSWR）来量化指标，后面会细讲这两个概念。
2、传输类参数
- S21：信号正向传输的增益/损耗，也就是信号从输入走到输出，是放大了还是衰减了；
- S12：代表反向隔离度，衡量信号反向倒流的程度，也就是功率往反方向漏过去多少。
举个功放的例子：理想功放正向要有放大能力，S21数值为正；同时完美状态下，不能有任何功率从功放输出端倒灌回输入端，也就是S12趋近于0。
驻波比（VSWR）和回波损耗，都用来反映射频功率的传输情况。而射频电路最核心的需求之一，就是让功率高效传过去。想要射频功率传输量达到最大值，信号源和后端负载（接收功率的器件）的阻抗必须匹配。
这种理想状态下，信号源输出的全部射频功率都会被负载完全吸收，没有半点浪费，绝大多数电路都追求这个效果。射频行业通用标准阻抗是50Ω；也有少数系统采用75Ω标准阻抗，有线电视线路就是典型例子。
那如果信号源和负载两边阻抗对不上、不匹配，会发生什么？
阻抗不匹配的时候，信号源送出去的正向信号功率，会有一部分被负载弹回来，重新流回信号源，这部分弹回来的功率就叫反射功率，也叫反向功率，下面讲解里这两个词会混着用。反射回来的功率基本都是坏事，几乎没有场景会希望有信号从负载往信号源回传。
前面我们讲阻抗的时候，都只当成纯电阻来举例。但实际电路里，任何负载的阻抗都是复数阻抗，分成两部分：一部分是实数电阻分量，另一部分是虚数电抗分量（电容、电感带来的特性）。
想要实现完美阻抗匹配，负载的复数阻抗，得和源端的共轭复数对上——简单说就是电阻部分数值一样，电抗部分正负号反过来。讲到这儿，我们们先停下来，简单回顾一下阻抗的基础知识点。
记住阻抗Z是个复数，分两部分：
1、电阻R：数值不会跟着频率变化；
2、电抗X：会随频率改变。
电抗又分两种：容抗、感抗，分别是电容、电感带来的特性。复数阻抗既有大小，也有相位角度。
重点：因为电抗的存在，器件整体阻抗会随着频率变化，不同频率阻抗不一样。
那阻抗随频率变化的幅度到底有多大？完全看负载器件本身。举个例子：射频假负载，它基本就是纯电阻结构，专门设计成在很宽的频率范围内，阻抗都能保持稳定不变。
反观天线，绝大多数天线的阻抗会随频率出现很大波动。正因如此，每种天线都会标注专属工作频段，只能在这个频段内正常使用。还有一点要注意：实际使用时，天线阻抗还会受安装环境影响，比如天线离接地金属板、周边金属物体的距离远近，都会改变它的阻抗。
如果我们用接近纯电阻的假负载当后端负载，就算把频率从100MHz调到200MHz、500MHz，甚至1GHz，反射回来的信号功率都会一直很低，而且变化不大。
可要是换成天线当负载，反射功率大小就会跟着频率变来变去。市面上绝大多数射频器件的特性，都介于上面两种极端情况中间：一种是阻抗几乎不随频率变（假负载），另一种是阻抗随频率大幅、无规律波动（天线）。
所以我们肯定需要一个指标，来衡量反射功率有多大，而且通常都要和发射出去的正向功率做对比。行业里有两个标准用来描述这个比例：回波损耗、电压驻波比，简称VSWR。我们先从回波损耗开始讲。
回波损耗说白了就是：正向发射功率和反射功率之间的dB差值。
简单记：正向功率dB − 反射功率dB = 回波损耗。
举个例子：发射出去的功率是50dBm，反射回来的是10dBm，那回波损耗就是40dB。回波损耗数值越大，说明被反弹回来的信号越少，所以我们做电路都希望回波损耗越大越好。而且回波损耗一定是正数，因为反射功率永远不可能比发射出去的功率更大。就算是极端情况，负载把全部信号都反射回来，信号来回传输的线路上也会损耗掉一部分功率，反射功率还是会小于正向功率。
还有一个用来对比反射信号和正向信号大小的指标，就是VSWR，电压驻波比。图里蓝色曲线是正向信号的电压波形，红色是反射回来的电压波形，紫色是两根波形叠加之后，传输线上实际存在的总电压。
正向波、反射波各自的电压幅度是固定不变的，但两者叠加后的总电压会忽大忽小，这种起伏不变的波形就叫驻波。
VSWR计算方式很简单：驻波上电压最大值 ÷ 电压最小值。
拿文中例子来说，峰值是3，谷值是1，那VSWR就是3:1，一般直接说VSWR=3。
补充两点小常识：
1、很多业余爱好者会直接简称SWR，省略前面的V；
2、电流的驻波比值和电压驻波比值是一模一样的，只是没人会去说什么“电流驻波比CSWR”。
早年测驻波比，得拿着仪器在传输线不同位置挨个量电压，手动算出来。现在有了网络分析仪，机器能直接自动测出并算出VSWR。数学上要先算出反射系数Γ，这个数值由负载阻抗ZL和系统标准阻抗Z0共同决定。记住这俩阻抗都是复数，数值会随频率变化。算出Γ之后，套个简单公式就能算出VSWR。另外VSWR和回波损耗之间也能互相换算，转换起来很方便。
我们搞懂VSWR怎么算之后，再看看VSWR数值变大意味着什么：
1、源和负载阻抗完美匹配时，VSWR=1，没有任何信号反射，发射出去的功率会全部被负载吃掉。
2、VSWR=1.5：只有4%的功率被反射回来，损耗很小。
3、VSWR=3：四分之一的功率都会反弹回信号源，大部分场景还能勉强接受。
4、要是VSWR继续升高，反射功率会暴涨：
- VSWR=6：只有一半功率被负载吸收，另外一半原路反弹；
- VSWR=10：三分之二的发射功率都会反射回去，浪费严重。
讲VSWR有两种极端特殊情况要单独说：
第一种是短路：负载阻抗等于0，反射系数Γ=-1；
第二种是开路：负载阻抗无穷大，反射系数Γ=1。
不管把Γ=1还是Γ=-1代入VSWR计算公式，算出来的VSWR都是无穷大，代表发射出去的功率100%全部反射回信号源。
不用多说，这种功率全反射的情况基本都不是我们想要的，会严重损坏发射设备。
抛开开路、短路这两种极端情况不谈，日常遇到信号反射该怎么处理？
降低反射功率最常用的办法，就是在信号源和负载之间加一套调谐匹配网络。匹配网络由电容、电感这类电抗元件组成，靠额外增加的阻抗，把原本不匹配的负载阻抗转换成和源端匹配的阻抗。
举个例子：我们目标是把复数形式的负载阻抗，变换成纯电阻50Ω，和标准50Ω信号源匹配。只要给匹配网络选用合适容值、感值的器件，就能把整体等效负载阻抗调整至和源端阻抗完全匹配，大幅削弱信号反射。
还有一种降低反射功率影响的手段：直接减小发射功率，这个机制叫功率回退，主要用在大功率设备上，比如宽带功放。功率回退核心作用是保护信号源：过大的反射功率会让设备性能变差，严重时还会永久烧坏硬件。
举个例子：假设设备允许的最大安全反射功率是40W。
1、匹配较好，VSWR=1.5，正向发射100W，只会反射回4W，在安全范围内；
2、若阻抗变差，VSWR升到6，同样100W发射功率会产生50W反射功率，超出安全上限；
3、这时启动功率回退，把发射功率降到80W，反射功率就会回落至安全阈值以内。
测量精度与重复性向来都很关键，而且可以肯定的是，矢量网络分析仪（VNA）的测量，是射频领域对误差控制要求最高的测试场景之一。
通常我们会把测量误差分成三大类：漂移误差、随机误差、系统误差。有时候大家也会把随机误差和漂移误差合在一起，统称为随机类误差。
不管是哪一类误差，都会让测得信号的幅度、相位同时出现偏差，也就是说误差本身也是矢量。下面我们简单分别介绍这三种误差。
漂移误差是校准完成后，环境发生变化带来的，其中绝大部分漂移都来自温度波动。所以减小漂移误差最主要的办法：一是稳定控制测试环境温度，二是给仪器充足的预热时间。还有一种方案：环境变动后重新做一次校准，也能抵消漂移误差。但就算上面这些措施全都用上，也只能把漂移误差降到很低，没办法彻底消除。
漂移误差大多由环境引发，而随机误差主要来源于整套测试装置。包含仪器自身噪声、测试操作与参数设置，甚至线缆、接头每次安装的接触差异，都会带来随机误差。之所以叫随机误差，是因为它随时间无规律变化，每次测量结果都不一样、无法预判。选用高端设备、规范测试操作，能有效压低随机误差。但和漂移误差一样，只能减小，无法彻底消除。
系统误差和漂移误差、随机误差都不一样：它具备可复现、可预判、不随时间变化的特点。根源在于系统误差主要来自矢量网络分析仪内部以及测试链路里各类非理想器件。
典型系统误差来源举例：
1、仪器自身器件缺陷，比如定向耦合器隔离度、方向性达不到理想状态；
2、测试线缆固有损耗；
3、链路各处阻抗不匹配。
系统误差最大的优势：通过校准操作，几乎可以全部消除。
校准，就是消除测量结果中系统误差的一套操作流程。开展校准前，要先根据你的测试链路结构、想要的测试精度，选定对应的校准方案，后面会介绍多种校准类型。
随后把专用器件——校准件，接在测试链路待测件（DUT）的接入端口。启动仪器校准程序，仪器会采集对应端口的响应数据。很多校准方案需要反复更换、插拔不同校准件，或是在不同端口依次接入。整套采集到的校准数据会保存下来，后续实测待测件时，仪器会用这批数据修正测量值，抵消系统误差。
一定要区分开测试校准和仪器整机计量校准，二者完全不是一回事：
1、测试校准
作用是消除VNA测试里的系统误差，由测试人员自己操作，使用频率很高，一般每次测试前、或者做关键测试前都要重新做。仪器界面显示“Cal”标识，就代表当前存在有效的测试校准。
2、仪器计量校准
用来核验整机各项指标是否符合出厂规格，举个例子：设置输出功率-10dBm时，仪器实际输出功率是否真的为-10dBm。
这项校准不由使用者操作，而是交由第三方计量机构完成，有固定周期，通常每隔几年做一次；仪器机身的计量贴纸完好、且在近几年内完成过计量，才代表仪器计量有效。
校准里还有一个关键概念：校准参考面，也就是校准生效的基准位置。绝大多数场景下，待测件不会直接插在矢量网络分析仪端口上，待测件和仪器端口之间会连着线缆，甚至衰减器这类器件。我们把校准参考面设定在待测件的接入位置，那么待测件与仪器端口之间所有线缆、器件带来的影响，都会被校准抵消掉。
做校准必须用到校准件，各类校准件一般成套配套出售，也就是校准套件。套件里的校准件包含负载、耦合器等器件，它们的幅度、相位响应经过极高精度标定，相当于我们清楚测量它们时理论上该得到什么数值。
通常标准响应数据存放在校准套件定义文件中，仪器一般会提前预装，也能通过U盘导入。我们实测校准件，再把实测结果和它已知的标准值做对比，就能算出VNA与整套测试链路引入的幅度、相位误差。
四种最常用的校准件分别是直通、开路、短路、匹配负载，匹配负载有时也直接简称负载。单看名字就能大致明白它们的电气特性，但有一点很关键：哪怕是这几种基础校准件，也不存在理想器件，宽频测试下非理想特性会更明显。
举个例子：频率超过100MHz后，开路件自身会产生寄生电容。这就是为什么必须在VNA里录入对应校准套件的参数定义。
不同厂商、不同型号的开路件寄生参数都不一样，不能随便拿一个开路件做校准，否则测量精度会很差。
校准件主要分两种形式：一种是独立单件；另一种是校准T型头，集成直通、开路、短路、匹配负载四种标准件。使用这类校准件时，需要在校准流程中手动插拔更换。
现在自动校准模块（Autocal）越来越普及，它内部同样集成直通、开路、短路、匹配负载，但在校准时可以自动切换不同标准件，全程由VNA通过USB控制。
自动校准模块自带内部标准件的参数文件，仪器可直接读取调用。
自动校准能大幅减少人工操作，优势很明显：
1、速度远快于手动校准，端口数量越多，效率差距越显著；
2、降低人为操作失误，比如接错校准件、选错套件参数文件等问题；
3、依靠电子开关切换，无需反复插拔，大幅减少校准件接头磨损。
校准方案本质上规定了在校准流程中要用到哪些标准件（直通、开路、短路、匹配负载），以及在什么步骤、哪个端口接入对应标准件。
我们要根据多项条件挑选合适的校准方案：
1、是单端口测试还是双端口测试？
2、双端口之间只测单向传输，还是双向都要测？
3、对测量精度要求有多高，能预留多少校准时间？
4、手上有哪些可用的校准件？
接下来会简单介绍单端口、双端口测试里最常用的几类校准方式：反射归一化、完整单端口校准、传输归一化、单路径双端口校准，还有两种完整双端口校准方案。
先讲单端口校准，这类校准只用于反射参数测试。单端口校准主要分两种：第一种是完整单端口校准，它在单端口校准里耗时最长，但测量精度最高。之所以慢，是需要在校准参考面依次接入开路、短路、匹配负载三件校准件。另一种是归一化校准，速度更快，但精度偏低。核心原因是它只需要接入单一种标准件，只用开路或者只用短路其中一个即可。
双端口校准主要用于传输参数测试。和单端口校准一样，也分两类：速度快但精度一般的归一化校准，以及耗时久、精度更高的完整校准。
传输归一化校准操作简单，只需要接入直通这一种标准件，可选择单向或者双向完成校准。
介于归一化和完整双端口校准之间的是单路径双端口校准：它在一端做完整单端口开路-短路-负载校准，再搭配传输归一化。但仅能优化单一传输方向的测试精度。
如果两个端口都分别做完整单端口校准，就构成完整双端口校准，主要有两种：
1、TOSM（直通-开路-短路-负载）校准
2、UOSM（未知直通-开路-短路-负载）校准
下面详细介绍这两种完整双端口校准。
直通-短路-开路-负载校准（TOSM）是双端口测试里使用最广泛的校准方案。完成TOSM校准后，两个端口的反射参数、两个端口之间双向传输参数都会完成误差修正，校准后可以测量全部S参数。
它唯一缺点是操作繁琐、耗时较长，一共需要8次扫描：每个端口依次接入开路、短路、匹配负载三件标准件做单端口校准，再将直通件跨接在两个端口之间，分两个传输方向分别扫描。自动校准模块Autocal的一大优势就是能几秒内自动完成整套TOSM，省去人工反复插拔校准件。
而未知直通-开路-短路-负载校准（UOSM），用一段“未知直通件”替代标准已知直通件，一般通用射频耦合器就能充当未知直通。该未知直通只需要满足双向电气特性一致即可。这种校准非常适合待测件两端接头规格不一样的场景，比如一端SMA、一端N型接头。
还有最后一项配套校准步骤：隔离度测试，一般搭配直通校准一起使用。直通校准采集的是端口之间通过线缆、器件正常传输的有用信号；而隔离度测试用来测出仪器端口内部存在的信号泄漏、串扰大小。
隔离度测试不需要专用校准件，标准操作就是给两个测试端口都接上50Ω匹配负载。现在新款矢量网络分析仪，内部隔离度本身做得很好，串扰带来的测量误差基本可以忽略不计。
最后总结一下：
射频器件分单、双、三端口等，常用S参数表征其信号反射、传输特性，可通过VSWR、回波损耗量化阻抗匹配优劣，阻抗失配会产生反射功率，危害设备性能。可通过匹配网络优化阻抗，或利用功率回退保护大功率设备。VNA测量存在漂移、随机、系统三类误差，仅系统误差可通过测试校准消除，需区分定期第三方仪器计量校准。校准依托各类标准件，含手动、自动校准，有多种单、双端口校准方案，适配不同测试精度与场景，隔离度测试可排查端口串扰误差。
