矢量网络分析仪校准原理及常用校准方法

矢量网络分析仪在使用前需要进行校准,这是众所周知的事情,那为什么需要校准呢?

矢量网络分析仪校准原理及常用校准方法

图1 矢量网络分析仪架构图

图1是一台双端口矢网的结构框图,对于器件的测量来说需要给出的是矢网端口之间的参数表征,例如S11=B1/A1,而矢量网络分析仪只能测量b1/a1。矢网的所有测量结果都是四个接收机之间的比值运算,如何使b1/a1能够准确地转换为B1/A1,此过程即为校准。实验表明矢量网络分析仪的测量精度很大程度上依赖于校准(精度改善)的过程,经过校准可将矢网的误差从校准前的2%~80%转变为0.1%~2%,因此只有当矢量网络分析仪被准确地校准之后,它才是非常精密的测量仪表!

矢量网络分析仪误差模型及校准分析

系统误差中的各项误差都是矢量,一旦其矢量特征(幅度和相位)已知,这些误差可以通过数学运算从原始的测量结果中减去。

矢量网络分析仪校准原理及常用校准方法

图2 误差矢量分析

如果某些被测件(校准件)的实际特性已知,测量可以得到原始测量结果,此时可以通过运算得到误差矢量特征,这个过程称之为校准。

1. 误差来源

网络分析仪测试过程中的误差主要分为三类:系统误差、随机误差和漂移误差。

系统误差是由于仪表内部测试装置的不理想引起的。它是可预知和重复出现的,一般情况下是不随时间变化的,从而可以定量进行描述,在测试之前可通过校准消除系统误差。

随机误差是不可预知的,因为它以随机形式存在,会随时间变化,因此不能通过校准消除。随机误差的主要来源为仪表内部噪声,例如,激励源的相位噪声、采样噪声、中频接收机本底噪声、开关动作重复性等。

漂移误差是仪表校准后测试装置性能的漂移。漂移误差主要是由于温度变化造成,可通过进一步校准消除。校准后仪表能够保持稳定精度的时间长短取决于测量环境中仪表的漂移速度。

2. 误差模型

我们可以将测量在完美的矢网端口与实际矢网测量端口之间的关系归结为若干个误差因子:

矢量网络分析仪校准原理及常用校准方法

图3 完美矢网端口与实际矢网测量端口间关系

  • edn,端口n方向性误差
  • epn,端口n失配误差
  • exmn,端口m与端口n之间泄漏
  • etmn,端口m与端口n之间的频率跟踪(响应),这里et11=A×B;et22=C×D;et21=A×D;et12=C×B

此时在正向和反向激励模式下,基本误差模型就可转换成如下常见的误差网络:

矢量网络分析仪校准原理及常用校准方法
矢量网络分析仪校准原理及常用校准方法

图4 双端口网络测量信号流图

(上图:正向;下图:反向)
如下所示,总共12项误差因子,那这些误差因子如何得到呢?

  • E:误差因子
  • D:方向性
  • S:源端匹配
  • L:负载端匹配
  • X:隔离
  • T:传输响应
  • R:反射响应
  • Forward:正向(端口1激励)
  • Reverse:反向(端口2激励)
  • Sxxm:Sxx参数(未经校准)测量值

可通过测量一些已知特性的器件,运算得到误差因子,下面以SOLT校准为例。

  • 步骤1,进行了6次反射测量(每个端口各3次);
  • 步骤2,进行了4次测量(4个S参数),一共进行了10项测量可以解得10个误差因子;
  • 在端口上各加一个Load,进行一次传输测量,可得出2个隔离误差因子(一般情况下会认为矢网是完美隔离状态,也很少会去做隔离校准)。

至此,12项误差矢量特征可完全得出。

校准方式

多年来,行业内进行了多种努力发展两端口校准技术和相应的校准标准件,以用于不同的测量。例如SOLT/LRL(TRL)/LRM/SSST等等。各种校准方法的比较如下:

矢量网络分析仪校准原理及常用校准方法

1. SOLTSOLT是校准最常用的方法,其需要用到4个校准件(Open、Short、Load、Through),进行7次校准测试操作。其中双端口的隔离校准只在测试高隔离(隔离器、开关)、大动态范围(滤器)器件时才用到。SOLT校准方法有以下特点:

  • 可以达到>32dB的剩余方向性误差
  • 通过开路,短路,负载确定史密斯圆图
  • 由负载确定特征阻抗
  • 常用于同轴线,也适用于高频探针和在片测量
  • 通过采用滑动负载可以提高方向性误差指标
  • 通过采用偏置短路替代开路,可以用于波导
  • 通过采用三短路替代开路和负载,可以提高适用频段

当然SOLT也有包括OPEN标准件的寄生电容的难以准确定义;LOAD校准件的指标对校准的影响较大以及需要的校准件数量较多等缺点。

矢量网络分析仪校准原理及常用校准方法
矢量网络分析仪校准原理及常用校准方法

图5 安立公司机械校准件系列, DC-110GHz

2. LRL(TRL)

LRL校准是目前可能达到的最精密的校准方法,传统的机械校准的校准件参数不容易精确确定,因为短路件会存在寄生电感,开路件会存在寄生电容。而LRL校准使用的是传输线器件,其参数更容易被定义,且校准精度不完全由校准件决定。

当微波波长与传输线的电长度比例为0,1/2,1,1(1/2)…时其表现出现重复,因此,LRL标准件中的两条传输线的长度差ΔL与频率之间的关系需要符合下面的条件,才能得到较好的校准结果:

20<360×𝑓×∆𝐿÷𝑣𝑝<160因此在宽频段校准应用中LRL需要多根不同长度的传输线。

矢量网络分析仪校准原理及常用校准方法

图6 安立公司拥有业界唯一频率高达67GHz的V型多传输线校准件

3. 电子校准件

矢量网络分析仪除可以使用传统的机械校准件进行校准外,还可以使用电子校准件(AutoCal)。安立矢量网络分析仪与电子校准件间的通信控制采用串口接口。与机械校准件相比,电子校准件具有以下特点:

  • 校准过程简单,电子校准件只需要和矢网连接一次,即可完成双端口校准所要求的测试项目。
  • 校准速度快,利用电子校准完成双端口校准只需要几秒钟时间,使整个测试过程的效率大大提高。
  • 校准过程中不确定因素少,由于不需多次的连接过程,所以电子校准受到误操作影响概率会降低。

总结
每当校准完成后,可以使用校准用的标准件来检验校准的好坏。例如,使用短路器或开路器,由于标准件有短(开)路面偏置,所以扫频测量结果曲线会在史密斯圆图上形成一段在外圈上的圆弧,使用矢网自动参考面偏置功能,如果将此圆弧收拢至短(开)路点,可以大致判定此校准是一个好的校准。

矢量网络分析仪校准原理及常用校准方法
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图7 矢网校准检验
当然,也可以使用校准件中的负载测量回波损耗,如果低于35dB也可以认为校准是好的。但是注意,安立公司提供的校准件中有两个负载,判定时,不要使用校准用的那个负载。

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