矢量网络分析仪校准基本理论

2003AnritsuUserGroupMeetingVectorNetworkAnalyzerBasicCalibrationTechnology2ZhiXu,FieldProductManager矢量网络分析仪基本校准技术3ZhiXu,FieldProductManager讨论内容•什么是矢量网络分析仪•怎样作到准确测量•可提供的校准步骤•操作中的考量•应用•得到不确定度4ZhiXu,FieldProductManager微波测量仪表•标量网络分析仪：一个测量微波信号幅度的系统•矢量网络分析仪：一个测量微波信号的幅度和相位的系统•频谱分析仪：一个测量频谱质量的系统•频率计：一个测量微波信号的频率的仪表•合成（信号）源：一个产生微波信号的仪表•功率计：一个测量微波功率的仪表5ZhiXu,FieldProductManager什么是矢量网络分析仪？S21正向传输参数S12反向传输参数Port1Port2a1b2a2b1S11正向反射参数S22反向反射参数被测件•S11=b1/a1•S21=b2/a1•S22=b2/a2•S12=b1/a2•a1，b1，a2，b2分别是入射信号和出射信号，可以看出S参数是两个信号的比值。•此项比值包括幅度和相位矢量网络分析仪主要应用于精确快速测量微波器件或微波电路的“S”参数6ZhiXu,FieldProductManager怎样作到准确测量？矢量网络分析仪是非常精密的测量仪表，当它被适当地校准之后！矢量网络分析仪地测量精度很大程度上依赖于校准（精度改善）的过程。¾原始误差（校准前）2%~80%¾剩余误差（校准后）0.1%~2%¾接头是一个重要的误差来源，特别在较高的频率7ZhiXu,FieldProductManager什么是校准？•校准在许多测量中是非常重要的概念。校准是得到并消除测量系统的系统原始误差以达到精确测量。•校准后得到所谓测量系统的“有效”精度指标，例如，“有效方向性”，“有效端口匹配”等。•所谓“有效”指标，是指经过软件运算后的矢量网络分析仪的指标8ZhiXu,FieldProductManager误差模型•误差模型,即是用于描述矢量网络分析仪中测量得到的A1,B1…与实际需要测量的a1,b1…之间的关系的数学模型。•选择不同的误差模型即是选择不同的校准方式。•同一误差模型可能可以用多个校准方式解出。A1B1B2DUTPort1Port2A2a1b1a2b2S11=b1/a1S22=b2/a2S21=b2/a1S12=b1/a29ZhiXu,FieldProductManager矢量网络分析仪误差模型以上是对于两端口(正向)和单端口矢量网络分析仪误差模型。一旦误差模型中各误差项的数值已知，那么我们可以由A1,B1…导出a1,b1…,例如对于单端口误差模型:S11=b1/a1=(B1/A1-EDF)/[(B1/A1-EDF)ESF+ERF]常用的校准方式,SOLT(Short,Open,Load,Through),OffsetShort…矢量网络分析仪校准的过程即是选择误差模型和得到各误差项的数值的过程,校准有效期间的测量即是由A1,B1…解析出a1,b1…和相关比值10ZhiXu,FieldProductManager矢量网络分析仪误差模型E1S11E1S22E1S21E1S12E2S22E2S11E2S12E2S21[S]DUTa1b1a2b2A1B2B1A2•以上是另一种形式的两端口矢量网络分析仪误差模型。同样如果各误差项的数值已知，那么我们可以由A1,B1…导出a1,b1…,•使用此模型时，应符合两个假设。其一，矢量网络分析仪的端口之间没有泄漏串扰，其二，矢量网络分析仪在进行所有S参数测量时其端口的匹配特性不变。•常用的校准方式，TRL(Through,Reflection,Line),LRL(Line,Reflection,Line),LRM(Line,Reflection,Match)…11ZhiXu,FieldProductManager校准是运算的结果y被测件实际特性（与被测件相关）原始测量结果（与被测件相关）误差矢量特征（与被测件无关）•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•运算的结果既是精确的被测件（DUT）的测量结果x注意误差分量的相位信息是运算中必须的12ZhiXu,FieldProductManager校准y校准件特性（已知）原始测量结果（测量得到）误差矢量特征（运算结果）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，称为校准。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。这些校准技术看起来像是字母排列表，SOLT,OSLT,…RSOLLRL,TRL,LRM,TRM…OffsetShort无论是怎样的测量都是为了得到相应的系统“误差矢量特征”13ZhiXu,FieldProductManager举例：12项误差校准的步骤步骤1确定测量参考面（相位为0的测量面）步骤1，在此接Open,Short和Load步骤2，将两个端口直通连接步骤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个未知“误差矢量特征”。如果在步骤1中增加2项传输测量，则可以求得12个“误差矢量特征”14ZhiXu,FieldProductManager举例：12项误差校准的步骤方向性“误差矢量特征”可以直接由LOAD测量结果推出，这里给出了源和负载失配“误差矢量特征”的运算方程，它主要由OPEN和SHORT测量结果导出这里“O”和“S”分别代表OPEN和SHORT，”a”代表标准件的实际参数，“m”代表测量得到的参数。一旦各项误差项得到则被测件的实际参数也就得到了。15ZhiXu,FieldProductManager各种校准方式的比较优点：RESPONSE校准•方便，适于快速观察SOLT校准•全面适于同轴线•可以用于高频探针和在片测量•宽带TRL校准•仅需概念性简单标准件•易于在波导，共面波导，微带线上实现•易于计量LRM校准•宽带•连接次数最少的全面校准OFFSETSHORT校准•波导适用缺点：RESPONSE校准¾精度差SOLT校准¾OPEN标准件的寄生电容的准确定义¾需要很多的校准件¾LOAD校准件的指标的影响较大TRL校准¾带宽受限¾不易于在同轴线应用¾需要无梁传输线作为标准件LRM校准¾需要匹配标准件件OFFSETSHORT校准¾带宽受限（对波导无碍）16ZhiXu,FieldProductManager校准标准件的品质传输线9精确9插针深度缺乏定义，GPC-7接头除外9低频限制滑动负载9精确9插针深度控制9低频限制宽带负载9非常好的低频表现20GHz9如果有好的模型，可以适于更高频率开路器9必须屏蔽9终端电容必须建立模型平面短路器9一般来说非常理想，但即便是短路器在更高频率（毫米波）时仍可能表现为电感17ZhiXu,FieldProductManager校准的确认由于至被测件的反射相位路径较测量端口的反射相位路径为长，因此当扫频测量时由被测件的反射和端口的反射信号会矢量叠加，而产生SIN波样起伏的曲线z测量已知空气短线可以很好地确认矢量网络分析仪校准后的方向性和匹配测量端口的反射，例如，方向性误差和源匹配误差,例如使用-15dB回波损耗的偏置负载通过SIN波样的波峰和波谷的差值即可以估计出矢量网络分析仪校准后的有效方向性误差zEd=-20log(10Ep-p/20-1)+20log(10Ep-p/20+1)+15dBz对于有效失配误差可以用短路器用同一方程式得到z这种技术可以用于提高被测件的测量精度，也可以测量测量仪表的不确定度常用于标量网络分析仪的校准精密空气线加入至被测标准件和测量端口之间18ZhiXu,FieldProductManager检验件可以追溯至（美国）国家标准19ZhiXu,FieldProductManager操作中的考量•接头•电缆•时效•错误20ZhiXu,FieldProductManagerAutoCal•出于校准时效和错误连接的考量21ZhiXu,FieldProductManagerOnWafer校准•可以选择OSLT或LRL，LRM校准方式•一般校准件都已制成Wafer•但负载件是关注的一个重要问题，一些高校在考虑负载件的问题22ZhiXu,FieldProductManager时域方法•用于隔离各反射点•用于确定方向性误差量和源失配误差•消除夹具影响23ZhiXu,FieldProductManager测量精度是多少？•可能的误差来源24ZhiXu,FieldProductManager提取测量的不确定性•Windows系统下的小工具来评估测量的误差25ZhiXu,FieldProductManager误差提取结果•在12项误差校准之后26ZhiXu,FieldProductManager校准件的特性•测量负载件的阻抗27ZhiXu,FieldProductManager矢量网络分析仪的校准•是在各频率点上进行的•可以选择各种标准件方式•校准本身是一个数学运算过程•校准精度依赖于校准件的精度•校准精度也依赖于接头电缆和手法•检验校准的方法28ZhiXu,FieldProductManager谢谢各位