矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的誤差模型及校準(zhǔn)過(guò)程

最近跟業(yè)界一位同仁討論了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的誤差模型及校準(zhǔn)過(guò)程，簡(jiǎn)單整理了一下，分享給大家，歡迎一起討論。

矢網(wǎng)的誤差模型確實(shí)不太好理解，一般只有研發(fā)矢網(wǎng)或者專攻測(cè)試技術(shù)的人員才會(huì)深入探究。使用矢網(wǎng)測(cè)試之前，都是需要作系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)的，目的就是將測(cè)試裝置本身引入的誤差項(xiàng)修正掉，得到DUT真實(shí)的S參數(shù)。

系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)可分為單端口和雙端口系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)，前者主要用于測(cè)試單端口器件的反射系數(shù)及其衍生參數(shù)，后者主要測(cè)試雙端口器件的全S參數(shù)及其衍生參數(shù)。

單端口系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)包括OSM(open/short/match，有時(shí)稱為OSL——open/short/load)和歸一化校準(zhǔn)。OSM校準(zhǔn)屬于全單端口校準(zhǔn)，可以修正全面的單端口測(cè)試涉及的誤差項(xiàng)，所以測(cè)試單端口器件時(shí)精度最高！反射歸一化校準(zhǔn)，速度很快，但是只使用Open或者Short單個(gè)校準(zhǔn)件，只能求解反射跟蹤一個(gè)誤差項(xiàng)，所以精度有限。

圖1為一個(gè)反射計(jì)的等效示意圖，之所以可以測(cè)試反射系數(shù)，是因?yàn)榘粋€(gè)定向元件——定向耦合器(低頻矢網(wǎng)多數(shù)采用VSWR bridge)，實(shí)現(xiàn)了入射波與反射波的分離。

圖1. 反射計(jì)簡(jiǎn)要示意圖

反射測(cè)試的基本過(guò)程：激勵(lì)源Source提供信號(hào)a1，經(jīng)耦合器后大部分經(jīng)矢網(wǎng)端口輸出至DUT；經(jīng)DUT反射的信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合器的耦合路徑到達(dá)測(cè)量接收機(jī)Meas. Receiver. 由于矢網(wǎng)端口也存在反射，假設(shè)反射系數(shù)為S，那么在矢網(wǎng)端口與DUT端口之間會(huì)存在多次反射，多次反射的量同樣也會(huì)經(jīng)過(guò)耦合路徑進(jìn)入Meas. Receiver. 此外，由于耦合器并不是理想的，所以其隔離度也是有限的，這導(dǎo)致激勵(lì)信號(hào)a1的一部分會(huì)經(jīng)過(guò)耦合器的隔離通道直接饋入Meas.Receiver。

也就是說(shuō)，Meas. Receiver接收到的信號(hào)b3實(shí)際包含三部分：DUT直接反射的信號(hào)，測(cè)試參考面處的多次反射信號(hào)，以及經(jīng)耦合器隔離通道直接泄露的信號(hào)。

在列舉公式之前，再簡(jiǎn)單介紹一下圖中的標(biāo)識(shí)參數(shù)：耦合器本身有4個(gè)端口，但是考慮到該模型中只涉及耦合器的部分參數(shù)，所以此處將其等效為3端口器件，端口分別為port1、port2、和port3. S21是指耦合器的直通傳輸系數(shù)，S31是指泄露通道的傳輸系數(shù)，S32是指耦合通道的傳輸系數(shù)。

簡(jiǎn)便起見(jiàn)，可以先畫(huà)出上圖的信號(hào)流圖，如下圖所示：( ΓDUT為DUT真實(shí)的反射系數(shù))。

圖2. 單端口測(cè)試時(shí)的信號(hào)流圖

由信號(hào)流圖可以直接得到b3的表達(dá)式：

經(jīng)化簡(jiǎn)得反射系數(shù)的測(cè)量值如下：

由上式可知，反射系數(shù)測(cè)量中包含四個(gè)誤差項(xiàng)：S21，S32，S31，S。一般稱(S21· S32) 為反射跟蹤R(eflective tracking)，稱S31/(S21· S32) 為方向性，簡(jiǎn)寫(xiě)為D(irectivity)，S則稱為源端口反射系數(shù)。

經(jīng)簡(jiǎn)化，單端口測(cè)試時(shí)實(shí)則共有R、D、S三個(gè)誤差項(xiàng)。校準(zhǔn)時(shí)，分別使用Open、Short和Match三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件得到一個(gè)方程，即可唯一地求解出三個(gè)誤差項(xiàng)，然后再對(duì)測(cè)量結(jié)果修正。

為了便于擴(kuò)展至雙端口測(cè)試的情況，引入了誤差二端口網(wǎng)絡(luò)，這是一個(gè)等效雙端口網(wǎng)絡(luò)，包含四個(gè)S參數(shù)ei,j，與R、D、S的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：R=e01· e10，D= e00/R，S= e11.

矢網(wǎng)的每個(gè)端口均可以得到這樣一個(gè)等效誤差二端口網(wǎng)絡(luò)。雙端口測(cè)試時(shí)，涉及到的誤差比單端口測(cè)試多不少，因此需要采用更加復(fù)雜的校準(zhǔn)方式才能完成測(cè)試結(jié)果的修正。

圖3. 等效的誤差二端口網(wǎng)絡(luò)

最經(jīng)典的雙端口系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)為T(mén)OSM(Through,Open, Short, Match)，有時(shí)也稱為SOLT(L, Load)。TOSM校準(zhǔn)適用于12項(xiàng)誤差模型，最終經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)得到10項(xiàng)誤差，而TOSM校準(zhǔn)剛好可以提供10個(gè)方程，因此可以唯一確定誤差項(xiàng)的解。

下面以雙端口網(wǎng)絡(luò)前向測(cè)試為例，觀察可能存在的信號(hào)路徑：共1~5五條可能的信號(hào)路徑。其中信號(hào)路徑5為端口或者測(cè)試夾具的串?dāng)_，簡(jiǎn)便起見(jiàn)，下面的公式中并不包含該項(xiàng)，即認(rèn)為端口之間是理想隔離的。

由信號(hào)流圖可知，測(cè)試前向傳輸系數(shù)S21時(shí)，誤差主要來(lái)自于測(cè)試裝置本身的傳輸頻響、測(cè)試參考面的多次反射等，映射到誤差二端口網(wǎng)絡(luò)則如圖5所示，結(jié)合圖4對(duì)應(yīng)的信號(hào)流圖，便可以推導(dǎo)出S21測(cè)量值與誤差項(xiàng)之間的表達(dá)式。

圖4. 雙端口網(wǎng)絡(luò)：前向測(cè)試時(shí)存在的信號(hào)路徑

圖5. 前向和反向測(cè)試時(shí)的信號(hào)路徑及對(duì)應(yīng)的誤差項(xiàng)

前向測(cè)試將會(huì)涉及到R、D、S、T(transmission tracking)、L(Load match)五項(xiàng)誤差，S11和S21的測(cè)量值表達(dá)式如下：

反向測(cè)試將會(huì)涉及到R’、D’、S’、T’、L’(Load match) 五項(xiàng)誤差，S12和S22的測(cè)量值表達(dá)式如下：

作TOSM校準(zhǔn)后，便可以求得這10項(xiàng)誤差，然后代入上式便可以計(jì)算出真實(shí)的四個(gè)S參數(shù)。

以上便是要給大家分享的內(nèi)容，希望對(duì)大家有所幫助~~

小文雖短但不乏精華，希望大家持續(xù)關(guān)注“微波射頻網(wǎng)”，后續(xù)精彩不斷~

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：淺析矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀誤差模型及校準(zhǔn)

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