矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)方法-安泰維修

網(wǎng)絡(luò)分析儀可用于表征射頻(RF)器件。盡管最初只是測(cè)量 S 參數(shù)，但為了優(yōu)于被測(cè)器件，現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)分析儀已經(jīng)高度集成，并且非常先進(jìn)。

射頻電路需要獨(dú)特的測(cè)試方法。在高頻內(nèi)很難直接測(cè)量電壓和電流，因此在測(cè)量高頻器件時(shí)，必須通過(guò)它們對(duì)射頻信號(hào)的響應(yīng)情況來(lái)對(duì)其進(jìn)行表征。網(wǎng)絡(luò)分析儀可將已知信號(hào)發(fā)送到器件、然后對(duì)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)進(jìn)行定比測(cè)量，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的表征。

早期的網(wǎng)絡(luò)分析儀只測(cè)量幅度。這些標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測(cè)量回波損耗、增益、駐波比，以及執(zhí)行其他一些基于幅度的測(cè)量。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為什么要校準(zhǔn)

現(xiàn)如今，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)分析儀都是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀——可以同時(shí)測(cè)量幅度和相位。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是用途極廣的一類(lèi)儀器，它們可以表征 S 參數(shù)、匹配復(fù)數(shù)阻抗以及進(jìn)行時(shí)域阻抗測(cè)量等。

PNA-X網(wǎng)絡(luò)分析儀的完整配置

有一個(gè)正向發(fā)送的信號(hào)通過(guò)被測(cè)器件的輸入端到達(dá)了輸出端。從器件的輸入端到輸出端的測(cè)量被稱(chēng)為正向測(cè)量。網(wǎng)絡(luò)分析儀的接收端可以測(cè)量入射、反射和傳輸?shù)男盘?hào)，以便計(jì)算正向 S 參數(shù)。

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，元器件的類(lèi)型越來(lái)越復(fù)雜，頻率越來(lái)越高，端口數(shù)越來(lái)越多，帶寬越來(lái)越寬，應(yīng)用的場(chǎng)景越來(lái)越繁多，對(duì)于測(cè)試的要求也越來(lái)越嚴(yán)苛。作為準(zhǔn)確的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量的基礎(chǔ)，校準(zhǔn)也面臨著更多、更大的挑戰(zhàn)，有些特殊的應(yīng)用場(chǎng)景更是需要格外注意的!

射頻測(cè)量極其敏感。測(cè)試電纜、連接器和夾具都會(huì)影響測(cè)量。我們要表征的是被測(cè)器件，而不是被測(cè)器件與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀之間的電纜。

在默認(rèn)情況下，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀會(huì)把測(cè)試端口之外的一切都視為被測(cè)器件。這就意味著網(wǎng)絡(luò)分析儀的參考平面就在測(cè)試端口上。超出參考平面的一切都會(huì)包含在測(cè)量中。

校準(zhǔn)前后的參考平面。在校準(zhǔn)之前，網(wǎng)絡(luò)分析儀端口之外的一切，包括電纜和連接器，都包括在測(cè)量中。

在校準(zhǔn)之后，參考平面已經(jīng)移動(dòng)，因此矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀會(huì)校正電纜和連接器，僅測(cè)量被測(cè)器件。在一個(gè)非常高的水平來(lái)看，對(duì)電纜和連接器執(zhí)行校準(zhǔn)類(lèi)似于在稱(chēng)重時(shí)進(jìn)行重量歸零。

兩種常用的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)方法

兩種常用的校準(zhǔn)方法是 TRL(直通、反射、線路)和 SOLT(短路、開(kāi)路、負(fù)載、直通)。這些方法是阻抗和傳輸測(cè)量的不同組合，用于表征電纜和夾具以進(jìn)行校準(zhǔn)。

這些校準(zhǔn)技術(shù)包括將具有已知屬性的標(biāo)準(zhǔn)件連接到測(cè)量裝置，以便代替被測(cè)器件。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以通過(guò)將測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)件的值進(jìn)行比較，對(duì)電纜和連接器進(jìn)行校正。

在傳統(tǒng)上，執(zhí)行校準(zhǔn)時(shí)會(huì)使用機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件。操作員需要單獨(dú)進(jìn)行每個(gè)連接，然后利用儀器執(zhí)行測(cè)量。一次全雙端口校準(zhǔn)需要七次機(jī)械連接。這個(gè)過(guò)程非常耗時(shí)，并且可能會(huì)產(chǎn)生人為錯(cuò)誤。

電子校準(zhǔn)件僅需一次連接，便可通過(guò)電氣計(jì)算來(lái)重現(xiàn)不同類(lèi)型的負(fù)載。電子校準(zhǔn)具有快速、可重復(fù)和減少連接器磨損的優(yōu)點(diǎn)。

SOLT和TRL/TRL*校準(zhǔn)之間的差別

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀要求在誤差校正測(cè)量前執(zhí)行測(cè)量校準(zhǔn)。對(duì)于二端口測(cè)量，確定響應(yīng)校準(zhǔn)套件的校準(zhǔn)算法為SOLT或TRL/TRL*。

傳統(tǒng)的二端口校準(zhǔn)通常用3個(gè)阻抗標(biāo)準(zhǔn)和1個(gè)傳輸標(biāo)準(zhǔn)定義校準(zhǔn)參考平面。這些標(biāo)準(zhǔn)一般為短路、開(kāi)路、負(fù)載和直通，這就就構(gòu)成了SOLT校準(zhǔn)套件。

另一種二端口校準(zhǔn)用最少的3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義校準(zhǔn)參考平面。TRL/TRL*校準(zhǔn)套件中的饋通、反射和線路標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量參數(shù)提供與使用不同算法SOLT校準(zhǔn)同樣的信息。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)，為什么這么重要?

即使再好的測(cè)試設(shè)備也會(huì)存在瑕疵，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不太理想。這些導(dǎo)致測(cè)量誤差的缺陷中，有一些是隨著時(shí)間和溫度的變化而可重復(fù)和可預(yù)測(cè)的，并且可以消除，而另一些則是隨機(jī)的，無(wú)法消除。

誤差修正對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響非常顯著。如果沒(méi)有誤差修正，帶通濾波器的測(cè)量結(jié)果顯示出相當(dāng)大的損耗和紋波。經(jīng)雙端口校準(zhǔn)后的跡線消除了系統(tǒng)誤差的影響而更加平滑，并且更準(zhǔn)確的表示了被測(cè)件 (DUT) 的實(shí)際性能。

測(cè)量濾波器插入損耗

所有測(cè)量系統(tǒng)，包括那些使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的系統(tǒng)，都可能受到三種測(cè)量誤差的困擾：

? 系統(tǒng)性誤差

? 隨機(jī)誤差

? 漂移誤差

系統(tǒng)誤差是由測(cè)試設(shè)備和測(cè)試設(shè)置的缺陷引起的。這些誤差不隨時(shí)間而變化，它們可以通過(guò)校準(zhǔn)來(lái)表征，并在測(cè)量過(guò)程中以數(shù)學(xué)方法來(lái)消除。網(wǎng)絡(luò)測(cè)量中遇到的系統(tǒng)誤差與信號(hào)泄漏、信號(hào)反射和頻率響應(yīng)有關(guān)。有六種類(lèi)型的系統(tǒng)誤差：?與信號(hào)泄漏有關(guān)的方向性和串?dāng)_誤差?與反射有關(guān)的源和負(fù)載阻抗失配?由測(cè)試接收機(jī)內(nèi)的反射和傳輸跟蹤引起的頻率響應(yīng)誤差( 完整的兩端口誤差模型包括所有六個(gè)用于表示正向的誤差和另外的六個(gè)反向誤差，總共有十二個(gè)誤差項(xiàng)。這就是為什么經(jīng)常將兩端口校準(zhǔn)稱(chēng)為十二項(xiàng)誤差修正)

隨機(jī)誤差隨時(shí)間而隨機(jī)變化。由于它們不可預(yù)測(cè)，因此無(wú)法通過(guò)校準(zhǔn)將其移除。造成隨機(jī)誤差的主要因素包括儀器噪聲(例如IF本底噪聲)、開(kāi)關(guān)可重復(fù)性和連接器可重復(fù)性等。使用網(wǎng)絡(luò)分析儀時(shí)，通?？梢酝ㄟ^(guò)提高源功率、減小IF帶寬或使用多次掃描的跡線平均等方法來(lái)降低噪聲誤差。漂移誤差是指經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的測(cè)試系統(tǒng)的性能發(fā)生的變化。這主要是由溫度變化引起的，可以通過(guò)額外的校準(zhǔn)來(lái)消除。漂移率決定了需要額外校準(zhǔn)的頻率。但是，通過(guò)構(gòu)建環(huán)境溫度穩(wěn)定的測(cè)試環(huán)境，通?？梢詫⑵普`差降至最低。雖然可以指定測(cè)試設(shè)備在0°C 至+55°C 的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，而更可控的溫度范圍(例如 +25°C ± 5°C)可以通過(guò)最大限度地減少漂移誤差來(lái)提高測(cè)量精度，并減少或消除對(duì)定期重新校準(zhǔn)的依賴(lài)。

【矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀多端口校準(zhǔn)】

網(wǎng)絡(luò)分析的早期，幾乎所有測(cè)量都集中在2端口S參數(shù)上。隨著矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA功能的擴(kuò)展，測(cè)試功分器、混頻器、差分設(shè)備等能力的提升推動(dòng)了4端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA的發(fā)展，多端口測(cè)試的需求越來(lái)越多。

現(xiàn)在，很多元器件集成了多種功能于一體，其端口數(shù)量不斷增加，復(fù)雜度也越來(lái)越高。像智能手機(jī)中多頻段操作的射頻前端模塊 (FEM)、MIMO天線，以及用于射頻連接器或電纜組件等高速數(shù)字應(yīng)用的無(wú)源互連產(chǎn)品等。

作為完成準(zhǔn)確、高效的多端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA測(cè)試的前提，多端口校準(zhǔn)是必要且極具挑戰(zhàn)的。校準(zhǔn)多端口VNA測(cè)試系統(tǒng)要比校準(zhǔn)2端口或4端口VNA更耗時(shí)，也更復(fù)雜。對(duì)于N端口設(shè)備，有(N-1)*N/2 條可能的路徑，每條路徑都需要進(jìn)行相應(yīng)的2端口校準(zhǔn)，些許的疏忽都會(huì)造成前功盡棄，因此需要格外注意。

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審核編輯黃昊宇