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矢量网络分析仪器测量校准方法

编辑:永利电玩城????来源:未知????发布时间:2019-09-26 15:43????浏览量:
0 引言
矢量网络分析仪能同时测量器件的幅频特性和相频特性,是射频工程领域中最复杂、使用最广泛的测量仪器,可用于测量微波器件或组件的相关特性,包括阻抗、反射系数、插损、增益、耦合度、方向性、插入相移、时延、群时延等参数。[1]矢量网络分析仪是射频和微波测量领域最精准的测量仪器,然而即使使用最先进、硬件最完备的矢量网络 分 析 仪 进 行 测 量,测 得 值 中 也 会 存 在 误差。[2]矢量网络分析仪的测量误差主要包括漂移误差、随机误差和系统误差。[3]初学者往往对矢量网络分析仪的测量误差来源不太清楚,对测量校准缺乏系统全面的认识,导致在实际测量中不能很好的减小和修正测量误差,影响了测得值的质量。本文简要分析矢量网络分析仪漂移误差和随机误差产生的原因,给出减小这两类误差的措施; 深入分析系统误差产生的机理,分析比较两种类型的校准件,对比研究常用测量校准类型,总结校准质量检查方法,提出关于测量校准的几点建议,旨在帮助矢量网络分析仪初学者理解测量误差来源、正确进行测量校准、提高测得值准确度。
 
2 测量校准
测量校准( Measurement Calibration) 指在进行DUT 测量前逐次测量多个特性已知的校准件,矢量网络分析仪使用校准过程的测量数据和校准件的特征数据计算得到误差项; 后续 DUT 测量时使用误差项和误差模型方程对原始测量值进行误差修正,计算得到 DUT 的 S 参数。关于误差模型及误差修正算法已有相关文献进行论述,[4]此处不再赘述。系统误差被认为是矢量网络分析仪最主要的测量不确定度来源,测量校准的目的就是减小系统误差对测得值的影响。测量校准由用户在每次 DUT测量前进行,与由计量技术机构进行的一年一次的永利电玩城没有任何关系,测量校准更适合的名称是误差修正。
 
2. 1 校准件校准件( Calibration Standards,也称校准标准件或校准标准器)
有两种不同的类型,一种是机械校准件,另一种是电子校准件。
2. 1. 1 机械校准件
机械校准件是特性已知的单端口或二端口器件,每个校准件都具有精确已知的定义,包括电延迟、阻抗和损耗。由于不可能制造理想的校准件,其实际特性与理想校准件有所差异,校准件的实际特性以特征数据的形式提供。常用的校准件类型主要包括短路器( Short) 、开路器( Open) 、负载( Load) 或匹配器( Match) 、滑动负载( Sliding Load) 或滑动匹配器( Sliding Match) 、直通( Through) 、反射器( Reflect) 、传输线( Line) 。机械校准件通常以校准套件( Calibration Kits,也称校准工具箱) 的形式出售,例如包含固定负载的经济型 SOLT 校准套件、包含滑动负载的标准型 SOLT 校准套件、精密型 TRL 校准套件; 根据配置的不同,机械校准套件可以包含数个校准件、力矩扳手、探针测深规; 校准件的特征数据也包含在校准套件内
 
。2. 1. 2 电子校准件
电子校准件( Agilent 企业称之为 Electronic Calibration Module,Rohde & Schwarz 企业称之为 Calibration Unit) 内部有电子开关,可以提供与短路器/开路器/负载相似的功能,也能提供直通状态。电子校准件只需一次连接就能自动快速地完成测量校准过程,避免手动多次更换机械校准件这一繁琐且易出错的过程,极大提升了易用性,也缩短了校准时间。[5]电子校准件内部已存储特征数据,与矢量网络分析仪连接时,分析仪会自动识别并读取特征数据,无需像机械校准件那样手动导入特征数据
 
2. 1. 3 校准质量
从理论上讲,TRL 校准套件能提供最好的校准质量,支撑未知直通校准的电子校准件次之,接下来是包含滑动负载的 SOLT 校准套件,最后是包含固定负载的 SOLT 校准套件。事实上,考虑到射频电缆弯曲带来的影响、人工操作的误差以及机械校准件的一致性,电子校准件在实际应用中总能提供比机械校准件更好的校准质量。[2]
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2. 2 校准类型
不同厂家和不同等级的矢量网络分析仪支撑的校准类型可能并不相同,但一般都包含表 1 所示的主要校准类型。TRL 校准具有最高的校准准确度,但是只有极少数的校准套件包含 TRL 校准件; 而且如果频率范围很宽时需要多个传输线校准件,当频率很低时,传输线的尺寸又会变得很长,使用起来不太方便,在普通测量时一般不采用 TRL 校准。1 - Port 校准可以修正全部单端口误差项,2 -Port 校准可以修正全部 12 项误差项,具有高校准准确度,是反射测量、反射与传输测量的理想选择。当使用机械校准件时,1 - Port 校准需要 3 次校准件连接,2 - Port 校准需要 7 次校准件连接,过程比较繁琐,对新手来讲容易出错。当使用电子校准件时,上述问题不复存在,所以实际工作中应优先选择电子校准件。为了简化校准步骤、加快校准过程,或受校准件类型和数量限制,或在某些不方便进行完整二端口校准情况下,[2]可以选择响应( Response) 校准,包括增强频响( Enhanced Response) 、直通频响( Thru Response) 、开 路/短 路 频 响 ( Open /Short Response) 。频响校准是一种不完全校准,只能修正部分系统误差,校准质量一般较低。校准时,可以根据需要测量的 S 参数、预期校准准确度和可使用的校准件来选择适合的校准类型。现代矢量网络分析仪一般都提供校准向导,能引导操编辑一步一步完成测量校准。需要指出的是,不同仪器生产商对同一校准类型的命名并不相同,如Agilent 企业称之为“Enhanced Response”的校准类型,Rohde & Schwarz 企业却称之为“One - Path Two- Port”,这就要求测量人员在操作不同厂家的矢量网络分析仪时仔细分辨。
 
2. 3 校准质量
检查射频电缆损坏、测量仪器件污染或磨损以及操作人员的错误操作都可能导致不正确的校准,为了保证测得值准确,需要在测量校准完成后对校准质量进行检查。2. 3. 1 快速检查快速检查只需要几个校准件,但这些校准件不能是测量校准中所使用的校准件,而是另外的一套性能良好的校准件。如果使用测量校准中所使用的校准件进行重复测量,将不能得到与校准质量有关的信息。使用如下方法检查反射测量校准质量: 连接短路器( Short) 或开路器( Open) 到端口 1,S11的幅值应当近似 于 0dB ( 在 十 分 之 几 dB 内) ; 连 接 负 载( Load) 到端口 1,S11的幅值应小于分析仪的已校准方向性指标( 典型情况下小于 - 30dB) 。使用如下方法检查传输测量校准质量: 在端口1 和端口 2 间接入直通( Through) 或损耗特性已知的其他器件,直通或器件的损耗( S2 1或 S2 1幅值) 应2. 3. 2 ECal 置信度检查Agilent 企业提供一种称之为“ECal 置信度检查”的方法,用以检查使用机械校准件或电子校准件进行测量校准的校准质量。该置信度检查允许测量 ECal 模块中的阻抗状态( 称之为置信状态) ,并将测量数据与储存在模块中的出厂测量数据进行比较。如果两组数据相差较大,表明测试端口处的连接可能有松动或被污染,或者是测试电缆有损坏,也可能是校准质量不高。细心检查电缆和连接情况,清洁每个连接器,再次进行置信度检查; 如有必要,重新进行测量永利电玩城。
 
2. 3. 3 测量校验套件
测量一些特性已知器件而非校准件是检查矢量网络分析仪校准质量的最直接了当的方法。校验套件( Verification Kits,又称校验工具箱) 是具有严格定义的、幅度与相位响应特性精确已知的校验件( Verification Standard) ,包括精密空气线、失配空气线和精密固定衰减器。精密空气线用于传输( 相位) 测量校准质量检查,失配空气线用于反射测量校准质量检查,精密固定衰减器用于传输( 幅度) 测量校准质量检查。通过测量校验件的幅度与相位响应特性,并与出厂数据进行比较,可以检查校准质量。
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2. 4 几点建议
2. 4. 1 在测量参考面进行校准多数情况下都不是把 DUT 直接接到矢量网络分析仪的前面板测试端口上,通常是将 DUT 接到与分析仪相连的测试夹具或电缆上,DUT 与测量装置连接处称为测量参考面,如图 7 所示。为了得到高的测量准确度,应将分析仪端口与参考面之间使用的电缆、测试夹具和适配器视为测量装置的一部分,把测量永利电玩城件接到测量参考面进行校准。校准过程中,与测量装置相关的误差将被测量并予以修正。2. 4. 2 优先选择未知直通校准在进行二端口校准时,会使用直通校准件代替DUT 插入到测量参考面进行直通校准; 如果 DUT 被移除后,电缆不能直接连接在一起,或已有的直通校准件不能直接插入到测量参考面,则这样的 DUT 被称作不可插入器件( Non - Insertable Device) ,如图 8 所示。一个 DUT 是否为不可插入器件,与使用的直通校准件密切相关。如果 DUT 端口连接器与直通校准件相同,此 DUT 为可插入器件; 反之,则为不可插入器件不可插入器件的直通校准方法包括直接使用适配器、交换等价适配器、适配器移除和未知直通校准。未知直通校准的校准准确度高,可以使用适配器作为直通校准件,满足特定条件时甚至可以直接使用 DUT 作为直通校准件,校准步骤与 2 - Port( SOLT) 校准基本一致,非常易于操作,在不可插入器件直通校准方面具有巨大的技术优势[6]。在不可插入器件进行校准时,如果矢量网络分析仪支撑未知直通校准,优先选择未知直通校准。
2. 4. 3 合理选用电子校准件当电子校准件与 DUT 具有相同端口连接器时,DUT 为可插入器件,使用电子校准件进行测量校准方便快捷测量永利电玩城准确度高; 而当电子校准件与 DUT端口连接器不相同时,电子校准件使用起来未必方便快捷。不同仪器生产商为自家电子校准件提供的端口连接器大不相同,使用电子校准件时也不一定支撑未知直通校准,导致电子校准件使用的便捷性存在很大差异,在选用电子校准件时要充分考虑DUT 的实际情况。Agilent 企业的二端口电子校准件通常配置为一阴一阳连接器( 也可以选配双阴连接器或双阳连接器) ,与矢量网络分析仪连接时对应电缆连接器为一阳一阴。不同极性的单端口器件可以分别在不同电缆端口进行测量校准; 可插入二端口器件( 一阴一阳连接器) 可以直接进行直通校准; Agilent 企业的矢量网络分析仪使用电子校准件时支撑未知直通校准技术,不可插入二端口器件( 双阴连接器、双阳连接器) 也可以方便地进行直通校准。Rohde & Schwarz 企业的大部分电子校准件只提供双阴连接器,与矢量网络分析仪连接时对应电缆均为阳性连接器,阳性单端口器件无法在电缆端口直接进行测量校准; 可插入二端口器件( 双阴连接器) 可以直接进行直通校准; Rohde & Schwarz 企业的矢量网络分析仪使用电子校准件时不支撑未知直通测量永利电玩城技术,不可插入二端口器件( 一阴一阳连接器、双阳连接器) 无法进行直通校准。
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3 结束语
矢量网络分析仪的漂移误差、随机误差和系统误差都会影响测得值准确度,测量过程中应尽量减小漂移误差和随机误差; 系统误差是矢量网络分析仪最主要的测量不确定度来源,应选用合适的校准件和校准类型进行测量永利电玩城,并通过校准质量检查确认校准质量,减小系统误差对测得值的影响,提高测量准确度。

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