在传统上, 矢量网络分析仪( VNA ) 的校准一直通过机械标准实现。这种校准过程可能会非常麻烦, 而且容易出错, 但对精确测量必不可少。
业内已经设计出电子校准模块, 使得VNA 的校准较传统机械校准速度更快、更简单、更容易。本文旨在阐述电子校准和机械校准之间的差异, 以及这些差异对测量精度的影响。
VNA (矢量网络分析仪) 校准套件要求两级性能: 套件级校准标准性能和VNA 系统级校准套件校准残余误差性能。残余误差规范是使用的校准标准性能、VNA 系统规范和校准方法的函数。校准套件可以支持多种不同的校准方法。不同的VNA 可能会以不同的方式实现校准方法和校准标准定义。一般来说, 机械VNA 校准套件由下述标准件组成:
这些校准套件可以支持的校准方法包括:
电子校准套件至少包括一个可以以电子方式把各种阻抗状态连接到VNA的测试端口上的模块。这些阻抗状态的特性存储在EEPROM ( 电子可擦除程控只读存储器) 中, VNA 或PC控制器可以读取EEPROM , 以进行校准。不同的模块涵盖了不同的频率范围。使用的校准模块与开路/短路/负载/通过方法或偏置短路/ 通过方法类似。安捷伦PNA 系列网络分析还支持使用ECal 。模块进行未知通过校准和外部理想通过校准。大多数ECal 模块使用四种阻抗状态, 计算VNA 的系统误差项, 降低校准误差。某些最新的超宽带模型, 如10MH~67GHz 模型, 采用七种阻抗状态, 改进校准精度。图1 显示了具有四种反射阻抗状态和两种通过状态的电子校准设备的简化方框图。
图2 说明了影响校准标准性能的关键因素。不同的校准标准有着不同的关键特性, 这些特性对使用的校准模型非常重要。例如, 尽管对OSLT校准并不关键, 但插头和插座短路必须在电气特性上匹配, 以使TRL/TRM 校准的误差达到最小。相反,短路和开路应在整个相应频率范围内尽可能接近180 ℃ 的相位差, 以便在使用OSLT 校准方法时最大限度地降低校准误差。
图2 机械校准标准性能和VNA系统性能的关系
传统上, 开路和短路的电气特性用器件的校准系数描述。大多数VNA 使用下述参数, 计算校准标准的响应:
偏置时延, 偏置损耗, 偏置Z0 , 最小频率, 最大频率, 同轴或波导,
短路的C0, Cl, C2, C3 项,
开路的L0, L1, L2 , L3 项
这些参数也称为校准标准的“ 校准系数” 。安捷伦科技产品指南8510一5D , “ 指定Agilent8510网络分析仪的校准标准” 描述了这些校准参数与校准标准频响的关系。其它安捷伦VNA 产品采用类似的方法实现这些校准系数。实际器件与规定的电气特性偏差决定着校准精度。因此, 校准件的性能定义为与校准系数响应的偏差。
最近, 安捷伦PNA系列网络分析仪开始采用“ 基于数据的模型” 。基于数据的模型降低了把数据拟合到校准系数上导致的误差。校准件的性能定义为与基于数据的“ 额定” 响应的偏差加上数据插补误差。
一般来说, 开路和短路的幅度响应非常一致。但是, 其相位响应在设备之间存在较明显的变化。根据校准系数或数据文件规定, 允许的与额定响应的最大相位偏差提供了必要的余量, 以保证VNA残余源匹配和反射跟踪规范。尺寸公差是器件特性偏差的主要原因。对超宽带要求, 校准系数模型误差的影响要更大。基于数据的模型要精确得多。通常情况下, 校准系数把固定负载定义为零反射的完美的系统阻抗终端。可以使用偏置项, 创建与器件实际反射相匹配的不理想的负载。固定负载的实际反射系数或回波损耗是主要误差。如果使用实际数据, 那么实际数据的不确定性成为主要误差。负载可以定义为任意阻抗标准。偏置项与用户定义的端接阻抗相结合, ( 对大多数网络分析仪是实数, 对PNA 是复数) , 可以实现更加精确的负载模型。实际器件响应与假设的校准系数模型的偏差是校准误差的主要来源。滑动负载拥有有效的回波损耗指标。它的意义与固定负载的回波损耗指标相同。它不能直接测量, 而是在放置在各种位置的滑动负载单元进行的一套测量结果中计算得出。TRL / LRL校准中使用空气线。它们可以作为偏置器件, 进行偏置短路和偏置负载校准。由于它们在机械上非常简单, 因此它们可以以非常小的公差制造, 最好把它作为基准校准器件。主要误差源是尺寸不理想。校准残余误差取决于使用的校准方法。传统方法是SOLT 方法。测量三个不同校准标准( 开路/短路/ 负载), 可以得到三个独立公式。可以确定单端误差系数、方向性、源匹配和反射跟踪。然后使用通过测量, 确定传输跟踪和负载匹配项。在TRL / LRL 校准方法中, 一直没有尝试使用同样详细的误差分析。参考资料提供了估算值。TRL残余误差:
式中: Z0=系统阻抗,Zc =线阻抗通过
其它刊物, 应用协方差矩阵方法来确定TRL校准误差。
最近, PNA 采用加权最小二乘法计算VNA误差系数(使用机械校准标准)。
E一Cal 阻抗状态是传递阻抗标准, 其特性的误差会转移到VNA校准的残余误中。因此, 阻抗状态的实际阻抗不像机械校准套件那样关键。但是, 阻抗状态的实际值对特性误差的灵敏度有着一定影响。为与机械校准套件特性保持一致, 最好对每个阻抗状态规定一个上下限。它是与存储在EE-PROM 数据的偏差, 并决定了校准残余误差, 而不是每个阻抗状态的规范。总阻抗状态误差预算包括下述因素:
特性的不确定性
状态稳定性
随时间和工作温度相对的漂移
环境变化
老化
插补误差
特性的不确定性的主要来源通常是系统误差。老化现象不是随机的。状态稳定性、漂移和环境变化等因因数附加到随机误差中。随机误差是RSS。
E一Cal 使用最少四个阻抗状态并用最小二乘拟合法。计算VNA的系统误差。使用三个已知标准的单端口校准标准残余误差公式是不合适的, 而是使用与最小二乘拟合法的协方差矩阵, 确定残余误差。系统公式使用每个阻抗状态的整体不确定性进行加权。加权系数
从每个阻抗状态的误差源推导得出。由于这是最小二乘拟合法, 不确定项不能象机械校准套件那样以代数方式传播到残余校准误差项。当通过不是理想的“ 通过” 时,ECal的两端口残余误差计算采用的方法与机械校准套件相同。由于ECal通过的插人损耗可以高达7dB , 因此传输跟踪和负载匹配误差要高于机械校准套件。如果使用理想通过( 现在作为ECal校准选项提供) , 那么传输残余误差可以好于或等于机械校准套件的误差。
ECal校准的工作方式与传统机械校准有着很大的差异。它需要较少的连接次数进行VNA校准, 特别是对多端口校准。它大大降低了连接误差。机械校准的校准速度和一致性与电子校准不可同日而语。此外, 它在不可插人的校准中提供了灵活性,这些校准对机械校准可能非常困难。其单端口校准精度等于或好于机械校准。这种精度取决于ECal的阻抗状态测量过程的精度。对2 端口和多端口校准, 如果使用外部理想通过或低损耗通过, 而不是内部通过, 那么可以改进与传输项有关的残余误差, 使其等于机械校准。
来源：国外电子测量技术
作者：David Blaekham 安捷伦科技加州Santa Rosa
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