矢量网络分析的校准:SOLT、TRL与Ecal

射频百花潭 2021-12-16 00:00

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与以往的矢量网络分析仪 (VNA)相比，现在的许多仪器提供了更多的校准方法供用户选择。更多的选择固然好，但同时也带来了更多的混乱。幸运的是，一些关键的比较点可以快速缩小选择范围，并确定最适当的校准技术。本文将讨论常用的网络分析仪校准技术及其相对精度，重点是可靠的测量实践和其他能够改善精度的因素。

校准类型

　　现在的网络分析仪都具有极强的处理能力和灵活性，针对特定应用的许多校准方法也随之涌现出来。例如，针对特定应用的校准类型有混频器/变频器校准（用于频率偏置器件）、噪声系数校准和夹具内测量等。下面以全面的1端口和2端口矢量校准为讨论的重点，并回顾网络分析仪中针对所有误差源的矢量校准方法。这些方法与那些不考虑所有误差项的方法（例如响应校准）相比，精确度要高得多。讨论校准精度时，将讨论范围限定为一些常用的校准类型，大多数现代校准方法来源于这些常用的校准类型。常用的校准技术有三种：SOLT（短路－开路－负载－直通）、TRL（直通－反射－线路）和ECal（电子校准）模块。在每一种校准技术中，通常又针对特定的测量要求（如宽带频率或晶圆上探测）分成不同的校准方法。表1中总结了这些常用的校准技术及其各自的主要优势。

网络分析仪中的系统误差

　　图1总结了典型网络分析仪中的系统误差来源。相位测量功能使得VNA能够精确地计算所有的误差来源。方向误差会影响反射测量的精度。隔离误差会影响发射测量的精度。源和负载误差与被测件和分析仪测量端口阻抗之间的失配有关。反射和发射跟踪误差与分析仪的参考接收机和测量接收机的频率响应差异有关。

探究SOLT校准

　　大多数网络分析仪用户最先熟悉的校准方法是SOLT。SOLT校准能够提供优异的精度和可重复性。这种校准方法要求使用短路、开路和负载标准校准件。如果被测件上有雌雄连接器，还需要分别为雌雄连接提供对应的标准件，连接两个测量平面，形成直通连接。

　　SOLT校准方法使用12项误差修正模型，其中被测件的正向有6项，反向有6项。图2显示了正向误差项：ED（方向）、ES（源匹配）、EL（负载匹配）、ERF（反射跟踪）、ETF（发射跟踪）和EX（串扰）。操作正确的话，SOLT可以测量百分之一分贝数量级的功率和毫度级相位。常用的校准套件中都包含SOLT标准校准件。这些校准件包括各种连接器类型，并且价格相对便宜，小心使用的话可以用很多年。

　　有的SOLT校准套件包含滑动负载，因此可改变路径的线路长度，同时保持恒定的负载阻抗（通常为50Ω或75Ω）。滑动负载在高频时尤为重要，因为在这种情况下很难实施良好的固定负载。线路长度的变化会直接成比例地改变电长度，导致测量路径中发生相移。通过在校准过程中使用几种不同长度的线路和相应的相移，可以更精确地测量网络分析仪的方向性（图3）。

　　双向直通SOL通常称为“未知直通”。这种方法允许在遵守一些基本原则的条件下，在校准过程中使用电缆、电路板线轨或Ecal模块作为直通路径。当处理非插入式设备（具有同性或不兼容的连接器，在校准期间需要使用适配器才能建立直通连接）时，未知直通尤为有用。该适配器会给校准带来一个误差。未知直通因为无需使用精密的或经过校准的适配器，并且可以最大限度地减少校准期间的电缆移动，所以非常有用。它通常比其他需要去除适配器的方法更方便、更精确。

　　以SOLT为基础的其他校准技术还包括对一个标准校准件进行偏置。对于波导和其他高频应用来说，这个“偏置SOLT”的方法非常有效。例如，一个偏置负载可以被认为是一个混合标准件，其中包含两个不同长度的已知偏置（发射线路）和一个负载元件。

　　“Quick SOLT”或QSOLT用于多端口应用中（网络分析仪上的测量端口多于2个）。这种方法有时被称为N端口解决方案，其中N代表端口的数量。校准的步骤数与端口数量成正比。QSOLT使用需要校准步骤较少的数学算法，通过一组最少的连接全面解析N端口误差模型。

　　大多数SOLT校准以手动方式执行，并且执行起来相对容易。安捷伦网络分析仪提供（逐步）引导式校准，可减少人为误差，提高可重复性。然而，正确的校准技术必须通过实践的检验。同大多数测量技术一样，SOLT校准也需要通过实践的检验，以保证能够提供最大的性能。

了解TRL校准

　　TRL校准极为精确，在大多数情况下，精确度甚至超过SOLT校准。然而绝大多数校准套件中都不包含TRL标准件。在要求高精度并且可用的标准校准件与被测件的连接类型不同的情况下，一般采用TRL校准。使用测试夹具进行测量或使用探头进行晶圆上的测量，通常都属于这种情况。因此，某些情况下需要构建和表征与被测件配置介质类型相同的标准件。制造和表征三个TRL标准件比制造和表征四个SOLT标准件更容易。

TRL校准还有另一个重要优势：标准件不需要像SOLT标准件那样进行完整或精确的定义。虽然SOLT标准件是完全按照标准的定义进行表征和储存，而TRL标准件只建立模型而不进行完整表征，但是TRL校准的精度与TRL标准件的质量和可重复性成正比。物理中断（例如传输线路弯曲和同轴结构中的焊缝）将会降低TRL校准的精度。接口必须保持清洁并允许可重复的连接。

　利用Ecal（电子校准）模块

　　为确保温度稳定，Ecal模块在一个加热的板上使用一组固态阻抗标准件。在网络分析仪校准期间，Ecal模块在关闭修正功能的情况下测量这些固态阻抗标准件，然后将这些原始（未修正的）测量结果与ECal模块内部闪存中保存的阻抗标准件预期性能值进行比较。网络分析仪读取阻抗状态值，并用这些值与测量值进行比较，再使用比较之后得到的差值计算校准系数（或误差项）。

　　要想最大限度地减少校准过程中的人为误差，ECal是一个极好的选择。ECal模块必须通过USB连接到网络分析仪上才能使用。ECal模块经过预热后，工程师将会把它连接到网络分析仪的测试端口上，并在校准菜单中选中ECal。该模块会自动感知端口连接并开始其校准过程。这个过程（通常用时不到30秒）具有高度的可重复性，并且正确执行时可获得比其他许多手动校准技术更高的精度。

　　与其他方法不同，ECal模块非常灵活，可使用不同的连接器通过执行某些VNA提供的用户表征功能进行重新表征。ECal模块附带有同轴连接器，当连接同轴波导适配器之后，Ecal模块可执行用户表征，从而能够作为波导模块使用。
　　

校准技术及技术间的折中

　　用户在决定采用哪种校准技术时，往往会比较它们的精度和易用性。精度最高、技术水平要求最低的校准方法当然是最理想的。但遗憾地是，我们往往需要在这两个因素之间做一个折中。

　　表2充分利用了安捷伦的研究结果，把本文中讨论的校准技术汇集到一起，对它们所要求的技术水平及可重复性、成本和精度做了比较。结果分成低(L)、中(M)、高(H)三个档次。

　　因为2端口校准是最常见的应用，所以一般情况下，表2中提供的是2端口校准的SOLT值。相反，1端口SOL校准不要求直通，所以不包括直通标准件所引起的任何测量不确定度，因此通常会更精确一些。因为TRL校准不适用于1端口测量，所以此处只提供2端口TRL及其衍生校准的数据。

测量精度的考虑因素

　　精度是指仪器在规定误差技术指标内测量实际值的能力。典型的网络分析仪能够测量百分之一分贝数量级的功率和毫度级相位。只有使用适当的校准和测量方法，才能达到这种精度级别。适当的连接器操作、扭力、仪器操作和其他最佳实践对网络分析仪测量精度的影响，要比所选择的校准方法影响更大。较差的校准行为产生的误差可能会远远超过表2中显示的结果。

　　广义上说，网络分析仪没有固有的可保证精度。在校准过程中，这些仪器依靠对已知标准校准件进行测量建立一个基准。网络分析仪在校准过程中与标准件的背离程度决定了它的精度。进行正确的校准是确保最佳测量性能的基础。

失配测量的不确定度

　　考虑一条用于连接网络分析仪和被测件（DUT）的电路线轨，其特征阻抗具有10%的误差（例如，50Ω网络分析仪的特征阻抗为55Ω）。经过简单的计算可以得出，源和负载的反射系数为0.05，相当于VSWR为 1:1.10。这就造成了0.01 dB的失配损耗和±0.02 dB的失配不确定度。现在再来看一条在网络分析仪和被测件之间的反射系数为0.13的电路线轨，它的VSWR为1:1.30，这比1:2.0的 VSWR（通常在某些商业应用中指定）低得多。在这种情况下，失配损耗突然升至0.075 dB，失配不确定度为± 0.15 dB。图4说明了这种关系。

　　网络分析仪和被测件之间的连接可能包括电缆、适配器、电路线轨和夹具。劣质元器件和电缆、带有污垢或受到损坏的连接器以及不适当的扭力等因素，都可能引起每个元件的特征阻抗发生变化。这些因素的累积效应将会产生巨大的测量不确定度。

　　上述实例说明使用良好测量方法的重要性，包括对连接器进行适当的维护和清洁、施加适当的扭力、尽量少用连接器以及在校准和设备测量过程中使用优质的电缆和元器件。　　

最大限度减少校准过程中的噪声

　在校准过程中，除了要使用好的测量方法之外，还应该把环境和噪声的影响降到最低。这将会改善测量结果的可重复性、精度和稳定性。如果有辐射或传导电子噪声，那么应使用滤波和屏蔽来降低噪声。使用特定的仪器设置，可进一步降低噪声对测量的影响：

　　● 将网络分析仪的激励功率设置到最高，以最大限度地增加被测件的信噪比。

　　● 缩小中频带宽。这种折中方法是降低扫描速度。如果需要，可使用求平均值法，通过减少随机白噪声的影响进一步提高信噪比。校准后可关闭平均算法，但是测量噪声会增加。

　　● 为减少程序误差的风险，强烈建议在执行校准之前检查仪器设置和被测件的连接情况。

最佳测量实践概述

当使用网络分析仪时，按照下列步骤操作可以优化测量精度和可重复性。确保正确的被测件连接和正确的仪器设置也可提高精度。校准后，测量或设置发生任何改变都会降低测量精度。

　　大多数网络分析仪校准都可归为三大类：SOLT、TRL和ECal。每一类都有各自的优势和相关的精度。通过适当的培训和使用体验，工程师将会逐渐熟悉某种特定的方法。然而，他们还应该培养自己小心谨慎的工作态度，杜绝在校准中的坏习惯。

　　工程师如果缺乏校准和测量经验，也会使校准的精密度和精确度大大降低。一般的用户可能没有机会经常使用网络分析仪。当使用精度仅到一两个分贝的射频仪器时，干扰连接器所产生的0.1dB误差可以忽略不计。然而当使用网络分析仪时，0.1dB恰好在仪器的测量范围内。因此，养成良好的测量习惯并且时常进行总结，对于避免给校准精度造成不利影响是非常有帮助的。