矢量網絡分析儀VNA的校準之SOLT方法

    S參數的測量方法有兩種,一種是基於掃頻測量的原理(VNA),另外一種是基於快沿階躍響應的原理(TDR)。

    下圖是VNA的原理框圖,主要包括以下部分: 

(1)激勵信號源:提供感興趣的頻率範圍內的入射信號;

(2)信號分離裝置:含功分器和定向耦合器,分離出入射,反射和傳輸信號;

(3)接收機:對被測件的入射,反射和傳輸信號進行測試;

(4)處理顯示單元:對測試結果進行處理和顯示。

    正確的校準是使用 VNA 的一個難點。VNA測量出來的S參數是否有錯誤並不能通過VNA直接能檢查出來,只有導入仿真軟件仿真出結果發現有問題時可能會懷疑是S參數測量有問題,再返回來檢查VNA校準VNA測量時的操作有沒有錯誤。

1、網絡分析儀中的系統誤差

    由於被測件的多樣性,使得矢量網絡分析儀校準種類繁多,操作者容易出現誤區。有時候校準出來的結果看很“漂亮”,但其實是錯誤值。下面將列舉常見的誤區。

    下圖總結了典型網絡分析儀中的系統誤差來源。

    相位測量功能使得VNA能夠精確地計算所有的誤差來源。方向誤差會影響反射測量的精度。隔離誤差會影響發射測量的精度。源和負載誤差與被測件和分析儀測量端口阻抗之間的失配有關。反射和發射跟蹤誤差與分析儀的參考接收機和測量接收機的頻率響應差異有關。

(1)ED,與信號泄露相關的方向性誤差;

(2)ES,與反射相關的源失配誤差;

(3)EL,與反射相關的負載失配誤差;

(4)ERT/ER,由測試接收機內部的反射跟蹤引起的頻率響應誤差;

(5)ETT/ET,由測試接收機內部的傳輸跟蹤引起的頻率響應誤差;

(6)EX,與信號泄露相關的串擾誤差;

    因此在使用前需要進行嚴格的校準。

2、網絡分析儀中的校準技術

    常用的校準技術有三種:SOLT(Short短路-Open開路-Load負載-Thru直通)、TRL(Thru直通-Reflect反射-線路Line)、LRM(Line-Reflect-Match)、LRRM(Line-Reflect-Reflect-Match)和ECal(電子校準)模塊。在每一種校準技術中,通常又針對特定的測量要求(如寬帶頻率或晶圓上探測)分成不同的校準方法。下表中總結了這些常用的校準技術及其各自的主要優勢。

3、探究SOLT校準

    大多數網絡分析儀用戶最先熟悉的校準方法是SOLT。SOLT校準能夠提供優異的精度和可重複性。這種校準方法要求使用短路、開路和負載標準校準件。如果被測件上有雌雄連接器,還需要分別爲雌雄連接提供對應的標準件,連接兩個測量平面,形成直通連接。

    SOLT校準方法使用12項誤差修正模型,其中被測件的正向有6項,反向有6項。下圖顯示了正向誤差項:ED(方向)、ES(源匹配)、EL(負載匹配)、ERT/ER(反射跟蹤)、ETT/ET(發射跟蹤)和EX(串擾)。操作正確的話,SOLT可以測量百分之一分貝數量級的功率和毫度級相位。常用的校準套件中都包含SOLT標準校準件。這些校準件包括各種連接器類型,並且價格相對便宜,小心使用的話可以用很多年。(F:Forward,R:Reverse)

    該算法的基本流程爲:依次連接四個標準件,分別進行測量,得到相對簡化的方程,通過推導化簡求解系統誤差項,最後將這些誤差項帶入誤差修正公式完成對DUT測量值的誤差修正,最終得到較爲準確的測量結果。具體過程如下:

    正向測量(激勵)時,首先根據上圖的誤差模型,利用信號流圖,由梅森法則可以求出:

    其中:

    相應的,反向激勵時,得出S參數爲:

    其中:

    顯而易見,由於S11m,S21m,S22m和S12m可以通過測量得到,而DUT的真實值S11a,S21a,S22a和S12a,要根據上面公式的反向公式和12個系統誤差來計算。

(a)當兩端口接短路標準件時,此時S11a=S22a=-1,S12a=S21a=0,可以得出:

(b)當兩端口接開路標準件時,此時S11a=S22a=1,S12a=S21a=0,可以得出:

(c)當兩端口接匹配負載標準件時,此時S11a=S22a=S12a=S21a=0,可以得出測量反射參數和傳輸參數:

(d)當兩端口直接相連相當於直通時,此時S11a=S22a=0,S12a=S21a=1,可以得出:

    根據式(3-1-5)~式(3-1-16),可以求出正向激勵和反向激勵的12個誤差項,分別是

    前向誤差項:

    後向誤差項:

    根據式(3-1-1)~式(3-1-4),可以得出DUT的實際值與測量值的關係:

    其中:

    當我們通過矢網測量其他的被測件DUT時,直接將矢網儀器的兩端口分別接DUT,在獲得了DUT的測量值以後,只需要按照式(3-1-17)的公式進行誤差校準修正,就可以得到該DUT的實際真實S參數。

    有的SOLT校準套件包含滑動負載,因此可改變路徑的線路長度,同時保持恆定的負載阻抗(通常爲50Ω或75Ω)。滑動負載在高頻時尤爲重要,因爲在這種情況下很難實施良好的固定負載。線路長度的變化會直接成比例地改變電長度,導致測量路徑中發生相移。通過在校準過程中使用幾種不同長度的線路和相應的相移,可以更精確地測量網絡分析儀的方向性,如下圖。

    雙向直通SOL通常稱爲“未知直通”。這種方法允許在遵守一些基本原則的條件下,在校準過程中使用電纜、電路板線軌或Ecal模塊作爲直通路徑。當處理非插入式設備(具有同性或不兼容的連接器,在校準期間需要使用適配器才能建立直通連接)時,未知直通尤爲有用。該適配器會給校準帶來一個誤差。未知直通因爲無需使用精密的或經過校準的適配器,並且可以最大限度地減少校準期間的電纜移動,所以非常有用。它通常比其他需要去除適配器的方法更方便、更精確。

    以SOLT爲基礎的其他校準技術還包括對一個標準校準件進行偏置。對於波導和其他高頻應用來說,這個“偏置SOLT”的方法非常有效。例如,一個偏置負載可以被認爲是一個混合標準件,其中包含兩個不同長度的已知偏置(發射線路)和一個負載元件。

    “Quick SOLT”或QSOLT用於多端口應用中(網絡分析儀上的測量端口多於2個)。這種方法有時被稱爲N端口解決方案,其中N代表端口的數量。校準的步驟數與 端口數量成正比。QSOLT使用需要校準步驟較少的數學算法,通過一組最少的連接全面解析N端口誤差模型。

    大多數SOLT校準以手動方式執行,並且執行起來相對容易。安捷倫網絡分析儀提供(逐步)引導式校準,可減少人爲誤差,提高可重複性。然而,正確的校準技術必須通過實踐的檢驗。同大多數測量技術一樣,SOLT校準也需要通過實踐的檢驗,以保證能夠提供最大的性能。

    下表是SLOT校準和其他校準方法的精度比較。

是不是每次測量一個新的項目前都必須做校準?

    這個是不一定需要的,儘量將每次校準的state存 入VNA,名字最好爲校準狀態,例如頻率範圍,輸入激勵功率等。如果有新的測試項目,但是它的測試條件和已有狀態相似,且load state後,檢查校準狀態良好,就可用使用以前的校準狀態,而不需要重新校準。將校準state保存並調用的好處在於:Calibration Kit也是有使用壽命的,多次的校準,會是的校準件多次和校準電纜接觸,可能污染校準件,使得校準件特性發生改變,影響下一次校準。儘量養成如下習慣:將 網絡分析儀的port不用的時候加上防塵套;對測試電纜進行標號,使得VNA每個port儘可能固定連接某個電纜;對測試電纜不用時,也需要加上防塵套; 儘量不用很髒的測試電纜等。

校準一次可以用多長時間?

    因爲矢量網絡分析儀是在特定環境下校準的,隨着時間的推移,環境因素與校準時刻的情況變得不一致,導致校準結果失效。環境因素包含溫度、溼度、電纜彎曲程度等,很難定量而談。所以,校準一次後,直到你覺得校準效果不滿足測試要求時,那麼再次進行校準。

 

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