矢量网络分析仪校准技术

1、 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 1 矢量网络分析仪的校准技术矢量网络分析仪的校准技术 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 2 罗德与施瓦茨中国有限公司罗德与施瓦茨中国有限公司 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 3 主要内容主要内容l概述l系统误差模型l校准方法及应用 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 4 概述概述l测量原理 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 200

2、4/ An Yi / 5 概述概述l矢量网络分析仪的结构 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 6 概述概述l矢量网络分析仪的结构 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 7 概述概述l矢量网络分析仪的结构 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 8 概述概述l三通道矢量网络分析仪 Port 1Port 2Ref. Channel R1 Meas. Channel ASource Meas. Channel BTest set Rohde & Schwar

3、z 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 9 概述概述l四通道矢量网络分析仪 Port 1Port 2Ref. Channel R1 Meas. Channel ASource Ref. Channel R2 Meas. Channel BTest set Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 10 概述概述l测量误差系统误差v矢量网络分析仪内部测试装置的系统响应v外部测试装置的系统响应随机误差l测试装置的稳定性l仪器的稳定性 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 11 系统误差模型

4、系统误差模型l5误差项模型11121314212223243132333441424344kkkkkkkkKkkkkkkkk11122122 ttTtt Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 12 系统误差模型系统误差模型l误差网络变换224466frtmbmbmb111212122121112221220rftmRRmaRRbaTTbmTT Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 13 系统误差模型系统误差模型l5误差项模型的校准如采用TOSM四个标准件进行校准，则可以根据由标准件所决定的端口信号之

5、间的关系确定矩阵R和T的参数。111112121211 221 2:0:tmatch bShort baOpen baThroughabbaaT bmT b Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 14 系统误差模型系统误差模型l10误差项模型（三通道矢量网络分析仪） Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 15 系统误差模型系统误差模型l开关切换对于误差模型的影响开关切换对于误差模型的影响v因为开关位于参考接收机和三端口误差网络R,T之间，所以在四端口误差网络K中包含了下列影响：位置1 功率分配器，开

6、关（位置1）和三端口误差网络R位置2 功率分配器，开关（位置2)和三端口误差网络Tv前向和反向测量时，对应的误差网络和误差项不同。(R11, R22, R12R21, T11, T21 R21 和 T“11, T“22, T“12T“21, R“22, T“12R“12)v称为称为10误差项模型误差项模型v在10误差项模型中加入开关的泄漏误差，eI0，eII0。 称为称为12误差项模型误差项模型 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 16 系统误差模型系统误差模型l10(12)误差项模型中对开关的要求高重复性高隔离度（大于VNA本身的动态范围)无

7、需良好匹配可以有损耗两个切换位置无需相等 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 17 系统误差模型系统误差模型l7误差项模型(四通道矢量网络分析仪) Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 18 系统误差模型系统误差模型l7误差项模型将八个误差现进行归一化将八个误差现进行归一化,得到七个误差项得到七个误差项 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 19 系统误差模型系统误差模型l端口互耦消除的误差模型 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨

8、会 2004/ An Yi / 20 系统误差模型系统误差模型l15误差项模型(四通道） Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 21 系统误差模型系统误差模型l15误差项模型(四通道） Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 22 系统误差模型系统误差模型l15误差项模型(四通道） Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 23 系统误差模型系统误差模型l15误差项模型(四通道）l(a)-无端口互耦，采用TRM进行校准，只测量DUTl(b)-以20dB衰减器

9、模拟端口互耦，TRM校准，测量DUTl(c)-以20dB衰减器模拟端口互耦，采用15误差项校准方法（如TMSO）进行校准，测量DUT Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 24 系统误差模型系统误差模型l22误差项模型(三通道） Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 25 系统误差模型系统误差模型l22误差项模型(三通道）l下表列出了可能的校准标准件的组合l需要至少两个传输标准件l为了达到最好的校准性能，A标准件应具有180度相移 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/

10、 An Yi / 26 校准方法及应用校准方法及应用l校准技术主要参考文献1 Churchill, H. M., Susman, L., “A Six-Port Automatic Network Analyzer“, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, MTT-25, 1977, pp. 1086-10912 Engen, G. F., Hoer, C. A., “Thru-Reflect-Line: An Improved Technique for Calibrating the Dual Six Port Auto

11、matic Network Analyzer“, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, MTT-27, 1979, pp. 987-9933 Eul, H.-J., Schiek, B., “Thru-Match-Reflect: One Result of a Rigorous Theory for De-embedding and Network Analyzer Calibration“, Proceedings of the 18th European Microwave Conference, September

12、12-16, Stockholm (Sweden), 1988, pp. 909-9144 Eul, H.-J., Schiek, B., “A Generalized Theory and New Calibration Procedures for Network Analyzer Self-Calibration“, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, MTT-39, 1991, pp. 724-7315 Heuermann, H., Schiek, B., “The In-Fixture Calibration P

13、rocedure Line- Network-Network-LNN“, Proceedings of the 23rd European Microwave Conference, September 6-9, Madrid (Spain), 1993, pp. 500-5056 Heuermann, H., Schiek, B., “Results of Network Analyzer Measurements with Leakage Errors Corrected with the TMS-15-Term Procedure“, Proceedings of the IEEE MT

14、T-S International Microwave Symposium, May 23-27, San Diego (California), 1994, pp. 1361-1364 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 27 校准方法及应用校准方法及应用l校准方法分类lNORMALIZATION 包括反射与传输的归一化，提供了最快的测量速度。lFULL ONE PORT 校准一个端口的T、D、S误差项，适用于精确测量端口的反射。 lONE PATH TWO PORT 前二者的合成，适用于单向传输测试，如放大器。lFULL TWO PORT

15、适用于双向测量，可校准两个端口，并进行所有S参数的测量。提供了最高的精度 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 28 校准方法及应用校准方法及应用l全双端口校准技术TOM 5inherent verificationCalibration procedureNumber of Calibration stepsSpecial featureTRM TNA TRL TOM-X 5especially for test fixtures4high directivity3especially for test fixtures5(9)eliminat

16、es crosstalkTOSM 7classical procedure Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 29 校准方法及应用校准方法及应用lTOSM经典的全双端口校准技术 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 30 校准方法及应用校准方法及应用lTOSM经典的全双端口校准技术lthrough/open/short/matchl由于是三通道，所以前向和反向通道中的误差项不同l12个误差项l泄漏设为常数l4个校准件的10个已知参数可以确定10个误差项 缺点：l7个校准步骤l需知道所有校准件的参

17、数l无法克服校准误差 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 31 校准方法及应用校准方法及应用lTOSM校准方法的扩展l端口泄漏补偿两个端口需要两个匹配负载校准和测量过程可能会呈现不同的泄漏特性在校准过程中，两个端口完全匹配，进行隔离测量。所以，只有测量端口良好匹配的被测件能被准确测量，如果被测件端口反射很大，则可能会导致较大的测量误差。 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 32 校准方法及应用校准方法及应用lTOSM校准方法的扩展l滑动负载非理想匹配标准件的补偿高频测量时所需的校准标准件提高有效

18、方向性提高幅度和相位精度 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 33 校准方法及应用校准方法及应用l校准方法的改进lTOSM校准方法存在的不足需要校准标准件的全部参数：例如，长度，损耗，寄生电容，寄生电感等。不能对校准的质量做进一步的评估和检测。l改进方法减少所需的校准标准件采用无需全部参数已知的校准标准件l应用范围测试夹具，芯片，PCB等 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 34 校准方法及应用校准方法及应用l三个标准件的校准方法l七误差项模型l适用于多种应用场合lTOM带有内部认证lTNA,T

19、RM,TRL适用于PCB，芯片，测试夹具等 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 35 校准方法及应用校准方法及应用lTOMlthrough/open/matchl适用于四通道仪器，采用7误差项的模型l3个校准件具有八个已知参数，用来估计7个误差项l多出的一个等式用于认证校准结果正确与否，称为内部认证，从而保证校准精度，避免校准误差，在生产应用中具有很高的可靠性。l只需五个步骤l适用于同轴系统 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 36 校准方法及应用校准方法及应用lTRMlthrough/refl

20、ect/matchlR可以未知，但在两个测试端口需相等l适用于测试夹具的校准l7误差项模型，T具有4个已知参数，M具有两个lR对称提供一个，从而可以估计7个误差。l如将端口空载，则只需3个步骤。lSHORT可以用来验证校准结果 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 37 校准方法及应用校准方法及应用lTNAlthrough/network/attenuatorl利用三个双端口器件进行校准。lnetwork参数可以未知，但需对称。lattenuator的衰减可以未知，但需良好匹配lT、N、A提供了七个已知参数进行7个误差 项的估计。l如将端口空载，

21、则只需2步校准。l适于夹具和芯片校准。lSHORT可以用来验证校准结果。 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 38 校准方法及应用校准方法及应用l夹具测量 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 39 校准方法及应用校准方法及应用lThrough标准件的制作示例lS11/S22取决于线的几何结构，基片的介电常数和厚度。lS21/S12取决于线的电长度 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 40 校准方法及应用校准方法及应用lAttenuator标准件的

22、制作示例lS11=S22=0lS21/S12可以任意选择，并且未知。但是要有别于Through. Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 41 校准方法及应用校准方法及应用lNetwork标准件l可以简单地将端口空载l对称性主要由适配器来保证无需Network标准件 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 42 校准方法及应用校准方法及应用lTNA应用示例 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 43 校准方法及应用校准方法及应用lTNA校准夹具 Rohde

23、 & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 44 校准方法及应用校准方法及应用lTNA校准标准件 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 45 校准方法及应用校准方法及应用lTNA应用示例 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 46 校准方法及应用校准方法及应用lTRLlThrough/Reflect/Linel标准件Line和Through的长度差不能等于半波长的整数倍。以避免奇异点的出现。l校准的频率范围受到限制，换言之，终止频率和起始频率的最大比值为8:1 Roh

24、de & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 47 校准方法及应用校准方法及应用lTRLl增加校准标准件来扩展校准频率范围(Line2,Match)l高端频率的扩展：Line2的长度较Line1短，从而可以覆盖更高的频率范围。例如Line2=2Line1/3。l低端频率的扩展：对于扫描频率低于较长的Line所对应的20度限制值，可以采用Match进行TRM校准。 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 48 校准方法及应用校准方法及应用lTOM-Xl将2个双端口误差模型推广为一个四端口误差模型l15项误差l消除端口互耦 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 49 校准方法及应用校准方法及应用lFactory Calibrationl全双端口校准l无用户自校准时，数据激活l参考面位于Port1/Port2（或测试电缆端口）l所有矢量网络分析仪均提供工厂校准l即使没有用户自校准，也可以满足大部分测量的精度要求 Rohde & Schwarz 中国培训中心 技术研讨会 2004/ An Yi / 50 校准方法及应用校准方法及应用l功率校准l需要功率