矢量網(wǎng)絡(luò)分析的校準(zhǔn)SOLT、TRL與Ecal

1、矢量網(wǎng)絡(luò)分析的校準(zhǔn):SOLT、TRL與Ecal作者：Louisu與以往的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA相比，現(xiàn)在的許多儀器提供了更多的校準(zhǔn)方法供用戶選擇。更多的選擇固然好，但同時也帶來了更多的混亂。幸運的是，一些關(guān)鍵的比較點可以快速縮小 選擇范圍，并確定最適當(dāng)?shù)男?zhǔn)技術(shù)。本文將討論常用的網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)技術(shù)及其相對精度，重點是可靠的測量實踐和其他能夠改善精度的因素。校準(zhǔn)類型現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)分析儀都具有極強的處理能力和靈活性，針對特定應(yīng)用的許多校準(zhǔn)方法 也隨之涌現(xiàn)出來。例如，針對特定應(yīng)用的校準(zhǔn)類型有混頻器/變頻器校準(zhǔn)（用于頻率偏置器件）、噪聲系數(shù)校準(zhǔn)和夾具內(nèi)測量等。下面以全面的1端口和2端口矢量 校準(zhǔn)為討論的

2、重點，并回顧網(wǎng)絡(luò)分析儀中針對所有誤差源的矢量校準(zhǔn)方法。這些方法與那些不考慮所有誤差項的方法（例如響應(yīng)校準(zhǔn)）相比，精確度要高得多。討論 校準(zhǔn)精度時，將討論范圍限定為一些常用的校準(zhǔn)類型，大多數(shù)現(xiàn)代校準(zhǔn)方法來源于這些常用的校準(zhǔn)類型。常用的校準(zhǔn)技術(shù)有三種：SOLT（短路開路負(fù)載直 通）、TRL（直通反射線路）和ECal（電子校準(zhǔn)）模塊。在每一種校準(zhǔn)技術(shù)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(zhǔn) 方法。表1中總結(jié)了這些常用的校準(zhǔn)技術(shù)及其各自的主要優(yōu)勢。網(wǎng)絡(luò)分析儀中的系統(tǒng)誤差圖1總結(jié)了典型網(wǎng)絡(luò)分析儀中的系統(tǒng)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

3、響反射測量的精度。隔 離誤差會影響發(fā)射測量的精度。源和負(fù)載誤差與被測件和分析儀測量端口阻抗之間的失配有關(guān)。反射和發(fā)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(yīng) 差異有關(guān)。探究SOLT校準(zhǔn)大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)分析儀用戶最先熟悉的校準(zhǔn)方法是SOLT。SOLT校準(zhǔn)能夠提供優(yōu)異的精度和可重復(fù)性。這種校準(zhǔn)方法要求使用短路、開路和負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件。如果被測件上有雌雄連接器，還需要分別為雌雄連接提供對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件，連接兩個測量平面，形成直通連接。SOLT校準(zhǔn)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。圖2顯示了正向誤差項：ED（方向）、ES（源匹配）、EL（負(fù)載匹配）、ERF（反射跟蹤）、ET

4、F（發(fā)射跟蹤）和EX（串?dāng)_）。操作正確的話，SOLT可以測量百分之一分貝數(shù)量級的功率和毫度級相位。常用的校準(zhǔn)套件中都包含SOLT標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件。這些校準(zhǔn)件包括各種連接器類型，并且價格相對便宜，小心使用的話可以用很多年。有的SOLT校準(zhǔn)套件包含滑動負(fù)載，因此可改變路徑的線路長度，同時保持恒定的負(fù)載阻抗（通常為50或75）?；瑒迂?fù)載在高頻時尤 為重要，因為在這種情況下很難實施良好的固定負(fù)載。線路長度的變化會直接成比例地改變電長度，導(dǎo)致測量路徑中發(fā)生相移。通過在校準(zhǔn)過程中使用幾種不同長度 的線路和相應(yīng)的相移，可以更精確地測量網(wǎng)絡(luò)分析儀的方向性（圖3）。雙向直通SOL通常稱為“未知直通”。這種方法允許在遵

5、守一些基本原則的條件下，在校準(zhǔn)過程中使用電纜、電路板線軌或Ecal模塊作 為直通路徑。當(dāng)處理非插入式設(shè)備（具有同性或不兼容的連接器，在校準(zhǔn)期間需要使用適配器才能建立直通連接）時，未知直通尤為有用。該適配器會給校準(zhǔn)帶來一 個誤差。未知直通因為無需使用精密的或經(jīng)過校準(zhǔn)的適配器，并且可以最大限度地減少校準(zhǔn)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為基礎(chǔ)的其他校準(zhǔn)技術(shù)還包括對一個標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件進行偏置。對于波導(dǎo)和其他高頻應(yīng)用來說，這個“偏置SOLT”的方法非常有效。例如，一個偏置負(fù)載可以被認(rèn)為是一個混合標(biāo)準(zhǔn)件，其中包含兩個不同長度的已知偏置（發(fā)射線路）和一個

6、負(fù)載元件。“Quick SOLT”或QSOLT用于多端口應(yīng)用中（網(wǎng)絡(luò)分析儀上的測量端口多于2個）。這種方法有時被稱為N端口解決方案，其中N代表端口的數(shù)量。校準(zhǔn)的步驟數(shù)與 端口數(shù)量成正比。QSOLT使用需要校準(zhǔn)步驟較少的數(shù)學(xué)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(shù)SOLT校準(zhǔn)以手動方式執(zhí)行，并且執(zhí)行起來相對容易。安捷倫網(wǎng)絡(luò)分析儀提供（逐步）引導(dǎo)式校準(zhǔn)，可減少人為誤差，提高可重復(fù)性。然而，正確的校準(zhǔn)技術(shù)必須通過實踐的檢驗。同大多數(shù)測量技術(shù)一樣，SOLT校準(zhǔn)也需要通過實踐的檢驗，以保證能夠提供最大的性能。了解TRL校準(zhǔn) TRL校準(zhǔn)極為精確，在大多數(shù)情況下，精確度甚至超過SOLT校準(zhǔn)。然

7、而絕大多數(shù)校準(zhǔn)套件中都不包含TRL標(biāo)準(zhǔn)件。在要求高精度并且可用的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件與 被測件的連接類型不同的情況下，一般采用TRL校準(zhǔn)。使用測試夾具進行測量或使用探頭進行晶圓上的測量，通常都屬于這種情況。因此，某些情況下需要構(gòu)建和 表征與被測件配置介質(zhì)類型相同的標(biāo)準(zhǔn)件。制造和表征三個TRL標(biāo)準(zhǔn)件比制造和表征四個SOLT標(biāo)準(zhǔn)件更容易。TRL校準(zhǔn)還 有另一個重要優(yōu)勢：標(biāo)準(zhǔn)件不需要像SOLT標(biāo)準(zhǔn)件那樣進行完整或精確的定義。雖然SOLT標(biāo)準(zhǔn)件是完全按照標(biāo)準(zhǔn)的定義進行表征和儲存，而TRL標(biāo)準(zhǔn)件只建 立模型而不進行完整表征，但是TRL校準(zhǔn)的精度與TRL標(biāo)準(zhǔn)件的質(zhì)量和可重復(fù)性成正比。物理中斷（例如傳輸線路彎曲和同軸

8、結(jié)構(gòu)中的焊縫）將會降低TRL校 準(zhǔn)的精度。接口必須保持清潔并允許可重復(fù)的連接。利用Ecal（電子校準(zhǔn)）模塊為確保溫度穩(wěn)定，Ecal模塊在 一個加熱的板上使用一組固態(tài)阻抗標(biāo)準(zhǔn)件。在網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)期間，Ecal模塊在關(guān)閉修正功能的情況下測量這些固態(tài)阻抗標(biāo)準(zhǔn)件，然后將這些原始（未修正的） 測量結(jié)果與ECal模塊內(nèi)部閃存中保存的阻抗標(biāo)準(zhǔn)件預(yù)期性能值進行比較。網(wǎng)絡(luò)分析儀讀取阻抗?fàn)顟B(tài)值，并用這些值與測量值進行比較，再使用比較之后得到的差 值計算校準(zhǔn)系數(shù)（或誤差項）。要想最大限度地減少校準(zhǔn)過程中的人為誤差，ECal是一個極好的選擇。ECal模塊必須通過USB連接 到網(wǎng)絡(luò)分析儀上才能使用。ECal模塊經(jīng)過預(yù)熱

9、后，工程師將會把它連接到網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試端口上，并在校準(zhǔn)菜單中選中ECal。該模塊會自動感知端口連接 并開始其校準(zhǔn)過程。這個過程（通常用時不到30秒）具有高度的可重復(fù)性，并且正確執(zhí)行時可獲得比其他許多手動校準(zhǔn)技術(shù)更高的精度。與其他方法不同，ECal模塊非常靈活，可使用不同的連接器通過執(zhí)行某些VNA提供的用戶表征功能進行重新表征。ECal模塊附帶有同軸連接器，當(dāng)連接同軸波導(dǎo)適配器之后，Ecal模塊可執(zhí)行用戶表征，從而能夠作為波導(dǎo)模塊使用。校準(zhǔn)技術(shù)及技術(shù)間的折中用戶在決定采用哪種校準(zhǔn)技術(shù)時，往往會比較它們的精度和易用性。精度最高、技術(shù)水平要求最低的校準(zhǔn)方法當(dāng)然是最理想的。但遺憾地是，我們往往需要在

10、這兩個因素之間做一個折中。表2充分利用了安捷倫的研究結(jié)果，把本文中討論的校準(zhǔn)技術(shù)匯集到一起，對它們所要求的技術(shù)水平及可重復(fù)性、成本和精度做了比較。結(jié)果分成低(L、中(M、高(H三個檔次。因為2端口校準(zhǔn)是最常見的應(yīng)用，所以一般情況下，表2中提供的是2端口校準(zhǔn)的SOLT值。相反，1端口SOL校準(zhǔn)不要求直通，所以不包 括直通標(biāo)準(zhǔn)件所引起的任何測量不確定度，因此通常會更精確一些。因為TRL校準(zhǔn)不適用于1端口測量，所以此處只提供2端口TRL及其衍生校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。測量精度的考慮因素精度是指儀器在規(guī)定誤差技術(shù)指標(biāo)內(nèi)測量實際值的能力。典型的網(wǎng)絡(luò)分 析儀能夠測量百分之一分貝數(shù)量級的功率和毫度級相位。只有使用適當(dāng)?shù)?/p>

11、校準(zhǔn)和測量方法，才能達到這種精度級別。適當(dāng)?shù)倪B接器操作、扭力、儀器操作和其他最佳 實踐對網(wǎng)絡(luò)分析儀測量精度的影響，要比所選擇的校準(zhǔn)方法影響更大。較差的校準(zhǔn)行為產(chǎn)生的誤差可能會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過表2中顯示的結(jié)果。廣義上說，網(wǎng)絡(luò)分析儀沒有固有的可保證精度。在校準(zhǔn)過程中，這些儀器依靠對已知標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件進行測量建立一個基準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)分析儀在校準(zhǔn)過程中與標(biāo)準(zhǔn)件的背離程度決定了它的精度。進行正確的校準(zhǔn)是確保最佳測量性能的基礎(chǔ)。失配測量的不確定度考慮一條用于連接網(wǎng)絡(luò)分析儀和被測件（DUT）的電路線軌，其特征 阻抗具有10%的誤差（例如，50網(wǎng)絡(luò)分析儀的特征阻抗為55）。經(jīng)過簡單的計算可以得出，源和負(fù)載的反射系數(shù)為0.05，

12、相當(dāng)于VSWR為 1:1.10。這就造成了0.01 dB的失配損耗和0.02 dB的失配不確定度。現(xiàn)在再來看一條在網(wǎng)絡(luò)分析儀和被測件之間的反射系數(shù)為0.13的電路線軌，它的VSWR為1:1.30，這比1:2.0的 VSWR（通常在某些商業(yè)應(yīng)用中指定）低得多。在這種情況下，失配損耗突然升至0.075 dB，失配不確定度為 0.15 dB。圖4說明了這種關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)分析儀和被測件之間的連接可能包括電纜、適配器、電路線軌和夾具。劣質(zhì)元器件和電纜、帶有污垢或受到損壞的連接器以及不適當(dāng)?shù)呐ちΦ纫蛩?，都可能引起每個元件的特征阻抗發(fā)生變化。這些因素的累積效應(yīng)將會產(chǎn)生巨大的測量不確定度。上述實例說明使用良好測量

13、方法的重要性，包括對連接器進行適當(dāng)?shù)木S護和清潔、施加適當(dāng)?shù)呐ち?、盡量少用連接器以及在校準(zhǔn)和設(shè)備測量過程中使用優(yōu)質(zhì)的電纜和元器件。最大限度減少校準(zhǔn)過程中的噪聲在校準(zhǔn)過程中，除了要使用好的測量方法之外，還應(yīng)該把環(huán)境和噪聲的影響降到最低。這將會改善測量結(jié)果的可重復(fù)性、精度和穩(wěn)定性。如果有輻射或傳導(dǎo)電子噪聲，那么應(yīng)使用濾波和屏蔽來降低噪聲。使用特定的儀器設(shè)置，可進一步降低噪聲對測量的影響： 將網(wǎng)絡(luò)分析儀的激勵功率設(shè)置到最高，以最大限度地增加被測件的信噪比。 縮小中頻帶寬。這種折中方法是降低掃描速度。如果需要，可使用求平均值法，通過減少隨機白噪聲的影響進一步提高信噪比。校準(zhǔn)后可關(guān)閉平均算法，但是測量噪聲會增加。 為減少程序誤差的風(fēng)險，強烈建議在執(zhí)行校準(zhǔn)之前檢查儀器設(shè)置和被測件的連接情況。最佳測量實踐概述當(dāng)使用網(wǎng)絡(luò)分析儀時，按照下列步驟操作可以優(yōu)化測量精度和可重復(fù)性。確保正確的被測件連接和正確的儀器設(shè)置也可提高精度。校準(zhǔn)后，測量或設(shè)置發(fā)生任何改變都會降低測量精度。大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)都可歸為三大類：SOLT、TRL和ECal。每一類都有各自的優(yōu)勢和相關(guān)的精度。通過適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)和使用體驗，工程師將會逐漸