CN103399286B - 一种多特性阻抗网络的测量校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种多特性阻抗网络的测量校准方法，首先对被测件每个端口的连接器类型和所使用的校准件分别进行定义，在对端口连接器类型进行定义的同时完成对矢量网络分析仪端口特性阻抗的定义，连接器类型的定义中包含了特性阻抗信息，校准程序从连接器的定义中读取端口的特性阻抗信息；然后，使用8项矢量误差修正模型，通过单端口反射校准确定6项系统误差；再然后，在两个端口间连接一个特性互易的转接适配器，通过直通校准求解出剩下的1项误差。本发明的多特性阻抗网络的测量校准方法可以实现多特性阻抗网络全部S参数的测量；测量校准过程不需要额外的校准步骤，简单方便，测量精度高。

Description

一种多特性阻抗网络的测量校准方法

技术领域

本发明涉及微波领域，特别涉及一种多特性阻抗网络的测量校准方法。

背景技术

矢量网络分析仪是进行微波毫米波器件性能指标测量的最典型常用仪器，由于矢量网络分析仪和测试电缆附件等硬件技术指标的非理想特性，在使用矢量网络分析仪对被测件进行测量时，必须首先进行校准，确定测量组成系统存在的误差，再通过误差修正消除各种测量误差，才能得到准确的测量结果。在校准过程中对性能参数已知的各种校准标准进行测量，通过比较测量值和已知值，可以确定矢量网络分析仪测量组成系统存在的测量误差。在进行被测件测量时，通过一定的数学算法去除各种误差的影响，得到被测件特性参数真实值的过程称为误差修正。

目前矢量网络分析仪中广泛采用的校准方法包括基于机械校准件的SOLT和TRL校准方法及基于电子校准件的Ecal校准方法，SOLT校准方法基于12项误差模型，校准件中包括三个反射标准和一个直通标准，反射标准通常为开路器、短路器和负载，直通标准通常是指零长度、无反射、无损耗、无延迟的理想直通。校准时通过单端口校准、隔离校准和直通校准三个步骤即可确定模型中的全部12项系统误差。TRL校准基于双反射计结构的矢量网络分析仪和8项误差模型，校准件包括直通、反射和传输线共三种标准，TRL校准降低了对校准件建模的要求，并且包含的校准件种类和数量少于SOLT校准方法，更容易设计制造，因此在校准件设计、建模都非常困难的非同轴测量校准中被广泛采用。Ecal校准方法通过矢量网络分析仪控制电子校准件，将其内部已定标的不 同阻抗状态的电子标准切换连接到测量端口完成校准，可有效减少人工连接次数、连接误差和错误连接，简化校准过程。

以上三种校准方法在校准过程中只能使用一种校准件，而且要求校准件的特性阻抗必须与矢量网络分析仪的系统阻抗相同，因此在进行多特性阻抗网络测量时只能进行单端口反射校准，矢量网络分析仪完成校准后只能对多特性阻抗网络的反射参数进行测量，测量时还需在被测件非测量端口连接高质量的匹配负载，无法直接对被测件的传输参数进行测量，测量结果不全面，无法对被测件的性能进行全面评估。完整的多特性阻抗网络测量校准要求必须能对每个端口的特性阻抗和使用的校准件分别定义，而且要解决直通校准问题。

发明内容

本发明提出了一种多特性阻抗网络的测量校准方法，解决了现有技术中多特性阻抗网络测量校准过程中的直通校准难题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种多特性阻抗网络的测量校准方法，首先对被测件每个端口的连接器类型和所使用的校准件分别进行定义，在对端口连接器类型进行定义的同时完成对矢量网络分析仪端口特性阻抗的定义，连接器类型的定义中包含了特性阻抗信息，校准程序从连接器的定义中读取端口的特性阻抗信息；然后，使用8项矢量误差修正模型，通过单端口反射校准确定6项系统误差；再然后，在两个端口间连接一个特性互易的转接适配器，通过直通校准求解出剩下的1项误差。

可选地，所述矢量误差修正模型每个端口包括共4项误差，每个误差项的下标数字代表端口号，上标数字表示信号传输的方向，第一个上标数字代表信号的终止方向，第二个上标数字代表信号的起始方向，其中数字0 代表测量值方向，数字1代表真实值方向，两个端口对应的级联误差参数矩阵如下：

$T_1=\frac{1}{{e_1}^{10}}\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Δ}}_1& {e_1}^{00}\\ -{e_1}^{11}& 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

$T_2=\frac{1}{{e_2}^{01}}\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Δ}}_2& {e_2}^{11}\\ -{e_2}^{00}& 1\end{array}\right]---\left(2\right)$

被测件S参数所对应的级联参数矩阵如下：

$T=\frac{1}{S_{21}}\left[\begin{array}{cc}{S}_{21}{S}_{12}-S_{11}{S}_{22}& S_{11}\\ -S_{22}& 1\end{array}\right]---\left(3\right)$

测量级联参数矩阵定义如下：

$T_m=\frac{1}{S_{21m}}\left[\begin{array}{cc}{S}_{21m}{S}_{12m}-S_{11m}{S}_{22m}& S_{11m}\\ -S_{22m}& 1\end{array}\right]---\left(4\right)$

各级联矩阵的关系如下：

$T_m=T_1{\mathrm{TT}}_2=\frac{1}{{e_1}^{10}{e_2}^{01}}\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Δ}}_1& {e_1}^{00}\\ -{e_1}^{11}& 1\end{array}\right]T\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Δ}}_2& {e_2}^{11}\\ -{e_2}^{00}& 1\end{array}\right]---\left(5\right)$

由以上定义可得到被测件的级联参数矩阵与测量级联参数矩阵、误差矩阵关系如下：

$T={e_1}^{10}{e_2}^{01}{\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Δ}}_1& {e_1}^{00}\\ -{e_1}^{11}& 1\end{array}\right]}^{-1}{T}_m{\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Δ}}_2& {e_2}^{11}\\ -{e_2}^{00}& 1\end{array}\right]}^{-1}---\left(6\right)$

等式(6)为本发明的误差修正公式，等式中Δ₁＝e₁ ⁰¹e₁ ¹⁰-e₁ ⁰⁰e₁ ¹¹，Δ₂＝e₂ ⁰¹e₂ ¹⁰-e₂ ⁰⁰e₂ ¹¹。

可选地，在单端口反射校准过程中，在每个测量端口分别连接3个校准标准，设校准标准的测量值分别为M₁、M₂和M₃，真实特性值为Γ₁、Γ₂和Γ₃，求解出6项系统误差：

${e_i}^{00}=\frac{{\mathrm{\Γ}}_1{\mathrm{\Γ}}_2{M}_3(M_1-M_2)+{\mathrm{\Γ}}_1{\mathrm{\Γ}}_3{M}_2(M_3-M_1)+{\mathrm{\Γ}}_2{\mathrm{\Γ}}_3{M}_1(M_2-M_3)}{{\mathrm{\Γ}}_1{\mathrm{\Γ}}_2(M_1-M_2)+{\mathrm{\Γ}}_1{\mathrm{\Γ}}_3(M_3-M_1)+{\mathrm{\Γ}}_2{\mathrm{\Γ}}_3(M_2-M_3)}---\left(6\right)$

${e_i}^{11}=\frac{{\mathrm{\Γ}}_2(M_1-M_3)+{\mathrm{\Γ}}_1(M_3-M_2)+{\mathrm{\Γ}}_3(M_2-M_1)}{{\mathrm{\Γ}}_1{\mathrm{\Γ}}_2(M_1-M_2)+{\mathrm{\Γ}}_1{\mathrm{\Γ}}_3(M_3-M_1)+{\mathrm{\Γ}}_2{\mathrm{\Γ}}_3(M_2-M_3)}---\left(7\right)$

${e_i}^{01}{e_i}^{10}={e_i}^{00}{e_i}^{11}+\frac{{\mathrm{\Γ}}_1{M}_1(M_2-M_3)+{\mathrm{\Γ}}_2{M}_2(M_3-M_2)+{\mathrm{\Γ}}_3{M}_3(M_1-M_2)}{{\mathrm{\Γ}}_1{\mathrm{\Γ}}_2(M_1-M_2)+{\mathrm{\Γ}}_1{\mathrm{\Γ}}_3(M_3-M_1)+{\mathrm{\Γ}}_2{\mathrm{\Γ}}_3(M_2-M_3)}---\left(8\right)$

其中i＝1或2。

可选地，误差e₁ ¹⁰e₂ ⁰¹通过直通校准获得，在直通校准过程中，在两个端口间连接特性互易的转接适配器，由等式(5)可得：

${e_1}^{10}{e_2}^{01}=\±\sqrt{\frac{S_{21m}\×{e_1}^{01}{e_1}^{10}\×{e_1}^{01}{e_1}^{10}}{S_{12m}}}---\left(9\right)$

在测量频率点间的相移满足一定值的情况下，等式(9)正负号的正确取值可由互易转接适配器的相位测量值确定。

本发明的有益效果是：

(1)可以实现多特性阻抗网络全部S参数的测量；

(2)测量校准过程不需要额外的校准步骤，简单方便，测量精度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明多特性阻抗网络的测量校准方法所适用的双反射计结构矢量网络分析仪的原理框图；

图2为图1所示的矢量网络分析仪的误差模型；

图3为本发明多特性阻抗网络的测量校准方法的单端口误差模型。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的多特性阻抗网络的测量校准方法引入矢量网络分析仪测量端口特性阻抗的概念，在校准时首先对被测件每个端口的连接器类型和所使用的校准件分别进行定义，在对端口连接器类型进行定义的同时也完成了矢量网络分析仪端口特性阻抗的定义，因为连接器类型的定义中包含了特性阻抗信息，校准程序可从连接器的定义中读取端口的特性阻抗信息，实现多特性阻抗网络精确校准所需要的多特性阻抗和多校准件定义要求。

多特性阻抗网络的直通校准无法进行零长度的理想直通校准，必须使用转接适配器进行直通校准，通常情况下转接适配器的特性参数是未知的。本发明使用8项矢量误差修正模型，可将进行误差修正时需要求解的误差项数减少到7项，通过单端口反射校准可以确定6项系统误差，因此在直通校准时只需使用一个特性互易的转接适配器就可实现直通校准求解出剩下的1项误差，不需精确知道转接适配器的4个S参数。

下面结合附图对本发明的多特性阻抗网络的测量校准方法进行详细阐述。

本发明中提出的多特性阻抗网络的测量校准方法适用于图1所示的双反射计结构的矢量网络分析仪，这种结构的矢量网络分析仪每个测量端口都分别有一个测量接收机和参考接收机。图1中a_im和b_im表示参考接收机和测量接收机所测量的被测件的入射信号和响应信号，a_i和b_i表示被测件实际的入射信号和响应信号，下标i＝1或2，代表端口号，m代表测量信号(Measure)。

图1所示的矢量网络分析仪的误差模型如图2所示，每个端口包括 共4项误差，每个误差项的下标数字代表端口号。上标数字表示信号传 输的方向，第一个上标数字代表信号的终止方向，第二个上标数字代表信号的起始方向，其中数字0代表测量值方向，数字1代表真实值方向，两个端口对应的级联误差参数矩阵如下：

$T_1=\frac{1}{{e_1}^{10}}\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Δ}}_1& {e_1}^{00}\\ -{e_1}^{11}& 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

$T_2=\frac{1}{{e_2}^{01}}\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Δ}}_2& {e_2}^{11}\\ -{e_2}^{00}& 1\end{array}\right]---\left(2\right)$

被测件S参数所对应的级联参数矩阵如下：

$T=\frac{1}{S_{21}}\left[\begin{array}{cc}{S}_{21}{S}_{12}-S_{11}{S}_{22}& S_{11}\\ -S_{22}& 1\end{array}\right]---\left(3\right)$

测量级联参数矩阵定义如下：

$T_m=\frac{1}{S_{21m}}\left[\begin{array}{cc}{S}_{21m}{S}_{12m}-S_{11m}{S}_{22m}& S_{11m}\\ -S_{22m}& 1\end{array}\right]---\left(4\right)$

各级联矩阵的关系如下：

$T_m=T_1{\mathrm{TT}}_2=\frac{1}{{e_1}^{10}{e_2}^{01}}\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Δ}}_1& {e_1}^{00}\\ -{e_1}^{11}& 1\end{array}\right]T\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Δ}}_2& {e_2}^{11}\\ -{e_2}^{00}& 1\end{array}\right]---\left(5\right)$

由以上定义可得到被测件的级联参数矩阵与测量级联参数矩阵、误差矩阵关系如下：

$T={e_1}^{10}{e_2}^{01}{\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Δ}}_1& {e_1}^{00}\\ -{e_1}^{11}& 1\end{array}\right]}^{-1}{T}_m{\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Δ}}_2& {e_2}^{11}\\ -{e_2}^{00}& 1\end{array}\right]}^{-1}---\left(6\right)$

等式(6)为本发明的误差修正公式，等式中Δ₁＝e₁ ⁰¹e₁ ¹⁰-e₁ ⁰⁰e₁ ¹¹，Δ₂＝e₂ ⁰¹e₂ ¹⁰-e₂ ⁰⁰e₂ ¹¹，根据等式(6)，求解被测件的S参数只需确定e₁ ⁰⁰、e₁ ¹¹、e₁ ⁰¹e₁ ¹⁰、e₂ ⁰⁰、e₂ ¹¹、e₂ ⁰¹e₂ ¹⁰和e₁ ¹⁰e₂ ⁰¹共7项误差。

误差模型中的误差项通过校准确定，本发明的校准方法包括单端口校准和直通校准两个步骤，在单端口校准过程中在每个测量端口分别连接3个校准标准，设校准标准的测量值分别为M₁、M₂和M₃，真实特性值为Γ₁、Γ₂和Γ₃，根 据图3所示的单端口误差模型，可求解出6项系统误差：

${e_i}^{00}=\frac{{\mathrm{\Γ}}_1{\mathrm{\Γ}}_2{M}_3(M_1-M_2)+{\mathrm{\Γ}}_1{\mathrm{\Γ}}_3{M}_2(M_3-M_1)+{\mathrm{\Γ}}_2{\mathrm{\Γ}}_3{M}_1(M_2-M_3)}{{\mathrm{\Γ}}_1{\mathrm{\Γ}}_2(M_1-M_2)+{\mathrm{\Γ}}_1{\mathrm{\Γ}}_3(M_3-M_1)+{\mathrm{\Γ}}_2{\mathrm{\Γ}}_3(M_2-M_3)}---\left(6\right)$

${e_i}^{11}=\frac{{\mathrm{\Γ}}_2(M_1-M_3)+{\mathrm{\Γ}}_1(M_3-M_2)+{\mathrm{\Γ}}_3(M_2-M_1)}{{\mathrm{\Γ}}_1{\mathrm{\Γ}}_2(M_1-M_2)+{\mathrm{\Γ}}_1{\mathrm{\Γ}}_3(M_3-M_1)+{\mathrm{\Γ}}_2{\mathrm{\Γ}}_3(M_2-M_3)}---\left(7\right)$

${e_i}^{01}{e_i}^{10}={e_i}^{00}{e_i}^{11}+\frac{{\mathrm{\Γ}}_1{M}_1(M_2-M_3)+{\mathrm{\Γ}}_2{M}_2(M_3-M_2)+{\mathrm{\Γ}}_3{M}_3(M_1-M_2)}{{\mathrm{\Γ}}_1{\mathrm{\Γ}}_2(M_1-M_2)+{\mathrm{\Γ}}_1{\mathrm{\Γ}}_3(M_3-M_1)+{\mathrm{\Γ}}_2{\mathrm{\Γ}}_3(M_2-M_3)}---\left(8\right)$

其中i＝1或2，最后1项误差e₁ ¹⁰e₂ ⁰¹通过直通校准获得，在直通校准过程中，在两个端口间连接特性互易的转接适配器，由等式(5)可得：

${e_1}^{10}{e_2}^{01}=\±\sqrt{\frac{S_{21m}\×{e_1}^{01}{e_1}^{10}\×{e_1}^{01}{e_1}^{10}}{S_{12m}}}---\left(9\right)$

在测量频率点间的相移满足一定值的情况下，等式(9)正负号的正确取值可由互易转接适配器的相位测量值确定。

转接适配器互易指其两个方向的传输特性相同，这样的要求比较容易得到满足，因此本发明很好的解决了多特性阻抗网络测量校准过程中的直通校准难题。

本发明的多特性阻抗网络的测量校准方法可以实现多特性阻抗网络全部S参数的测量；测量校准过程不需要额外的校准步骤，简单方便，测量精度高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种多特性阻抗网络的测量校准方法，其特征在于，首先对被测件每个端口的连接器类型和所使用的校准件分别进行定义，在对端口连接器类型进行定义的同时完成对矢量网络分析仪端口特性阻抗的定义，连接器类型的定义中包含了特性阻抗信息，校准程序从连接器类型的定义中读取端口的特性阻抗信息；然后，使用8项矢量误差修正模型，通过单端口反射校准确定6项系统误差；再然后，在两个端口间连接一个特性互易的转接适配器，通过直通校准求解出剩下的1项误差；

所述矢量误差修正模型每个端口包括共4项误差，每个误差项的下标数字代表端口号，上标数字表示信号传输的方向，第一个上标数字代表信号的终止方向，第二个上标数字代表信号的起始方向，其中数字0代表测量值方向，数字1代表真实值方向，两个端口对应的级联误差参数矩阵如下：

被测件S参数所对应的级联参数矩阵如下：

测量级联参数矩阵定义如下：

各级联矩阵的关系如下：

由以上定义可得到被测件的级联参数矩阵与测量级联参数矩阵、误差矩阵关系如下：

等式(6)为本发明的误差修正公式，等式中

2.如权利要求1所述的多特性阻抗网络的测量校准方法，其特征在于，在单端口反射校准过程中，在每个测量端口分别连接3个校准标准，设校准标准的测量值分别为M₁、M₂和M₃，真实特性值为Г₁、Г₂和Г₃，求解出6项系统误差：

其中i＝1或2。

3.如权利要求2所述的多特性阻抗网络的测量校准方法，其特征在于，误差e₁ ¹⁰e₂ ⁰¹通过直通校准获得，在直通校准过程中，在两个端口间连接特性互易的转接适配器，由等式(5)可得：

在测量频率点间的相移满足一定值的情况下，等式(9)正负号的正确取值可由互易转接适配器的相位测量值确定。