CN103605094A

CN103605094A - 一种多端口矢量网络分析仪简化校准方法

Info

Publication number: CN103605094A
Application number: CN201310587130.5A
Authority: CN
Inventors: 郭永瑞; 李树彪; 刘丹; 赵立军; 李明太; 庄志远
Original assignee: CETC 41 Institute
Current assignee: CLP Kesiyi Technology Co Ltd
Priority date: 2013-11-15
Filing date: 2013-11-15
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2033-11-15
Also published as: CN103605094B

Abstract

本发明提供一种多端口矢量网络分析仪简化校准方法，步骤一：设置任意两端口间的误差模型，任选一个端口做为第一端口，获取所述第一端口的方向性、源匹配、反射跟踪误差；步骤二：利用直通件或适配器连接所述第一端口与矢量网络分析仪的第二端口，进行直通测量，获取该端口和所述第一端口关联的正、反向负载匹配与正、反向传输跟踪误差；步骤三：通过两次测量，得到所述第二端口的方向性、源匹配、反射跟踪误差。采用上述方案，双端口校准，反射连接会减少50％，四端口校准，反射连接会减少75％，而十六端口校准，反射连接会减少93.75％。由此可见，在实际应用中，该技术的引入在多端口校准中的作用会更加明显、简化力度会更加强大。

Description

一种多端口矢量网络分析仪简化校准方法

技术领域

本发明属于矢量网络分析仪校准技术领域，尤其涉及的是一种多端口矢量网络分析仪简化校准方法。

背景技术

近年来为了提高装备的性能指标，各种多端口、多功能组件和模块纷纷出现，如功率合成网络、多个T／R组件集成的T／R单元、各种馈电网络等，并具有系统集成时需求量大的显著特征，从微波元器件、部件、设备整机直至武器系统的研制、生产、安装调试、维护维修等各个环节都需要对多端口网络S参数进行精确快速的测试与分析。因此要求矢量网络分析仪具备多端口器件的测量功能。利用矢量网络分析仪进行多端口器件测量前，要求矢量网络分析仪必须在测试端口上进行多端口校准。

目前线性的多端口校准技术是传统的全N端口校准技术。它是在双端口校准技术上的扩展，随着测试器件端口数的增加，校准的复杂度将翻倍上升。

传统全N端口校准技术要求在每个测试端口上使用三个已知反射校准(开路、短路和负载)进行反射测量，和任意端口间的直通标准测量。对于双端口矢量网络分析仪，校准步骤仅为7步，而四端口矢量网络分析仪将达到18步，到十六端口矢量网络分析仪标准件的连接将达到160次。随着多端口、多功能组件和模块的兴起及广泛应用，传统全N端口校准其繁琐的连接、漫长的校准周期对多端口校准造成了非常大的困扰。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种多端口矢量网络分析仪简化校准方法。

本发明的技术方案如下：

一种多端口矢量网络分析仪简化校准方法，其中，包括以下步骤：

步骤一：设置任意两端口间的误差模型，任选一个端口做为第一端口，利用标准的开路、短路、负载校准件对矢量网络分析仪进行所述第一端口的校准，获取所述第一端口的方向性、源匹配、反射跟踪误差；

步骤二：利用直通件或适配器连接所述第一端口与矢量网络分析仪的第二端口，进行直通测量，获取该端口和所述第一端口关联的正、反向负载匹配与正、反向传输跟踪误差；

步骤三：通过两次测量，得到所述第二端口的方向性、源匹配、反射跟踪误差。

所述的多端口矢量网络分析仪简化校准方法，其中，所述步骤一中，获取所述第一端口的方向性、源匹配、反射跟踪误差的具体步骤为：

步骤101：设定开路、短路、负载校准件的反射系数分别为：T_O、T_S和T_L，单端口测量完成后，同时分别得到对应三组测量数据：M₀、M₁、M₂。根据这三组测量数据和单端口修正公式，可以得到矢量网络分析仪的误差项：e00，e11，e10，则

e 00 = \frac{M_{2} (M_{1} - M_{0}) T_{S} T_{O} + (M_{2} - M_{0}) M_{1} T_{L} T_{O} + (M_{1} - M_{2}) M_{0} T_{L} T_{S}}{(M_{0} - M_{1}) T_{S} T_{O} + (M_{2} - M_{0}) T_{L} T_{O} + (M_{1} - M_{2}) T_{L} T_{S}}

e 11 = \frac{(M_{0} - M_{1}) T_{L} + (M_{0} - M_{2}) T_{S} + (M_{2} - M_{1}) T_{O}}{(M_{0} - M_{1}) T_{S} T_{O} + (M_{2} - M_{0}) T_{L} T_{O} + (M_{1} - M_{2}) T_{L} T_{S}}

e_{01} = \frac{(M_{1} - M_{0}) M_{2} T_{L} + (M_{2} - M_{1}) M_{0} T_{O} + (M_{0} - M_{2}) M_{1} T_{S}}{(M_{0} - M_{1}) T_{S} T_{O} + (M_{2} - M_{0}) T_{L} T_{O} + (M_{1} - M_{2}) T_{L} T_{S}} .

所述的多端口矢量网络分析仪简化校准方法，其中，所述步骤二中，所述直通测量的具体步骤为：所述直通件或适配器的反射系数为T_T，同时测量数据分别为：

测S11，得M3；

测S21，得M4；

测S12，得M5；

测S22，得M6；

测R2／R1，得M7；

测R1／R2，得M8；

对S11、S21、S12、S22参数进行处理得到：

M 3 = \frac{(M 3 - M 5 M 7)}{(1 - M 7 / M 8)}

M 4 = \frac{(M 4 - M 6 M 7)}{(1 - M 7 / M 8)}

M 5 = \frac{(M 5 - M 3 / M 8)}{(1 - M 7 / M 8)}

M 6 = \frac{(M 6 - M 4 / M 8)}{(1 - M 7 / M 8)}

对于直通连接，根据信号级联及梅森公式，可以得到如下的关系式：

\frac{1}{M 4} [\begin{matrix} M 4 M 5 - M 3 M 6 & M 3 \\ - M 6 & 1 \end{matrix}] = [\begin{matrix} (e 10e01 - e 00e11) T_{L} T_{L} & e 00 \\ - e 11 L 1 L 2 & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} e 32e23 - e 22e33 & e 22 \\ - e 33 & 1 \end{matrix}]

假设：

e10e01=e01

e10e32=e32

e22=e′11

e33=e′00

e23e32=e′01

继续简化成下面四个等式：

等式一：

(e 01 - e 00e11) (e^{,} 01 - e^{,} {00 e}^{,} 11) T_{L} T_{L} - {e 00 e}^{,} 00 = \frac{T_{L} e 32}{M 4} (M 4 M 5 - M 3 M 6)

等式二：

T_{L} T_{L} e^{,} 11 (e 01 - e 00e11) + e 00 = \frac{T_{L} e 32}{M 4} M 3

等式三：

e 11 T_{L} T_{L} (e^{,} 01 - e^{,} 00 e^{,} 11) + e^{,} 00 = \frac{T_{L} e 32}{M 4} M 6

等式四：

1 - {e 11 e}^{,} 11 T_{L} T_{L} = \frac{T_{L} e 32}{M 4}

由等式二可知：

e^{,} 11 = \frac{M 3 T_{L} e 32 - M 4e00}{M 4 T_{L} T_{L} (e 01 - e 00e11)}

由等式一及等式三可知：

e^{,} 00 = \frac{T_{L} e 32}{M 4e01} [M 6 (e 01 - e 00e11) - e 11 (M 3 M 6 - 4 M 5)]

代入等式三可以得到：

e^{,} 01 = \frac{{M 6 T}_{L} e 32 - M 4 e^{,} 00}{M 4 T_{L} T_{L} e 11} + e^{,} 00 e^{,} 11

同时根据直通件传输特性可以得到：

{e^{,}}_{22} = e_{33} = M_{3} - \frac{e_{23} e_{32} T_{L} T_{L} e_{11}}{1 - L_{1} L_{2} T_{L} T_{L}} .

采用上述方案，在多端口矢量网络分析仪上引入该技术后，只需任选1个端口进行开路、短路、负载连接测量即可。与传统全N端口校准技术相比，该技术引入后，反射连接会减少(n-1)／n。双端口校准，反射连接会减少50％，四端口校准，反射连接会减少75％，而十六端口校准，反射连接会减少93.75％。由此可见，在实际应用中，该技术的引入在多端口校准中的作用会更加明显、简化力度会更加强大。

附图说明

图1现有技术中多端口矢量网络分析仪误差模型。

图2本发明多端口矢量网络分析仪误差模型。

图3本发明在校准过程中其他端口反射误差的获取示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1中是现有技术中多端口矢量网络分析仪误差模型，其中把任意端口间的系统误差等效为在理想N端口网络分析仪101和N端口被测件102之间内嵌了N个二端口网络E103、104、105...，对应的输入信号用a表示，输出信号用b表示，其中a、b、E的下标，前两位代表接收端，后两位代表输入端。代表单端口反射误差模型107的E_D、E_S、E_R分别代表方向性、源匹配和反射跟踪误差，下标i是输入端口，也是反射端口；代表端口间传输误差模型108的E_T、E_L、E_X分别代表传输跟踪、负载匹配和隔离误差，下标i是输出端口，j是输入端口。如图2是本发明多端口矢量网络分析仪采用的误差模型，图2中是任意两端口间的误差模型，正向输入信号a0通过矢网正向等效误差模型201、生成反射信号b0，传输信号a1；a1经被测件202反射和传输分别得到b1和a2，而a2经矢网反向等效误差模型203传输得到信号b3.反向输入信号a3。其中正向误差方向性e00、源匹配e11、反射跟踪e10e01，反向误差方向性e33、源匹配e22、反射跟踪e32e23。

实现包括三个步骤：

步骤一：任选一个端口，利用标准的开路、短路、负载校准件对矢量网络分析仪进行单端口校准，获取该端口的方向性、源匹配、反射跟踪误差；

步骤二：利用直通件或适配器连接该端口与矢量网络分析仪的其他端口，进行直通测量，获取该端口与前一端口关联的正、反向负载匹配与正、反向传输跟踪误差；

步骤三：通过两次测量，反推出另一个直通连接端口的方向性、源匹配、反射跟踪误差。

假设选取端口1进行反射标准测量，选取端口进行该端口与1端口的直通连接测量。首先分别连接3个标准器件open、short、load进行单端口校准，同时假设这三个标准件的反射系数分别为：T_O、T_S和T_L。单端口测量完成后，同时分别得到对应三组测量数据：M0、M1、M2。根据这三组测量数据和单端口修正公式，可以得到矢量网络分析仪的误差项：e00，e11，e10。

e 00 = \frac{M_{2} (M_{1} - M_{0}) T_{S} T_{O} + (M_{2} - M_{0}) M_{1} T_{L} T_{O} + (M_{1} - M_{2}) M_{0} T_{L} T_{S}}{(M_{0} - M_{1}) T_{S} T_{O} + (M_{2} - M_{0}) T_{L} T_{O} + (M_{1} - M_{2}) T_{L} T_{S}}

e 11 = \frac{(M_{0} - M_{1}) T_{L} + (M_{0} - M_{2}) T_{S} + (M_{2} - M_{1}) T_{O}}{(M_{0} - M_{1}) T_{S} T_{O} + (M_{2} - M_{0}) T_{L} T_{O} + (M_{1} - M_{2}) T_{L} T_{S}}

e_{01} = \frac{(M_{1} - M_{0}) M_{2} T_{L} + (M_{2} - M_{1}) M_{0} T_{O} + (M_{0} - M_{2}) M_{1} T_{S}}{(M_{0} - M_{1}) T_{S} T_{O} + (M_{2} - M_{0}) T_{L} T_{O} + (M_{1} - M_{2}) T_{L} T_{S}}

其次端口1和端口2直通连接，直通件的反射系数为TT，同时测量数据分别为：

测S11，得M3；

测S21，得M4；

测S12，得M5；

测S22，得M6；

测R2／R1，得M7；

测R1/R2，得M8；

由于源开关转化引入的误差会对直通连接测量引入的数据造成影响，因此对前面的四组直通S参数进行处理得到：

M 3 = \frac{(M 3 - M 5 M 7)}{(1 - M 7 / M 8)}

M 4 = \frac{(M 4 - M 6 M 7)}{(1 - M 7 / M 8)}

M 5 = \frac{(M 5 - M 3 / M 8)}{(1 - M 7 / M 8)}

M 6 = \frac{(M 6 - M 4 / M 8)}{(1 - M 7 / M 8)}

\frac{1}{M 4} [\begin{matrix} M 4 M 5 - M 3 M 6 & M 3 \\ - M 6 & 1 \end{matrix}] = \frac{1}{e 10} [\begin{matrix} e 10e01 - e 00e11 & e 00 \\ - e 11 & 1 \end{matrix}] \frac{1}{T_{L}} [\begin{matrix} T_{L} T_{L} & 0 \\ 0 & 1 \end{matrix}] \frac{1}{e 32} [\begin{matrix} e 32e23 - e 22e33 & e 22 \\ - e 33 & 1 \end{matrix}]

上式可以简化为：

\frac{1}{M 4} [\begin{matrix} M 4 M 5 - M 3 M 6 & M 3 \\ - M 6 & 1 \end{matrix}] = [\begin{matrix} (e 10e01 - e 00e11) T_{L} T_{L} & e 00 \\ - e 11 L 1 L 2 & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} e 32e23 - e 22e33 & e 22 \\ - e 33 & 1 \end{matrix}]

假设：

e10e01=e01

e10e32=e32

e22=e′11

e33=e′00

e23e32=e′01

继续简化成下面四个等式：

(e 01 - e 00e11) (e^{,} 01 - e^{,} {00 e}^{,} 11) T_{L} T_{L} - {e 00 e}^{,} 00 = \frac{T_{L} e 32}{M 4} (M 4 M 5 - M 3 M 6) - - - (1)

T_{L} T_{L} e^{,} 11 (e 01 - e 00e11) + e 00 = \frac{T_{L} e 32}{M 4} M 3 - - - (2)

e 11 T_{L} T_{L} (e^{,} 01 - e^{,} 00 e^{,} 11) + e^{,} 00 = \frac{T_{L} e 32}{M 4} M 6 - - - (3)

1 - {e 11 e}^{,} 11 T_{L} T_{L} = \frac{T_{L} e 32}{M 4} - - - (4)

由于已知端口1的误差系数，那么根据上面的公式，端口2的方向性，源匹配，反射跟踪可以获得：

由(2)得：

e^{,} 11 = \frac{M 3 T_{L} e 32 - M 4e00}{M 4 T_{L} T_{L} (e 01 - e 00e11)}

由(1)、(3)得：

e^{,} 00 = \frac{T_{L} e 32}{M 4e01} [M 6 (e 01 - e 00e11) - e 11 (M 3 M 6 - 4 M 5)]

把获取的e’00和e’11代入(3)可以得到：

e^{,} 01 = \frac{{M 6 T}_{L} e 32 - M 4 e^{,} 00}{M 4 T_{L} T_{L} e 11} + e^{,} 00 e^{,} 11

同时根据直通件传输特性可以得到：

e_{22} = \frac{M_{3} - e_{00}}{(M_{3} - e_{00}) T_{L} T_{L} e_{11} + e_{10} e_{01} T_{L} T_{L}}

e_{32} = e_{10} e_{32} = \frac{M_{4} (1 - T_{L} T_{L} e_{11} e_{22})}{T_{L}}

{e^{,}}_{32} = e_{01} e_{23} = \frac{M_{5} (1 - T_{L} T_{L} e_{11} e_{22})}{T_{L}}

由于：

e_{32} e_{23} = \frac{e_{23} e_{10} e_{01} e_{32}}{e_{10} e_{01}}

所以：

{e^{,}}_{22} = e_{33} = M_{3} - \frac{e_{23} e_{32} T_{L} T_{L} e_{11}}{1 - L_{1} L_{2} T_{L} T_{L}}

至此，如图3所示通过该技术的引入实现了矢量网络分析仪端口1402与端口2-N402误差项的传递，即将端口1401的反射误差403及传输误差404、端口2-N402的传输误差405传递给2-N402的反射误差406中，这样该端口1、2的正反向方向性、源匹配、反射跟踪、负载匹配、传输跟踪等全部误差项都可以得到。类似，其他端口对应的误差项也可以通过端口1来获取。

这样，通过该技术就可以获取到全N端口矢量网络分析仪修正所需要的全部误差项。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种多端口矢量网络分析仪简化校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的多端口矢量网络分析仪简化校准方法其特征在于，所述步骤一中，获取所述第一端口的方向性、源匹配、反射跟踪误差的具体步骤为：

e 00 = \frac{M_{2} (M_{1} - M_{0}) T_{S} T_{O} + (M_{2} - M_{0}) M_{1} T_{L} T_{O} + (M_{1} - M_{2}) M_{0} T_{L} T_{S}}{(M_{0} - M_{1}) T_{S} T_{O} + (M_{2} - M_{0}) T_{L} T_{O} + (M_{1} - M_{2}) T_{L} T_{S}}

e 11 = \frac{(M_{0} - M_{1}) T_{L} + (M_{0} - M_{2}) T_{S} + (M_{2} - M_{1}) T_{O}}{(M_{0} - M_{1}) T_{S} T_{O} + (M_{2} - M_{0}) T_{L} T_{O} + (M_{1} - M_{2}) T_{L} T_{S}}

e_{01} = \frac{(M_{1} - M_{0}) M_{2} T_{L} + (M_{2} - M_{1}) M_{0} T_{O} + (M_{0} - M_{2}) M_{1} T_{S}}{(M_{0} - M_{1}) T_{S} T_{O} + (M_{2} - M_{0}) T_{L} T_{O} + (M_{1} - M_{2}) T_{L} T_{S}} .

3.如权利要求1所述的多端口矢量网络分析仪简化校准方法其特征在于，所述步骤二中，所述直通测量的具体步骤为：所述直通件或适配器的反射系数为T_T，同时测量数据分别为：

测S11，得M3；

测S21，得M4；

测S12，得M5；

测S22，得M6；

测R2／R1，得M7；

测R1／R2，得M8；

对S11、S21、S12、S22参数进行处理得到：

M 3 = \frac{(M 3 - M 5 M 7)}{(1 - M 7 / M 8)}

M 4 = \frac{(M 4 - M 6 M 7)}{(1 - M 7 / M 8)}

M 5 = \frac{(M 5 - M 3 / M 8)}{(1 - M 7 / M 8)}

M 6 = \frac{(M 6 - M 4 / M 8)}{(1 - M 7 / M 8)}

\frac{1}{M 4} [\begin{matrix} M 4 M 5 - M 3 M 6 & M 3 \\ - M 6 & 1 \end{matrix}] = [\begin{matrix} (e 10e01 - e 00e11) T_{L} T_{L} & e 00 \\ - e 11 L 1 L 2 & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} e 32e23 - e 22e33 & e 22 \\ - e 33 & 1 \end{matrix}]

假设：

e10e01=e01

e10e32=e32

e22=e′11

e33=e′00

e23e32=e′01

继续简化成下面四个等式：

等式一：

(e 01 - e 00e11) (e^{,} 01 - e^{,} {00 e}^{,} 11) T_{L} T_{L} - {e 00 e}^{,} 00 = \frac{T_{L} e 32}{M 4} (M 4 M 5 - M 3 M 6)

等式二：

T_{L} T_{L} e^{,} 11 (e 01 - e 00e11) + e 00 = \frac{T_{L} e 32}{M 4} M 3

等式三：

e 11 T_{L} T_{L} (e^{,} 01 - e^{,} 00 e^{,} 11) + e^{,} 00 = \frac{T_{L} e 32}{M 4} M 6

等式四：

1 - {e 11 e}^{,} 11 T_{L} T_{L} = \frac{T_{L} e 32}{M 4}

由等式二可知：

e^{,} 11 = \frac{M 3 T_{L} e 32 - M 4e00}{M 4 T_{L} T_{L} (e 01 - e 00e11)}

由等式一及等式三可知：

e^{,} 00 = \frac{T_{L} e 32}{M 4e01} [M 6 (e 01 - e 00e11) - e 11 (M 3 M 6 - 4 M 5)]

代入等式三可以得到：

e^{,} 01 = \frac{{M 6 T}_{L} e 32 - M 4 e^{,} 00}{M 4 T_{L} T_{L} e 11} + e^{,} 00 e^{,} 11

同时根据直通件传输特性可以得到：

{e^{,}}_{22} = e_{33} = M_{3} - \frac{e_{23} e_{32} T_{L} T_{L} e_{11}}{1 - L_{1} L_{2} T_{L} T_{L}} .