CN103760509A - 引入开关补偿误差的多端口矢量网络分析仪校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种引入开关补偿误差的多端口矢量网络分析仪校准的方法，通过建立N+1通道多端口矢量网络分析仪的误差模型，用模型中各误差项对多端口矢量网络分析仪的各种硬件非理想特性进行描述，并提出求解误差模型中误差项的校准方法，通过给出多端口矢量网络分析仪的误差修正方法，由误差模型的误差项、待测件的测量值解析表示待测件的真实值。本发明解决了具有N+1通道多端口矢量网络分析仪的校准问题，提高校准的效率。

Description

引入开关补偿误差的多端口矢量网络分析仪校准方法

技术领域

本发明涉及一种矢量网络分析仪的专门校准方法，尤其涉及一种多端口矢量网络分析仪的校准方法。

背景技术

众所周知，校准是测试测量过程中必不可少的环节，而矢量网络分析仪作为精密的微波测量仪器，需要一种专门的校准算法，通过校准可以降低对矢量网络分析的硬件要求，提高测量精度。

针对包含2N个测试通道的多端口矢量网络分析仪，在92年A.Ferrero提出了专门的校准算法[1]，针对包含N+1个测试通道的多端口矢量网络分析仪，H_HeuermaNN给出了校准算法[2]。

一般来说，校准算法包括误差模型、误差校准和误差修正三个部分。其中，误差模型是用来直观地表示待测件散射参数测量值、真实值和矢量网络分析仪系统误差三者之间关系的信号流图，是与硬件结构相关的。在文献：(A.Ferrero，U.Pisani，and K.J.Kerwin，“A new implementation of amultiport automatic network analyzer,'’IEEE Trans.Microwave Theory Tech.，v01.40，pp.2078-2085，Nov.1992)中，4N项误差模型是基于二端口矢量网络分析仪的8项误差模型的扩展，是通过在N个测试端口加上N个二端口误差盒将理想的N端口VNA和N端口待测件联接起来的。根据4N项误差模型，当利用特性己知的标准件作为待测件时，通过其散射参数真实值、测量值求得各误差项的幅相特性并将其保存下来，这种求解误差项的过程称为误差的校准。最终，当测量未知待测件时，由先前保存下来的系统误差和待测件散射参数测量值就可以求得待测件散射参数的真实值，这个过程称为误差的修正，至此完成整个校准过程。

校准算法[1]和[2]的根本差别体现在误差模型上，算法[1]基于二端口矢量网络分析仪的8项误差模型，N端口误差修正模型的误差项数为4N，物理意义清楚且误差项个数最少，但是其局限于只能校准包含2N个测试通道的N端口矢量网络分析仪，无法适用于包含N+1个测试通道的N端口矢量网络分析仪。校准算法[2]基于两端口矢量网络分析仪的12项误差模型，N端口误差模型的误差项数为3N²，误差项较多校准过程繁琐。

发明内容

本发明实施例通过在4N项误差模型的基础上引入开关补偿误差，误差模型中的误差项数为6N，不但可以分析高精度的2N通道N端口矢量网络分析仪，也能分析低成本的N+1通道N端口矢量网络分析仪，并且保留了误差项个数少，可选校准件多等优点。

本发明的一个目的，在于提供一种引入开关补偿的多端口误差模型，在4N项误差模型的基础上引入开关补偿误差，开关补偿误差是开关误差的补充和完善，开关误差是由开关引起的反射误差，而开关补偿误差是相应的传输误差。

本发明的另一个目的，在于提供一种基于所述的引入开关补偿的多端口误差模型的校准方法，利用短路，开路，匹配和直通标准件对所述各误差项进行校准，过校准件测量值和真实值得到所述误差模型中误差盒所包含误差项、开关误差Г_ij和补偿误差T_ij，的幅相特性，每个误差项都为定值。

本专利在4N项误差模型的基础上引入开关补偿误差，开关补偿误差是开关误差的补充和完善，开关误差是由开关引起的反射误差，而开关补偿误差是相应的传输误差。当分析2N个测试通道的N端口矢量网络分析仪时，因为开关在所有测试通道的同一侧，所以只存在由反射引起的开关误差，此时，开关补偿误差为零。当分析N+1个测试通道的N端口矢量网络分析仪时，开关在测试通道的之间，所以不但会引起反射误差也会引起传输误差。

附图说明

图1：N+1通道多端口矢量网络分析仪的误差模型；

图2：误差盒详图；

图3：接短路、开路、匹配件校准图；

图4：接直通件校准图。

具体实施方式

本发明中N端口矢量网络分析仪的误差模型是基于二端口矢量网络分析仪的8项误差模型拓展得到，如图1所示，1端口激励时，在第i端口上由二端口误差盒Ei将待测件散射参数真实值和测量值连接起来，图2所示每个二端口误差盒包含

四个误差项，N端口矢量网络分析仪总共4N个误差项即4N项误差模型，其中误差项下标i代表对应端口，上标中O代表散射参数测量值方向，1代表散射参数真实值方向。并且考虑到端口依次激励由开关引起的误差时，如图1所示，在未激励端口上引入开关误差Г_ij和开关补偿误差T_ij，其中下标表示j端口时误差置于未激励端口i上。最终，得到了考虑开关影响的改进型4N项误差模型。

表示误差盒左端口反射系数，

表示误差盒右端口反射系数，

表示误差盒左端口向右端口的传输系数，

表示误差盒右端口向左端口的传输系数，并定义

。公式中散射参数测量值S_ijM是当第j个端口激励时，反射波与入射波测量值的比率b_mN/a_mN，即被测件S_ij的测量值，下标中M是英文Measured首字母，表示测量值。如S_NNM(N端口器件的散射参数为N×N矩阵)表示散射矩阵中S_NN的测量值，即第N端口激励时，反射波与入射波测量值比率b_mN/a_mN。S_iiM(S/O/L)表示i端口接短路、开路和匹配时的反射系数测量值。

利用短路，开路，匹配和直通标准件对各误差项进行校准，如图3所示，通过校准件测量值和真实值得到误差模型中各项误差幅相特性并保存下来。

当校准与第i端口相关的系统误差时，首先，在i端口上依次连接短路、开路、匹配标准件，如图3所示，假设标准件理想，则其反射系数分别等于一1、1和O，由其已知的反射系数和相应的反射系数测量值S_iiM(S/O/L)可以得到

$e_i^{00}=S_{\mathrm{iiM}}\left(L\right)---\left(1\right)$

$e_i^{11}=\frac{S_{\mathrm{iiM}}\left(S\right)+S_{\mathrm{iiM}}\left(O\right)-{2e}_i^{00}}{S_{\mathrm{iiM}}\left(O\right)-S_{\mathrm{iiM}}\left(S\right)}---\left(2\right)$

$t_{\mathrm{ii}}=S_{\mathrm{iiM}}\left(S\right)-e_i^{00}+e_i^{00}{S}_{\mathrm{iiM}}\left(S\right)-e_i^{00}{e}_i^{11}---\left(3\right)$

当利用直通标准件时，连接第i和第j个端口，流图化简如图4所示，可得

$t_{\mathrm{ij}}=\frac{(1+e_i^{00}{e}_j^{11}{e}_i^{11}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{ij}}-e_j^{11}{e}_i^{11}-e_i^{00}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{ij}}-e_j^{11}{t}_{\mathrm{ii}}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{ij}})S_{\mathrm{ijM}}}{T_{\mathrm{ij}}}---\left(4\right)$

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{ij}}=\frac{S_{\mathrm{jjM}}-e_j^{00}-e_i^{11}{t}_{\mathrm{jj}}+e_j^{00}{e}_j^{11}{e}_i^{11}-e_j^{11}{e}_i^{11}{S}_{\mathrm{jjM}}}{e_i^{00}{S}_{\mathrm{jjM}}+t_{\mathrm{jj}}{t}_{\mathrm{ii}}+e_j^{11}{t}_{\mathrm{ii}}{S}_{\mathrm{jjM}}+e_j^{00}{e}_i^{00}{e}_j^{11}{e}_i^{11}-e_j^{00}{e}_i^{00}-e_i^{00}{e}_i^{11}{t}_{\mathrm{jj}}-e_j^{00}{e}_j^{11}{t}_{\mathrm{ii}}-e_i^{00}{e}_j^{11}{e}_i^{11}{S}_{\mathrm{jjM}}}---\left(5\right)$

$T_{\mathrm{ij}}{T}_{\mathrm{ji}}=\frac{(1+e_i^{00}{e}_j^{11}{e}_i^{11}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{ij}}-e_j^{11}{e}_i^{11}-e_i^{00}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{ij}}-e_j^{11}{t}_{\mathrm{ii}}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{ij}})(1+e_j^{00}{e}_j^{11}{e}_i^{11}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{ji}}-e_j^{11}{e}_i^{11}-e_j^{00}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{ji}}-e_i^{11}{t}_{\mathrm{jj}}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{li}})S_{\mathrm{ijM}}{S}_{\mathrm{jiM}}}{t_{\mathrm{ii}}{t}_{\mathrm{jj}}}---\left(6\right)$

其中误差项

，散射参数测量值S_ijM=b_mi/a_mi,由公式(1)一(6)计算出各误差项并保存下来。

根据图1所示的误差模型，连接特性未知的N端口待测件时，首先通过消除开关误差r和补偿误差厂对待测件散射参数测量值进行初步修正，定义初步修正后的N端口待测件散射参数矩阵为[S_m]，由校准过程保存下来的开关误差r、补偿误差厂以及待测件散射参数测量值S_ijM可以得到[S_m]的矩阵表达式如下

[S_m]=[ST][SГ]^-1(7)

其中矩阵[ST]和[SГ]分别表示为

其中S_ijM是当第，个端口激励时，反射波与入射波测量值的比率b_mN／a_mN，即待测件S_ij的测量值，下标中M是英文Measured首字母，表示测量值。如S_NNM(N端口器件的散射参数为N×N矩阵)表示散射矩阵中S_NN的测量值，即第N端口激励时，反射波与入射波测量值比率b_mN／a_mN。

消除开关误差和补偿误差后，可以根据经典的4N项误差模型修正公式得到待测件散射参数真实值矩阵表达形式如下

[S]=[A](I+[E¹¹][A])^-1(8)

其中，矩阵A=(E⁰¹)^-1(S_m-E⁰⁰)(E¹⁰)^-1，[E]为对角矩阵。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，本发明还可以适用于两种不同硬件体系结构的矢量网络分析仪。

Claims (2)

1.一种引入开关补偿误差的多端口矢量网络分析仪校准方法，其特征在于包括如下步骤： 

1)建立误差模型：将待测件的被检测端口分别串接一个二端口误差盒后与理想矢量网络分析仪的检测端口连接；每个二端口误差盒都包括

四个误差项，其中误差项下标i代表对应的待测件的被检测端口和矢量网络分析仪的检测端口，

表示误差盒左端口反射系数，

表示误差盒右端口反射系数，

表示误差盒左端口向右端口的传输系数， 

表示误差盒右端口向左端口的传输系数；在未激励的矢量网络分析仪端口上引入开关误差Γ_ij和开关补偿误差T_ij得到误差模型，其中下标ij表示当矢量网络分析仪第j端口激励时将开关误差和开关补偿误差置于未激励的第i端口上，i、j=1，2，3...N，i，j，N都为大于等于1的自然数，N为待测件的端口数量，下同； 

2)利用短路、开路、匹配和直通标准件分别对步骤1)所述的误差项进行校准，通过校准件测量值和真实值得到步骤1)所述误差模型中误差盒所包含误差项、开关误差Γ_ij和补偿误差T_ij的幅相特性，每个误差项都为定值； 

3)当连接特性未知的待测件时，首先通过消除开关误差Γ_ij和补偿误差T_ij对特性未知的待测件散射参数测量值进行初步修正，初步修正后的特性未知的待测件散射参数矩阵为[S_m]，由步骤2)校准过程保存下来的开关误差Γ_ij和补偿误差T_ij以及特性未知的待测件散射参数测量值S_ijM可以得到：[S_m]=[ST][SΓ]^-1，下标M表示测量值， 

其中矩阵[ST]和[SГ]分别表示为： 

消除开关误差Γ_ij和补偿误差T_ij后，根据4n项误差模型修正公式得到特性未知的待测件散射参数真实值矩阵如下： 

[S]=[A](I+[E¹¹][A]^-1

其中，矩阵A=(E⁰¹)^-1(S_m-E⁰⁰)(E¹⁰)^-1，[E]为对角矩阵，I为N阶单位矩阵。 

2.根据权利要求1所述的引入开关补偿误差的多端口矢量网络分析仪校准方法，其特征在于步骤2)所述的校准方法如下： 

当校准与特性已知的待测件的第i端口相对应的系统误差时，首先，在第i端口上依次连接短路、开路、匹配标准件，则其反射系数分别等于-1、1和0，由所述反射系数和相应的短路、开路、匹配反射系数测量值S_ijM(S)、S_ijM(O)和S_ijM(L)得到： 

当利用直通标准件连接第i和第j个端口，得： 

其中误差项表示误差盒左端口反射系数，表示误差盒右端口反射系数，

表示误差盒左端口向右端口的传输系数，

表示误差盒右端口向左端口的传输系数，并且

。

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