CN105044637B - 一种用于校准矢量网络分析仪的校准装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波毫米波元器件特性参数测试技术领域，具体涉及一种用于校准矢量网络分析仪的校准装置及校准方法；该校准装置及校准方法简化了直通校准过程，利用特定连接方式的单刀多掷微波开关实现直通电子标准，当电子校准件端口数为N时，将需要实现的直通电子标准的数量由N(N‑1)/2减少到(N‑1)，需要的直通电子标准的数量不会随端口数急剧增长，同时大大降低直通电子标准的插入损耗，有利于提高多端口电子校准的精度，易于大端口数多端口电子校准件的设计实现。

Description

一种用于校准矢量网络分析仪的校准装置及校准方法

技术领域

本发明涉及微波毫米波元器件特性参数测试技术领域，具体涉及一种用于校准矢量网络分析仪的校准装置及校准方法。

背景技术

通过使用多端口矢量网络分析仪对微波多端口模块进行测量，可以获取其精确的幅频和相频特性矢量信息。由多端口矢量网络分析仪和测量电缆等附件组成的测量系统特性并不是理想的，包含多种系统误差，因此测量前必须进行校准以提取整个测量系统的各种系统误差，然后在随后的测量过程中通过采用误差修正技术去除各种系统误差对测量精度的影响，才能得到被测件精确的幅相特性信息。

多端口矢量网络分析仪的校准方法可以分为机械校准和电子校准两种，机械校准在校准时使用开路器、短路器、负载和直通等机械校准件，校准过程分反射校准和直通校准两个步骤，如果校准的端口数为N，反射校准时测量连接次数为3N，按线性规律增加，直通校准的测量连接次数为N(N-1)/2，近似按平方率规律增加，例如进行24端口校准时，反射校准的连接次数为72次，直通校准的连接次数为276次，校准时必须手动连接各种机械校准件到不同的待校准端口，整个校准过程非常繁琐，极易由于其中某个步骤连接错误而导致整个校准过程失败，因此机械校准并不适合大端口数的多端口校准测量应用。

多端口电子校准件内部包含特性已知的已定标的各种电子标准和微波电子开关，当把多端口电子校准件连接到主机的测量端口进行多端口电子校准时，矢量网络分析仪会自动识别所连接的电子校准件，读取其内部的定标数据，根据校准需要，控制电子校准件内部的开关自动切换各种电子标准连接到测量端口进行校准，校准过程中不再需要人工参与，非常方便，因此使用多端口电子校准件进行多端口电子校准是大端口数多端口校准的最优选择方案。但目前的多端口电子校准件和校准方法需要电子校准件的任意两端口间都必须存在直通电子标准，即要求多端口电子校准件的直通标准是一个可以实现任意两个端口直通的全通微波开关矩阵，当多端口电子校准件的端口数为N时，其内部需要实现的直通标准个数为N(N-1)/2，随端口数近似按平方率规律快速增长，因此大端口数多端口电子校准件电路拓扑结构的复杂性会随校准端口数迅速提高，导致大端口数多端口电子件的设计和制造实现非常困难，即使能够勉强物理实现也会因电路复杂而导致硬件成本高，体积庞大使用不便，性能指标差校准精度不高等缺点而没用实用和商用价值。基于以上原因目前可商用的多端口电子校准件的校准端口最多为4个，工作频率到20GHz，大端口数的复杂多端口校准主要通过采用两端口的电子校准件或机械校准件通过多次测量连接实现，整个校准过程对仪器使用人员的专业技能要求较高，过程非常繁琐，极易因某个步骤连接错误而导致整个校准过程失败。

以下结合附图对现有技术中的校准方案进行进一步说明。图1为现有多端口矢量网络分析仪两端口间误差模型示意图。

当前多通道接收和多通道功率合成技术在如相控阵雷达等军用装备和民用通信设备中被广泛使用，如一些军用相控阵雷达中的通道数量高达上万个，在通信设备中广泛采用分集接收技术。此外对装备和设备体积功耗等要求也不断提高，因此具有高集成度、多功能和多个输入输出端口的大端口数复杂多端口微波模块的使用日益广泛。为了保证装备和设备整体性能指标的实现，经常要求对各种微波多端口模块的幅相特性进行精确测量。多端口矢量网络分析仪可以实现微波多端口模块幅相特性的精确快速测量，但需要能提供一种简单快捷的多端口校准解决方案。

为了能进行多端口矢量网络分析仪校准提取测量系统存在的各种误差，必须对多端口矢量网络分析仪测量时存在的各种误差进行分析归纳总结的基础上进行系统的误差建模。多端口矢量网络分析仪的端口在测量过程中存在激励(源输出)和接收两种不同状态，在这两种状态下端口存在的系统测量误差是不同的，当端口i处于激励状态端口j处于接收状态两端口间的误差模型如图1所示，在模型中用方向性误差E_Di、源匹配误差E_Si和反射跟踪误差E_Ri描述激励端口i存在的误差，用负载匹配误差E _Lji和传输跟踪误差E _Tji描述端口i激励端口j接收时端口间存在的负载匹配误差和传输跟踪误差，E_Lji和E _Tji描述了一对端口间在特定激励和接收状态下存在的系统测量误差。下面将对目前使用多端口电子校准件进行多端口电子校准提取系统误差项的过程和方法进行详细介绍：

多端口电子校准同样包含单端口反射电子校准和直通电子校准两个步骤，设校准的端口数为N，进行单端口反射电子校准时，设电子校准件的端口k与矢量网络分析仪的端口i相连，矢量网络分析仪主机控制多端口电子校准件内部的开关，将电子校准件端口k的不同反射标准连接到矢量网络分析仪的待校准端口i进行测量校准，设电子校准件端口k的3个反射标准的已知特性数据分别为Γ_k1、Γ_k2、Γ_k3，多端口矢量网络分析仪端口i对应的未修正的测量值分别为S_iim1、S_iim2和S _iim3，可确定端口i的方向性误差E_Di、源匹配误差E_Si和反射跟踪E_Ri。

分别在不同的端口进行单端口反射电子校准，共需进行N次单端口反射电子校准，就可以提取出矢量网络分析仪所有端口的方向性、源匹配和反射跟踪误差。

在进行直通电子校准时，设多端口电子校准件的端口k和端口n分别与矢量网络分析仪的端口i和端口j连接，电子校准件端口k和端口n间直通标准的已知二端口S参数为S_11k、S_12kn、S_21nk和S _22n，多端口矢量网络分析仪对应的端口i和端口j间未修正的S参数测量结果为S_iim、S_ijm、S_jim和S _jjm，可以提取出多端口矢量网络分析仪端口i和端口j间对应的负载匹配误差E_Lij、E_Lji和传输跟踪误差E _Tij、E_Tji。

在不同的端口间分别进行直通电子校准，共需进行N(N-1)/2次直通校准测量，即可提取出误差模型中全部的负载匹配误差和传输跟踪误差。

这样在进行N个测量端口的多端口电子校准时，通过N次单端口反射电子校准和N(N-1)/2次直通电子校准，就可以提取出误差模型中所有的系统误差项，在测量过程中通过采用误差修正技术去除这些系统误差项的影响，即可得到多端口被测件精度的多端口S参数测量结果。

目前的多端口电子校准件和多端口电子校准方法主要存在以下两个缺点:

1)现有的多端口电子校准在进行直通校准时，所需的直通校准测量次数随端口数近似按平方率规律快速增长，校准过程繁琐，所需的校准时间过长，并且会引入过多的测量连接重复性误差，不利于提高测量效率和精度，同时也制约大端口数多端口电子校准件的实现。

2)传统的多端口电子件最大缺点是直通标准的数量随端口数近似按平方率规律快速增长，端口数为N时，内部直通电子标准的数量为N(N-1)/2，如四端口电子校准件内部的直通标准的数量为6个，而扩展到二十四端口时内部的直通电子标准的数量增加到276个，这样会导致大端口数的电子校准件因直通电子标准过于复杂而难于实现，即使能够实现也会因为电路方案复杂导致大端口数的多端口电子校准件体积庞大使用不便，校准精度差和硬件成本高等缺点，没有商用和实用的价值。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提出一种用于校准矢量网络分析仪的校准装置及校准方法，以改进简化多端口校准过程中的直通校准过程，减少冗余的校准测量连接，同时降低多端口电子校准件中直通电子标准的实现难度。

为达上述目的，一方面，本发明提供了一种用于校准矢量网络分析仪的校准装置，包括：电子标准模块、数控接口控制模块和FLASH存储器；

所述电子标准模块中包括多端口电子校准过程中所需的单端口反射电子标准和直通电子标准；

所述FLASH存储器用于存储各电子标准定标数据；所述定标数据为矢量数据，同时包含电子标准的幅度和相位信息；

所述数控接口控制模块通过USB接口与所述矢量网络分析仪主机进行通信，分别用于：将所述电子标准定标数据写入所述FLASH存储器；将所述FLASH存储器中存储的所述电子标准定标数据上传至所述矢量网络分析仪主机；在多端口电子校准过程中根据所述矢量网络分析仪主机的命令，控制所述电子标准模块内部的开关将不同的电子标准连接到校准端口完成校准。

进一步的，所述电子标准模块中包括N个单端口电子标准模块和一个单刀多掷微波开关，其中，所述单刀多掷微波开关作为直通电子标准；其中，N为该校准装置的端口数。

进一步的，所述数控接口控制模块在多端口电子校准过程中根据所述矢量网络分析仪主机的命令，控制所述电子标准模块内部的开关将不同的电子标准连接到校准端口完成校准，具体为：

单端口校准阶段，所述数控接口控制模块通过USB接口接收所述矢量网络分析仪主机的命令，控制各单端口电子标准模块内的单刀四掷微波开关分别切换3个不同的反射标准到待校准端口完成反射标准测量，当进行对应端口的直通校准时，首先控制单刀四掷微波开关切换到直通状态，同时控制单刀多掷微波开关在待校准端口和校准装置的端口1间建立直通标准，代替传统多端口电子校准件中可在任意两个端口实现直通标准的全通微波开关矩阵，完成直通校准。

另一方面，本发明提供了一种对上述用于校准矢量网络分析仪的校准装置进行定标的方法，用于该校准装置使用前，包括：

通过精密级TRL校准件对高精度的矢量网络分析仪进行校准；

通过所述高精度的矢量网络分析仪以及精密级TRL校准件组成的精密定标系统，对所述用于校准矢量网络分析仪的校准装置的各单端口反射电子标准及端口1和其他(N-1)个端口的直通电子标准的特性进行定标测量，将定标测量结果保存在所述FLASH存储器内。

再一方面，本发明提供了一种用于校准矢量网络分析仪的校准方法，包括：

根据校准时所使用的校准装置的端口，上传对应电子标准的定标数据至矢量网络分析仪主机，通过所述定标数据分别内插出校准频点对应的幅度和相位校准数据；

分别在所述矢量网络分析仪的各待校准端口进行单端口反射电子校准，提取出各待校准端口的方向性误差E_Di、源匹配E_Si和反射跟踪误差E_Ri：

其中，Γ_k1、Γ_k2、Γ_k3是与矢量网络分析仪待校准端口i相连的校准装置端口k中3个反射标准的内插校准数据，S_iim1、S_iim2和S _iim3是所述矢量网络分析仪端口i对应的未修正的测量值；

设校准端口数为N，所述校准装置的端口1和矢量网络分析仪的某待校准端口j相连，在矢量网络分析仪的端口j和其他待校准端口间分别进行直通电子校准，共进行(N-1)次直通电子校准，提取出所述矢量网络分析仪的端口j和其他所有待校准端口间相应的负载匹配误差和传输跟踪误差，当矢量网络分析仪的待校准端口i与校准装置的端口k连接时，矢量网络分析仪端口j和端口i间的负载匹配误差E_Lji、E_Lij和传输跟踪误差E _Tji、E_Tij通过下面等式计算得到：

其中，S_11k、S_121k、S_21k1和S _22k是所述校准装置端口1和端口k间直通标准的内插校准数据；S_iim、S_ijm、S_jim和S _jjm是所述矢量网络分析仪对应的端口i和端口j间未修正的S参数测量结果；

通过下面等式计算得到其它未校准端口间的负载匹配误差：

E_Lki＝E _Lkj＝E _Lk(i≠j)

通过下式确定所述其它未校准端口间的传输跟踪误差：

本发明能够达到以下有益效果：

本发明提出的用于校准矢量网络分析仪的校准装置及方法，简化了直通校准过程，利用特定连接方式的单刀多掷微波开关实现直通电子标准，当电子校准件端口数为N时，将需要实现的直通电子标准的数量由N(N-1)/2减少到(N-1)，需要的直通电子标准的数量不会随端口数急剧增长，同时大大降低直通电子标准的插入损耗，有利于提高多端口电子校准的精度，易于大端口数多端口电子校准件的设计实现。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有多端口矢量网络分析仪两端口间误差模型示意图；

图2是用于校准矢量网络分析仪的校准装置的结构示意图；

图3是本发明一种对上述用于校准矢量网络分析仪的校准装置进行定标的方法流程图；

图4是用于校准矢量网络分析仪的校准方法的流程图。

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。

图2是用于校准矢量网络分析仪的校准装置的结构示意图；如图所示，该校准装置包括：电子标准模块201、数控接口控制模块202和FLASH存储器203；

所述电子标准模块中包括多端口电子校准过程中所需的单端口反射电子标准和直通电子标准；

所述FLASH存储器用于存储各电子标准定标数据；所述定标数据为矢量数据，同时包含电子标准的幅度和相位信息；

所述数控接口控制模块通过USB接口与所述矢量网络分析仪主机进行通信，分别用于完成以下3个功能：

a、将所述电子标准定标数据写入所述FLASH存储器；

b、将所述FLASH存储器中存储的所述电子标准定标数据上传至所述矢量网络分析仪主机；

c、在多端口电子校准过程中根据所述矢量网络分析仪主机的命令，控制所述电子标准模块内部的开关将不同的电子标准连接到校准端口完成校准。

以下再详细介绍一下电子标准模块201：

对于一个N端口电子校准件，电子标准模块中包括N个单端口电子标准模块和一个单刀多掷微波开关，其中，所述单刀多掷微波开关作为直通电子标准；

一个单端口的电子标准模块由一个单刀四掷微波开关和3个特性互易的反射电子标准组成。在进行单端口校准时，多端口电子校准件通过USB接口接收主机的命令，控制单刀四掷微波开关分别切换3个不同的反射标准到待校准端口完成反射标准测量，当进行对应端口的直通校准时，单刀四掷微波开关切换到直通状态。单刀多掷微波开关构成多端口电子校准件的直通标准，代替传统多端口电子校准件中可在任意两个端口实现直通标准的全通微波开关矩阵。单刀多掷微波开关的公共输入端口与多端口电子校准件端口1单端口电子标准模块的直通端口连接，单刀多掷微波开关的其他(N-1)个输出端口分别与多端口电子校准件中其他(N-1)个单端口电子标准模块的直通端口相连。

进一步的，所述数控接口控制模块在多端口电子校准过程中根据所述矢量网络分析仪主机的命令，控制所述电子标准模块内部的开关将不同的电子标准连接到校准端口完成校准，具体为：

单端口校准阶段，所述数控接口控制模块通过USB接口接收所述矢量网络分析仪主机的命令，控制各单端口电子校准模块内的单刀四掷微波开关分别切换3个不同的反射标准到待校准端口完成反射标准测量，当进行对应端口的直通校准时，首先控制单刀四掷微波开关切换到直通状态，同时控制单刀多掷微波开关在待校准端口和校准装置的端口1间建立直通标准，代替传统多端口电子校准件中可在任意两个端口实现直通标准的全通微波开关矩阵，完成直通校准。

多端口电子校准件在使用前必须对其定标，定标时首先采用高精度的矢量网络分析仪和精密级TRL校准件组成精密定标系统。

图3是本发明一种对上述用于校准矢量网络分析仪的校准装置进行定标的方法流程图，用于该校准装置使用前，如图所示，包括：

步骤301，通过精密级TRL校准件对高精度的矢量网络分析仪进行校准；

步骤302，通过所述高精度的矢量网络分析仪以及精密级TRL校准件组成的精密定标系统，对所述用于校准矢量网络分析仪的校准装置的各单端口反射电子标准及端口1和其他(N-1)个端口的直通电子标准的特性进行定标测量，将定标测量结果保存在所述FLASH存储器内。

图4是用于校准矢量网络分析仪的校准方法的流程图，如图所示，包括：

步骤401，根据校准时所使用的校准装置的端口，上传对应电子标准的定标数据至矢量网络分析仪主机，通过所述定标数据分别内插出校准频点对应的幅度和相位校准数据；

步骤402，分别在所述矢量网络分析仪的各待校准端口进行单端口反射电子校准，提取出各待校准端口的方向性误差E_Di、源匹配E_Si和反射跟踪误差E _Ri：

其中，Γ_k1、Γ_k2、Γ_k3是与矢量网络分析仪待校准端口i相连的校准装置端口k中3个反射标准的内插校准数据，S_iim1、S_iim2和S _iim3是所述矢量网络分析仪端口i对应的未修正的测量值；

步骤403，提取出所述矢量网络分析仪的端口j和其他所有待校准端口间相应的负载匹配误差E_Lji、E_Lij和跟踪误差E _Tji、E_Tij

设校准端口数为N，所述校准装置的端口1和矢量网络分析仪的某待校准端口j相连，在矢量网络分析仪的端口j和其他待校准端口间分别进行直通电子校准，共进行(N-1)次直通电子校准，提取出所述矢量网络分析仪的端口j和其他所有待校准端口间相应的负载匹配误差和传输跟踪误差，当矢量网络分析仪的待校准端口i与校准装置的端口k连接时，矢量网络分析仪端口j和端口i间的负载匹配误差E_Lji、E_Lij和传输跟踪误差E _Tji、E_Tij通过下面等式计算得到：

其中，S_11k、S_121k、S_21k1和S _22k是所述校准装置端口1和端口k间直通标准的内插校准数据；S_iim、S_ijm、S_jim和S _jjm是所述矢量网络分析仪对应的端口i和端口j间未修正的S参数测量结果；

步骤404，确定其他未校准端口间的负载匹配误差和传输跟踪误差；

某一端口的负载匹配误差描述了端口处于接收状态时的固有原始匹配特性，因为系统是时不变的，所以某个端口的负载匹配误差应满足如下等式：

E_Lki＝E _Lkj＝E _Lk(i≠j)

步骤403在进行端口j和其他端口间的直通电子校准时，已经得到源在某个固定端口输出时所有端口的负载匹配误差，根据以上等式，可以得到源在其他不同端口输出时对应的负载匹配误差。

计算未校准端口间的传输跟踪误差，引入开关匹配误差T_j，T_j描述了j端口的源输出切换开关在端口j处于接收状态时所呈现的匹配状态，可由端口j的源匹配误差E_Sj、负载匹配误差E_Lj、方向性误差E_Dj和反射跟踪误差E _Rj确定。未校准端口间的传输跟踪误差由下面等式确定：

等式中的E_Dj、E_Rj、E_Tkj和E _Tjn已经通过上面的单端口电子校准和直通电子校准确定，这样通过该等式即可得到全部未校准端口间的传输跟踪误差。

至此，通过以上4个步骤就确定了多端口误差模型中全部待求解的系统误差项。

通过上述实施例，本发明能够达到以下有益效果：

本发明提出的用于校准矢量网络分析仪的校准装置及方法，简化了直通校准过程，利用特定连接方式的单刀多掷微波开关实现直通电子标准，当电子校准件端口数为N时，将需要实现的直通电子标准的数量由N(N-1)/2减少到(N-1)，需要的直通电子标准的数量不会随端口数急剧增长，同时大大降低直通电子标准的插入损耗，有利于提高多端口电子校准的精度，易于大端口数多端口电子校准件的设计实现。

本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块(illustrative logical block)，单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性(interchangeability)，上述的各种说明性部件(illustrative components)，单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于校准矢量网络分析仪的校准方法，其特征在于，包括：

根据校准时所使用的校准装置的端口，上传对应电子标准的定标数据至矢量网络分析仪主机，通过所述定标数据分别内插出校准频点对应的幅度和相位校准数据；

分别在所述矢量网络分析仪的各待校准端口进行单端口反射电子校准，提取出各待校准端口的方向性误差E_Di、源匹配E_Si和反射跟踪误差E_Ri：

其中，Γ_k1、Γ_k2、Γ_k3是与矢量网络分析仪待校准端口i相连的校准装置端口k中3个反射标准的内插校准数据，S_iim1、S_iim2和S_iim3是所述矢量网络分析仪端口i对应的未修正的测量值；

设校准端口数为N，所述校准装置的端口1与矢量网络分析仪的端口j相连，在矢量网络分析仪的端口j和其他待校准端口间分别进行直通电子校准，共进行(N-1)次直通电子校准，提取出所述矢量网络分析仪的端口j和其他所有待校准端口间相应的负载匹配误差和传输跟踪误差，当矢量网络分析仪的端口i与校准装置的端口k连接时，矢量网络分析仪端口j和端口i间的负载匹配误差E_Lji、E_Lij和传输跟踪误差E_Tji、E_Tij通过下面等式计算得到：

其中，S_11k、S_121k、S_21k1和S_22k是所述校准装置端口1和端口k间直通标准的内插校准数据；S_iim、S_ijm、S_jim和S_jjm是所述矢量网络分析仪对应的端口i和端口j间未修正的S参数测量结果；

通过下面等式计算得到其它未校准端口间的负载匹配误差：

E_Lki＝E_Lkj＝E_Lk(i≠j)

通过下式确定所述其它未校准端口间的传输跟踪误差：