CN106324541B - 一种非插入式器件测量校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种非插入式器件测量校准方法，解决了现有的非插入式校准方法对矢量网络分析仪的硬件结构方案、测量条件设置、直通适配器的性能指标和测量人员的专业技术均有一些特殊要求的问题。本发明提出了一种利用矢量网络分析仪不使用的、额外的测量端口配置成理想零直通校准环境的校准方法，通过在测量端口和额外的校准端口进行理想零直接校准，以额外的校准端口为桥梁，获得非插入测量端口间的准确的负载匹配误差和传输跟踪误差，降低和简化了对校准的要求，提高了非插入式校准的精度。

Description

一种非插入式器件测量校准方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种非插入式器件测量校准方法。

背景技术

大部分在射频微波系统使用的微波模块通常具有相同的端口连接器类型，习惯上微波模块经常采用阴头的同轴连接器。大部分微波模块在使用前需用使用矢量网络分析仪对其性能指标进行测量，而在测量前必须对矢量网络分析仪进行校准，以确定测量系统本身存在的系统误差大小，然后在测量时中通过采用误差修正算法去除这些系统误差对测量精度的影响，得到被测件真实的性能指标。矢量网络分析仪的校准就是通过对一组特性已知的校准标准进行测量，通过比较测量值和已知值，确定测量系统本身各种系统误差的过程。

目前使用比较广泛的校准方法是SOLT校准，校准标准包括短路器(S)、开路器(O)和负载(L)三个反射标准和一个直通标准(T)，校准标准数据模型和实际特性之间的符合性是决定校准精度的重要因素，二者之间的差异是校准误差的重要来源。其中直通标准是通过将两个测量端口直接连接到一起实现的，是一个理想的零直通标准，直通标准的默认数据模型将直通标准看成理想的零长度直通件，即端口1和端口2的反射S₁₁＝S₂₂＝0，信号在端口间传输时不引入任何损耗和延迟，即S₂₁＝S₁₂＝1，在所有的校准标准中，直通标准的数据模型和实际特性的符合性是最好的，因此使用理想的直通标准有利于提高校准精度。

对于具有相同测量端口连接器类型的被测件，在直通校准时，两个测量端口无法直接连接到一起进行理想的零直通校准，直通校准时需要在两个端口间连接一个适配器，此时如果不采取额外的处理过程，因直通标准的实际特性和数据模型存在巨大差异，将会引入非常大的校准误差。

对于无法进行理想零直通校准的被测件统称为非插入式被测件，对这类器件进行测量前的校准过程统称为非插入式校准，其校准难点主要在直通校准阶段，老式矢量网络分析仪主要采用两种方法解决这个难题：

第一种方法是修改直通标准数据模型的定义，根据所使用的直通适配器的实际特性修改校准标准数据模型中损耗和延时的定义，因为所使用的直通适配器本身也是一个非插入式器件，其本身特性数据的获取存在一定难度，即使得到了直通适配器的特性数据，还需再进行一系列计算才能获取校准标准的模型数据，对测量人员的专业技术要求很高。此外直通标准的数据模型中认为直通标准是互易的，即前反向的传输特性是一致的，而且没有考虑直通标准的端口失配特性，认为直通标准的端口阻抗是理想匹配的，这些都会影响校准精度，要想获得高的校准精度必须使用精密的直通适配器，这样又会提高校准成本。

第二种方法是使用一种称为适配器去除的校准方法，这种方法的限制和缺点包括同样要求适配器是互易的、端口是理想匹配的，对测量点间的频率间隔设置有一定限制，而且校准过程非常繁琐，现在很少使用这种校准方法。

现代最新的矢量网络分析仪很多采用称为双反射计的接收结构，即每个测量端口包括一个独立的测量接收机和参考接收机，支持采用未知直通的校准实现非插入式校准，在直通校准时同样需要连接一个特性未知的适配器，但校准程序会通过一个自校准过程确定直通适配器的延时特性，进而确定测量系统中的全部误差项，正确进行未知直通校准同样存在一些特殊限制和要求，具体如下：

(1)矢量网络分析仪通过一个自校准过程确定出直通适配器的传输延时值，因此对测量点间的频率间隔设置有一定限制，要求不能丢失直通适配器的相位信息，否则通过自校准过程确定的直通适配器的延时值是错误的，导致计算出的系统误差项也是错误的，因此要求必须根据所使用直通适配器大概的传输延时评估测量点数的设置是否合理，对测量人员的素质提出一定的要求。

(2)同样要求直通适配器是互易的，其前反向的传输特性完全一致，任何实际特性的偏差都将产生残余校准误差。

下面结合附图介绍现有的未知直通校准的实现方案：

可进行未知直通校准的矢量网络分析仪必须具有双反射计接收结构，一种两端口双反射计接收结构矢量网络分析仪的实现方案如图1所示，将这种结构扩展到N端口后其通用误差模型如图2所示，这种矢量网络分析仪的特点是每个端口都有一个独立的测量接收机和参考接收机，如果测量端口数N，则接收机数为2N，因此这种结构也称为2N接收结构，这种结构矢量网络分析仪的误差修正公式如式(1)所示：

S＝D(I+E₁₁D)^-1 (1)

式(1)中，I为N阶单位阵，S是经过误差修正的N阶S参数矩阵，矩阵D和E₁₁的具体取值如下：

式(2)中，S_ijm(i＝1：N，j＝1：N)表示未经修正直接测量所得的S参数，t_ij通过如下等式确定：

t_ij＝e_i ⁰¹e_j ¹⁰ (4)

e_i ⁰⁰(i＝1：N)、e_i ¹¹(i＝1：N)、t_ij(i＝1：N，j＝1：N)为误差模型中需要通过校准确定的误差项，对于具有N个测量端口的矢量网络分析仪，需要确定的误差项个数为N²+2N，下面介绍通过未知直通校准确定上面提到的全部N²+2N项系统误差的校准过程，整个校准可以分为反射校准和未知直通校准两个阶段。

在反射校准阶段，在每个测量端口分别连接开路器、短路器和负载，设开路器、短路器和负载反射系数的真实值分别为：Γ_o、Γ_s、Γ_l＝0，在端口i对应的反射标准的测量值分别为：Γ_moi、Γ_msi、Γ_mli，可以确定端口i的3项反射误差如下：

e_i ⁰⁰＝Γ_mli (5)

在所有端口进行反射校准后，可确定误差模型中的3N项系统误差，完成反射校准后，在一个固定测量端口i和其他N-1个测量端口分别连接一个互易的特性未知的直通适配器进行直通校准，假设在端口i和端口j之间进行直通校准，可确定两个端口间的两项传输误差项t_ij和t_ji如下：

在等式(8)和等式(9)中，每个误差项都有两个可能的取值，这两个值幅度相等，相位相差180°，但是只有一个值是正确的，还需要一个额外的步骤确定误差项的正确取值。在直通校准时，如果测量点的频率间隔设置合理，保证测量时不丢失直通适配器的相位相信，校准程序可以通过一个额外的自校准过程确定出直通适配器的群延时值，再根据此群延时值即可确定等式(8)和等式(9)中误差项的正确取值，这样通过进行直通校准可确定端口i和其他N-1个端口间共2(N-1)项传输误差项。其他剩余(N-1)(N-2)项传输误差通过等式(10)确定

至此，通过进行反射校准和直通校准，确定了进行误差修正时需要确定的全部N²+2N项系统误差。

现在进行非插入式器件测量时，通常采用未知直通校准的方法确定整个测量系统存在的误差，这种校准方法虽然校准过程比较简单，与常用的SOLT校准过程基本相同，但是存在以下几个方面的缺点：

(1)要求矢量网络分析仪必须采用双反射计2N接收结构，采用这种结构方案的矢量网络分析仪通常硬件成本较高，特别是在端口数较多的情况下，对于采用N+1接收结构的矢量网络分析仪，无法进行未知直通校准。

(2)校准时需要使用一个前反向传输特性相同的互易精密适配器，如果直通适配器的前反向传输特性存在差异，这些差异将转变为校准后的残留误差，影响校准精度。

(3)对校准时测量条件的设置有一定的特殊要求，要求保证测量校准时的频率间隔设置不会导致直通适配器的测量相位信息丢失，否则依据直通适配器相位信息计算出来的直通适配器的群延时值是错误的，从而导致校准错误，测量人员必须根据实际使用的直通适配器的特性评估测量条件设置是否合理，提高了对仪器使用人员的要求。

发明内容

针对目前未知直通校准存在的缺点，本发明提出了一种非插入式器件测量校准方法，利用矢量网络分析仪不使用的、额外的测量端口配置成零直通校准环境，因为零直通校准件具有最高的模型精度，因此使用这种校准方法可以提高校准精度；同时，本发明的校准方法对于矢量网络分析仪的具体硬件实现方案没有特殊要求，对测量人员也无额外的专业技术要求，具有校准精度高，使用简单等优点。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种非插入式器件测量校准方法，反射校准时，在N个测量端口和额外的校准端口k分别连接开路器、端口器和负载三个反射标准，设连接的开路器、短路器和负载的已知反射系数分别为：Γ_o、Γ_s、Γ_l＝0，校准过程中某一端口i连接反射标准后对应的反射测量值分别为：Γ_moi、Γ_msi、Γ_mli，确定端口i反射误差项分别为：

E_Di＝Γ_mli (11)

通过反射校准，确定全部的反射误差；

直通校准时，在N个测量端口和额外的端口k间分别进行理想的零直通校准，当在测量端口i和端口k间进行直通校准时，求解出如下4项系统误差：

E_Tik＝S_ikm(1-E_LikE_Sk) (16)

E_Tki＝S_kim(1-E_LkiE_Si) (17)

等式(14)～等式(17)中，S_ijm表示直通校准时未经误差修正的直接测量所得的S参数值，下标i和j代表端口号，m表示测量值；

端口的负载匹配为接收端口的固有特性，与源输出端口无关，测量端口间的所有负载匹配误差通过等式(18)确定：

W_Lij＝E_Lik|(i＝1：N，j＝1：N，i≠j) (18)

等式(18)中的E_Lik已在所有测量端口和端口k间进行零直通校准时确定；测量端口间的所有传输跟踪误差通过如下的等式(19)确定：

等式(19)中，E_Tik、E_Tkj已在所有测量端口和端口k间进行直通校准确定，E_Dk、E_Rk在进行反射校准时确定，至此，通过反射校准和直通校准两个步骤，确定了误差模型中全部需要求解的误差项。

利用本发明的非插入式器件测量校准方法，对N+1接收结构矢量网络分析仪的非插入式器件测量进行校准的应用。

利用本发明的非插入式器件测量校准方法，对2N接收结构矢量网络分析仪的非插入式器件测量进行校准的应用。

本发明的有益效果是：

(1)对于矢量网络分析仪的硬件实现方案没有特殊要求；

(2)由于使用了具有最高模型精度的零直通校准件，相比未知直通校准方法，可提高非插入式校准和测量精度；

(3)校准过程中不需要使用直通适配器，对测量条件的设置也无特殊要求，并且降低了对测量人员的要求，具有更好的普适性。

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为现有的2N接收结构矢量网络分析仪硬件方案原理图；

图2为现有的2N接收结构矢量网络分析仪误差模型图；

图3为本发明的校准方法适用的N+1接收结构矢量网络分析仪硬件方案原理图；

图4为本发明的校准方法适用的N+1接收结构矢量网络分析误差模型图。

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。

现有的非插入式校准方法对矢量网络分析仪的硬件结构方案、测量条件设置、直通适配器的性能指标和测量人员的专业技术均有一些特殊要求，而且现有的校准方法只对实际使用的测量端口进行校准。

本发明提出了一种利用矢量网络分析仪不使用的、额外的测量端口配置成理想零直通校准环境的校准方法，通过在测量端口和额外的校准端口进行理想零直接校准，以额外的校准端口为桥梁，获得非插入测量端口间的准确的负载匹配误差和传输跟踪误差，降低和简化了对校准的要求，提高了非插入式校准的精度。

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的非插入式器件测量校准方法适用于通用的N+1接收结构矢量网络分析仪，N+1接收结构矢量网络分析仪的硬件方案如图3所示，每个测量端口都有一个独立的测量接收机，所有端口共用一个参考接收机。本发明的校准方法对于矢量网络分析仪的硬件实现方案没有特殊要求，当然也适用于图1所示的双反射计2N接收结构矢量网络分析仪。

具有N个测量端口的N+1接收结构矢量网络分析仪的误差模型如图4所示，其中端口i处于源输出状态，其他N-1端口处于接收状态，图4所示的模型中包括2N+1项误差，当不同的端口分别处于源输出状态时，共有N个与图4所示类似的误差模型，对矢量网络分析仪在不同源输出状态下整机存在的误差进行建模，所有的误差模型中共包含2N²+N项误差。本发明要求矢量网络分析仪的测量端口数至少比被测件的端口数多一个，当被测件是具有相同类型端口连接器的N端口非插入式器件，为描述方便，设矢量网络分析仪的端口1到端口N为测量端口，端口k(k＞N)为校准时需要使用的额外端口，矢量网络分析仪测量端口1到端口N的连接器阴阳类型与被测件端口连接器的阴阳类型相反，因此测量端口与被测件端口可以直接连接进行测量，但校准时测量端口之间无法进行零直通连接。端口k连接器的阴阳类型配置为与被测件相同，因此校准端口k可以与N个测量端口进行理想的零直通校准，N个测量端口的全部误差项也是通过反射校准和直通校准两个过程确定，本发明非插入式器件测量校准方法的具体过程如下：

反射校准时，在N个测量端口和额外的校准端口k分别连接开路器、端口器和负载三个反射标准，设连接的开路器、短路器和负载的已知反射系数分别为：Γ_o、Γ_s、Γ_l＝0，校准过程中某一端口i连接反射标准后对应的反射测量值分别为：Γ_moi、Γ_msi、Γ_mli，可以确定端口i反射误差项分别为：

E_Di＝Γ_mli (11)

通过反射校准，可以确定全部的反射误差，直通校准时，在N个测量端口和额外的端口k间分别进行理想的零直通校准，当在测量端口i和端口k间进行直通校准时，可以求解出如下4项系统误差：

E_Tik＝S_ikm(1-E_LikE_Sk) (16)

E_Tki＝S_kim(1-E_LkiE_Si) (17)

等式(14)～等式(17)中，S_ijm表示直通校准时未经误差修正的直接测量所得的S参数值，下标i和j代表端口号，m表示测量值。

端口的负载匹配为接收端口的固有特性，与源输出端口无关，测量端口间的所有负载匹配误差通过等式(18)确定：

E_Lij＝E_Lik|(i＝1：N，j＝1：N，i≠j) (18)

等式(18)中的E_Lik已在所有测量端口和端口k间进行零直通校准时确定。测量端口间的所有传输跟踪误差通过如下的等式(19)确定：

等式(19)中，E_Tik、E_Tkj已在所有测量端口和端口k间进行直通校准确定，E_Dk、E_Rk在进行反射校准时确定，至此，通过反射校准和直通校准两个步骤，确定了误差模型中全部需要求解的误差项。

本发明提出的校准方法对于矢量网络分析仪的硬件实现方案没有特殊要求，由于使用了具有最高模型精度的零直通校准件，相比现有的未知直通校准方法，可提高非插入式校准和测量精度，校准过程中不需要使用直通适配器，对测量条件的设置也无特殊要求，并且降低了对测量人员的要求，具有更好的普适性。

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)

1.一种非插入式器件测量校准方法，其特征在于，反射校准时，在N个测量端口和额外的校准端口k分别连接开路器、短路器和负载三个反射标准，设连接的开路器、短路器和负载的已知反射系数分别为：Γ_o、Γ_s、Γ_l，其中Γ_l＝0，校准过程中某一端口i连接反射标准后对应的反射测量值分别为：Γ_moi、Γ_msi、Γ_mli，确定端口i反射误差项分别为：

E_Di＝Γ_mli (11)

通过反射校准，确定全部的反射误差；

直通校准时，在N个测量端口和额外的校准端口k间分别进行理想的零直通校准，当在测量端口i和校准端口k间进行直通校准时，求解出如下4项系统误差：

E_Tik＝S_ikm(1-E_LikE_Sk) (16)

E_Tki＝S_kim(1-E_LKiE_Si) (17)

等式(14)～等式(17)中，S_kkm、S_kim、S_iim、S_ikm表示直通校准时未经误差修正的直接测量所得的S参数值，下标i和k代表端口号，m表示测量值；

端口的负载匹配为接收端口的固有特性，与源输出端口无关，测量端口间的所有负载匹配误差通过等式(18)确定：

E_Lij＝E_Lik|(i＝1：N，j＝1：N，i≠j) (18)

等式(18)中的E_Lik已在所有测量端口和校准端口k间进行零直通校准时确定；测量端口间的所有传输跟踪误差通过如下的等式(19)确定：

等式(19)中，E_Tik、E_Tkj已在所有测量端口和校准端口k间进行直通校准确定，E_Dk、E_Rk在进行反射校准时确定，至此，通过反射校准和直通校准两个步骤，确定了误差模型中全部需要求解的误差项。

2.如权利要求1所述的一种非插入式器件测量校准方法，其特征在于，对N+1接收结构矢量网络分析仪的非插入式器件测量进行校准。

3.如权利要求1所述的一种非插入式器件测量校准方法，其特征在于，对2N接收结构矢量网络分析仪的非插入式器件测量进行校准。