DE102004047308A1

DE102004047308A1 - Verfahren zur Verifikation der Kalibrierung eines Mehrtor-Netzwerkanalysators und Kalibriereinheit hierfür

Info

Publication number: DE102004047308A1
Application number: DE102004047308A
Authority: DE
Inventors: Michael Hiebel
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2006-03-30
Also published as: US20080018342A1; EP1802990A1; WO2006034801A1; JP4709841B2; JP2008514933A; US7759944B2

Abstract

Zur Verifikation der Kalibrierung eines Mehrtor-Netzwerkanalysators, bei dem zur Kalibrierung eine Kalibriereinheit benutzt wird, die mehrere der Anzahl der Meßtore des Netzwerkanalysators entsprechende Anzahl von Kalibriertoren aufweist, an denen jeweils unterschiedliche Kalibrierstandards, insbesondere Lehrlauf-, Kurzschluß-, Anpassungs- bzw. Durchverbindungs-Standards, angeschlossen werden, werden als Verifikations-Standards die vorher zur Kalibrierung benutzten Kalibrierstandards der Kalibriereinheit verwendet; dabei werden nur die Verbindungen der Kalibriertore der Kalibriereinheit mit den Meßtoren des Netzwerkanalysators derart vertauscht, daß an jedem Meßtor des Netzwerkanalysators jeweils ein anderer Kalibrierstandard der Kalibriereinheit als bei der vorausgehenden Kalibrierung angeschaltet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verifikation der Kalibrierung eines Mehrtor-Netzwerkanalysators laut Oberbegriff des Hauptanspruches sowie eine Kalibriereinheit hierfür.

Vektorielle Netzwerkanalysatoren müssen vor Ausführung einer Messung der Transmissions- und Reflexions-Koeffizienten eines Meßobjektes kalibriert werden. Hierbei werden an drei oder mehr bekannten, voneinander verschiedenen Kalibrierstandards jeweils Koeffizientenmessungen durchgeführt, aus denen Fehlerterme berechnet werden, mit denen dann bei der eigentlichen Objektmessung Systemfehlerkorrekturen durchgeführt werden. Als Kalibrierstandards werden beispielsweise ein Lehrlauf (Open), ein Kurzschluß (Short), eine Anpassung (Match) oder eine Durchverbindung (Through) benutzt, die nacheinander an die Meßtore angeschaltet werden. Es ist bekannt, diese Kalibrierstandards beispielsweise auf einen Substrat auszubilden und im Inneren eines Gehäuses anzuordnen, von dem seitlich jeweils Kabelanschlüsse abstehen. Eine solche Kalibriereinheit mit fest dimensionierten Kalibrierstandards wird zum Kalibrieren über Stecker und Kabel mit den entsprechenden Meßtoren des Netzwerkanalysators verbunden. Der Kalibriervorgang kann dann gesteuert durch einen Rechner automatisch ablaufen.

Es ist auch aus der US 5,578,932 bekannt, solche Kalibrierstandards als umschaltbare komplexe Impedanzen auszubilden und die verschiedenen unterschiedlichen Kalibrierstandards durch Umschalten zu realisieren.

Nach erfolgter Kalibrierung des Netzwerkanalysators ist es zweckmäßig, eine Überprüfung (Verifikation) der Kalibrierung durchzuführen. Dazu werden in der Praxis sog. T-Checker verwendet, die an die Meßtore angeschlossen werden und mit denen dann entsprechende Koeffizientenmessungen durchgeführt werden. Für Netzwerkanalysatoren mit mehr als zwei Meßtoren ist die Anwendung solcher T-Checker wegen der vielen erforderlichen Schraubverbindungen und damit möglichen Anschlußfehlern sehr umständlich und fehlerträchtig. Für Zweitor-Netzwerkanalysatoren, bei denen zur Kalibrierung umschaltbare Impedanzen benutzt werden, ist es aus der US 5,578,932 bekannt, zur Verifikation die gleichen Standards wie zur Kalibrierung zu benutzen. Dabei können jedoch Verkabelungsfehler (vertauschte Anschlüsse oder schlechte elektrische Verbindungen an den Steckern) nicht ermittelt werden, obwohl diese Fehler in der Praxis jedoch sehr häufig auftreten. Nach dem bekannten Verfahren ist keine vollständige Verifikation möglich, da beim Übergang von Kalibrierung zu Verifikation die Stecker nicht gelöst werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur vollständigen Verifikation der Kalibrierung eines Mehrtor-Netzwerkanalysators aufzuzeigen. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, eine hierfür geeignete Kalibriereinheit aufzuzeigen, die eine einfache Ausführung dieses Verfahrens ermöglicht.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren laut Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Die Lösung für die Kalibriereinheit ergibt sich aus Anspruch 3. Vorteilhafte Weiterbildungen auch bezüglich der Ausgestaltung der Kalibriereinheit ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung wird für die Verifikation die gleiche Kalibriereinheit benutzt, wie sie vorausgehend für die Kalibrierung verwendet wurde, wobei es lediglich erforderlich ist, die Anschlüsse der zum Netzwerkanalysator führenden Verbindungskabel so zu vertauschen, daß an jedem Meßtor des Netzwerkanalysators jeweils ein anderer Kalibrierstandard der Kalibriereinheit als bei der vorausgehenden Kalibrierung angeschaltet ist, also beispielsweise jeweils ein anderer Lehrlauf, ein anderer Kurzschluß, eine andere Anpassung und andere Durchverbindungen. Da beim erfindungsgemäßen Verfahren für die Verifikation die vorher für die Kalibrierung benutzten Steckverbindungen vollständig gelöst und nach dem Verdrehen der Kalibriereinheit neu verbunden werden müssen, werden auch Verkabelungsfehler wie vertausche Anschlüsse oder schlechte elektrische Verbindungen an den Steckern bei der Verifikation festgestellt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist daher erstmals eine vollständige Verifikation einer vorhergehenden Kalibrierung eines Mehrtor-Netzwerkanalysators möglich, da nicht nur Fehler der verwendeten Kalibrierstandards aufgezeigt werden, sondern auch Fehler der Stecker und Verkabelungsfehler, also sämtliche Parameter bis zur eigentlichen Referenzebene des Netzwerkanalysators.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für Drei- oder Mehrtor-Netzwerkanalysatoren geeignet. Eine besonders einfache, kompakte Kalibriereinheit ergibt sich für einen Viertor-Netzwerkanalysator, bei der die Kalibriertore jeweils paarweise seitlich am Gehäuse abstehen und die für die Verifikation die Kalibriereinheit einfach umgedreht wird und dann von den gleichen Seiten aus wieder die Verbindungskabel zum Netzwerkanalysator angeschlossen werden. Es müssen nur auf einer Seite diese Anschlüsse vertauscht werden (Ausführungsbeispiel nach 6 und 7). Eine solche Kalibriereinheit könnte auch sinnvoll zum Verifizieren eines Zweitor-Netzwerkanalysators benutzt werden, indem zwei gegenüberliegende Anschlüsse für die Kalibrierung und die beiden anderen gegenüberliegenden Anschlüsse dann für die Verifikation benutzt werden. Auch für Netzwerkanalysatoren mit mehr als vier Meßtoren, beispielsweise einem Achttor-Netzwerkanalysator, ist das erfindungsgemäße Verfahren geeignet, die hierzu benutzte Kalibriereinheit besitzt dann beispielsweise eine hierfür geeignete andere Geometrie, das Gehäuse ist beispielsweise fünf-, sechs- oder achteckig.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen für einen Viertor-Netzwerkanalysator näher beschrieben. Es zeigen
1 einen vektoriellen Netzwerkanalysator und eine Kalibriereinheit und
2-7 die Kalibriereinheit in unterschiedlichen Konfigurationen für Kalibrierung und Verifikation.
1 zeigt schematisch einen vektoriellen Netzwerkanalysator VNA mit vier Meßtoren 1, 2, 3 und 4, die zur Kalibrierung über Kabel mit den Anschlüssen A, B, C und D einer Kalibriereinheit KE verbunden werden. Diese z. B. als Stecker ausgebildeten Anschlüsse A bis D, die außenseitig abstehend an einem Gehäuse E angebracht sind, sind im Inneren des Gehäuses mit nicht näher dargestellten Kalibrierstandards verbunden. Jeder Anschluß A bis D ist über elektronische Schalter entweder mit einem Lehrlauf, einem Kurzschluß, einer Anpassung oder einer zu den übrigen Anschlüssen führenden Durchverbindung verbindbar.
Die Steuerung dieser elektronischen Schalter erfolgt über eine nicht dargestellte Steuerverbindung nach einem vorgegebenen Kalibrierprogramm über den Netzwerkanalysator VNA. Durch das gesteuerte nacheinander Anschalten dieser Kalibrierstandards an die vier Kalibrieranschlüsse A bis D wird der Netzwerkanalysator VNA kalibriert und aus den Kalibrierdaten werden dann die für die späteren Objektmessung erforderlichen Fehlerkorrekturdaten ermittelt und im Netzwerkanalysator abgespeichert.
Zur anschließenden Verifikation der Kalibrierung des Netzwerkanalysators werden als Verifikations-Standards die gleichen Standards benutzt, die vorher zur Kalibrierung verwenden werden. Dies ist möglich, sofern diese so vertauscht werden, daß bei der Verifikation an jedem Meßtor des Netzwerkanalysators jeweils ein anderer Kalibrierstandards als bei der vorausgehenden Kalibrierung angeschaltet ist und zwar zum Beispiel jeweils sowohl ein anderer Lehrlauf, ein anderer Kurzschluß, eine andere Anpassung und eine andere der insgesamt sechs möglichen Durchverbindungen. Dies wird gemäß der Erfindung einfach durch Vertauschen der Kalibriertore A bis D erreicht. Hierfür gibt es je nach Anzahl N der Meßtore des Netzwerkanalysators bzw. der Anschlüsse der Kalibriereinheit KE insgesamt ½∙N∙(N-1) Permutationen. Für einen Viertor-Netzwerkanalysator und eine Kalibriereinheit K E mit vier Kalibrieranschlüssen A bis D gibt es also insgesamt sechs Permutationen, wobei 1 eine erste Permutationen erzeugt durch Verdrehen der Kalibriereinheit KE im Uhrzeigersinn. Die 2 bis 5 zeigen vier weitere Permutationen, wobei ein Umdrehen der Kalibriereinheiten um Spiegelungsachsen S zugelassen wird.
Gemäß 1 werden zur Verifikation V die vier Anschlüsse der Kalibriertore A bis D gelöst und dann die Kalibriereinheit aus der Kalibrierstellung K im Uhrzeigersinn in die Verifikations-Stellung V verdreht. Dann werden die Anschlüsse 1 bis 4 des Netzwerkanalysators VNA wieder in der alten Verteilung an die Anschlüsse A bis D angeschlossen. Die Lage der Verbindungskabel zwischen dem Netzwerkanalysator und der Kalibriereinheit bleibt sowohl in der Kalibrierstellung K als auch in der Verifikationsstellung V gleich, so daß keine Fehler durch unterschiedliche Biegeradien an den Kabeln und andere wirksame elektrischen Längen entstehen. Das gleiche könnte auch durch Verdrehen der Kalibriereinheit im Gegenuhrzeigersinn oder Verdrehen nach links oder rechts um mehr als ein Kalibriertor (z.B. um drei Tore) erreicht werden (2. Permutation).
Die in den 2 bis 5 dargestellten vier anderen Möglichkeiten, durch Verdrehen der Kalibriereinheit KE jeweils unterschiedliche Kalibrierstandards für die Verifikation an die Meßtore des Netzwerkanalysators anzuschließen, entstehen durch Spiegelung der Kalibrieranschlüsse A bis D und Verdrehen um die Spiegelachse S (angedeutet durch die Verdrehpfeile S') sowie anschließendes Vertauschen der Anschlüsse eines der Anschlußpaare. In 2 wird die Kalibriereinheit aus der Stellung K in die Stellung V umgedreht und die Anschlüsse D und C werden vertauscht. Im Ausführungsbeispiel nach 3 werden nach dem Umdrehen nur die Anschlüsse A und B vertauscht. In den 4 und 5 werden nach dem Verdrehen einmal die Anschlüsse D und B und das andere mal die Anschlüsse A und C vertauscht, wie dies jeweils durch die Doppelpfeile angedeutet ist. Die Kabelanschlüsse mit dem Netzwerkanalysator angedeutet durch die Bezugsziffern 1 bis 4 bleiben dabei weitgehend unverändert.
Eine besonders geeignete Anordnung zeigt 5, Details hiervon sind in den 6 und 7 dargestellt. Die Kalibriereinheit besteht in diesem Ausführungsbeispiel nach den 6 und 7 aus einem rechteckigen Gehäuse E, wobei in der Stellung nach 6 die beiden Anschlüsse A und C auf der linken Seite und die beiden Anschlüsse B und D auf der rechten Seite seitlich abstehen. Auf der Oberseite in der Stellung nach 6 trägt das Gehäuse E die Beschriftung "Kalibration" und die Anschlüsse A bis D sind auf der Oberseite mit 1, 2, 3 und 4 in der dargestellten Kabel-Zuordnung, wie sie auch in 5 benutzt ist, beschriftet.
Zur Verifikation wird die Kalibriereinheit KE aus der Stellung nach 6 in die Stellung nach 7 umgedreht, so daß die Rückseite oben zu liegen kommt. Auf der ursprünglichen Rückseite ist die Kalibriereinheit mit "Verifikation" und wiederum mit den Bezugsziffern 1 bis 4 für den Anschluß der zugeordneten Verbindungskabel beschriftet, wobei in dieser umgedrehten Stellung nunmehr die Anschlüsse A und C auf der rechten Seite und die Anschlüsse B und D auf der linken Seite des Gehäuses E abstehen.
Durch die Beschriftung auf der Vorder- und Rückseite der Kalibriereinheit KE kann der Benutzer fehlerfrei von Kalibrierung auf Verifikation umbauen. Es ist lediglich erforderlich, sämtliche Anschlüsse A bis D zu lösen, die Kalibriereinheit umzudrehen und dann die Kabel wieder neu in der beschrifteten Reihenfolge anzuschließen, wobei im Beispiel an der linken Seite die Anschlüsse gleich bleiben und auf der rechten Seite die Anschlüsse vertauscht werden. Das Vertauschen der Anschlüsse kann auch auf der linken Seite erfolgen, wobei dann rechts die Anschlüsse unvertauscht bleiben. Auch hierbei bleiben die Verbindungskabel zwischen Netzwerkanalysator und Kalibriereinheit im wesentlichen gleich, so daß keine Meßfehler auch bei höheren Frequenzen in Folge Änderung der Biegeradien der Kabel und deren wirksamen Länge zu befürchten sind.
Zur Verifikation müssen nicht sämtliche Kalibrierstandards angeschaltet werden, je nach späterer Meßaufgabe des VNA genügt es oftmals, nur einige der OSMT-Standards anzuschalten, beispielsweise nur Reflexions-Standards ohne Druckverbindungen. Der letztgenannte Sonderfall würde für die Wahl der Permutation zusätzliche Freiheitsgrade bringen. Das Vertauschen der Anschlüsse A und C in 5 könnte beispielsweise entfallen, da keine Rücksicht auf die Through-Verbindungen genommen werden muss.

Claims

Verfahren zur Verifikation der Kalibrierung eines Mehrtor-Netzwerkanalysators (VNA) durch Messen der Transmissions- und/oder Reflexions-Koeffizienten mehrerer an die Meßtore (1-4) des Netzwerkanalysators angeschalteter Verifikations-Standards (V), wobei zur Kalibrierung eine Kalibriereinheit (KE) benutzt wird, die eine der Anzahl der Meßtore des Netzwerkanalysators (VNA) entsprechende Anzahl von Kalibriertoren (A, B, C, D) aufweist, an denen jeweils unterschiedliche Kalibrierstandards, insbesondere Lehrlauf-, Kurzschluß-, Anpassungs- bzw. Durchverbindungs-Standards angeschlossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Verifikations-Standards (V) die vorher zur Kalibrierung benutzten Kalibrierstandards (K) der Kalibriereinheit (KE) verwendet werden und bei der Verifikation die Verbindungen der Kalibriertore der Kalibriereinheit (KE) mit den Meßtoren des Netzwerkanalysators (VNA) derart vertauscht werden, daß an jedem Meßtor des Netzwerkanalysators (VNA) jeweils ein anderer Kalibrierstandard der Kalibriereinheit (KE) als bei der vorausgehenden Kalibrierung angeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 für einen Viertor-Netzwerkanalysator (VNA), bei dem zum Kalibrieren eine Kalibriereinheit (KE) mit vier seitlich von einem die Kalibrierstandards aufnehmenden Gehäuse (E) abstehenden Kalibriertoren benutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vertauschen der Verbindungen der Kalibriertore mit den Meßtoren bei der Verifikation das Gehäuse (E) mit den davon abstehenden Kalibriertoren nur verdreht wird.
Kalibriereinheit insbesondere zum Ausführen eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Gehäuse (E), an dem eine der Anzahl der Meßtore (1-4) des Netzwerkanalysators (VNA) entsprechende Anzahl von Kalibriertor-Anschlüssen (A, B, C, D) seitlich abstehen, an denen im Inneren des Gehäuses (E) angeordnete Kalibrierstandards über Schaltelemente nach einem vorgegebenen Steuerprogramm an- und abschaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Außenseite des Gehäuses (E) in Zuordnung zu den davon seitlich abstehenden Kalibriertor-Anschlüssen Beschriftungen für den Anschluß der Verbindungskabel des Netzwerkanalysators (VNA) mit den Kalibriertor-Anschlüssen wahlweise für Kalibrierung (K) oder Verifikation (V) angebracht sind.
Kalibriereinheit nach Anspruch 3 für einen Viertor-Netzwerkanalysator, dadurch gekennzeichnet, daß am Gehäuse (E) auf entgegengesetzten Seiten seitlich jeweils zwei Kalibriertor-Anschlüsse (A, C bzw. B, D) abstehen und zur Kalibrierung das Gehäuse (E) mit seiner Oberseite nach oben abgestellt wird und die auf der linken Seite abstehenden beiden Anschlüsse (A, C) mit einem ersten Kabelpaar (1, 3) des Netzwerkanalysators (VNA) und die auf der rechten Seite abstehenden beiden Anschlüsse (B, D) mit einem zweiten Kabelpaar (2, 4) des Netzwerkanalysators (VNA) verbunden sind (6) während zur Verifikation das Gehäuse (E) umgedreht und mit seiner Oberseite nach unten abgestellt wird und die dann auf der linken Seite abstehenden beiden Anschlüsse (B, D) mit dem ersten Kabelpaar (1, 3) des Netzwerkanalysators (VNA) und die dann auf der rechten Seite abstehenden beiden Anschlüsse (A, C) mit dem zweiten Kabelpaar (2, 4) des Netzwerkanalysators (VNA) verbunden sind und dabei das erste (1, 3) oder zweite (2, 4) Kabelpaar vertauscht wird (7).