DE19903573C2

DE19903573C2 - Verfahren zum Korrigieren von Reflexionsmessungen eines zu testenden reziproken Elements bei einem Vektornetzwerkanalysator

Info

Publication number: DE19903573C2
Application number: DE19903573A
Authority: DE
Inventors: David V Blackham; Jason Chodora; Joel P Dunsmore
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1998-04-24
Filing date: 1999-01-29
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2019-01-30
Also published as: GB2336686B; GB9908189D0; GB2336686A; US6060888A; JPH11326413A; DE19903573A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vektornetzwerk analysatoren und insbesondere auf ein Verfahren zum Korri gieren von Fehlern in Reflexionsmessungen von reziproken Elementen, die durch Impedanzfehlanpassungen in einem Test set eines Vektornetzwerkanalysators bewirkt werden.

Vektornetzwerkanalysatoren (VNA; VNA = Vector Network Analyzer), die Hochfrequenztransmission/reflexion-(T/R)- Testsets umfassen, werden verwendet, um die Transmissions- und Reflexionscharakteristika verschiedener zu testender Elemente (DUT; DUT = Device Under Test) zu bestimmen. Die Meßgenauigkeit eines VNA verbessert sich im allgemeinen, wenn die Impedanzen eines Quellentors und eines Lasttors des T/R-Testsets enger an eine vorbestimmte charakteristische Impedanz angepaßt sind. Ungünstigerweise bewirken Begren zungen der elektronischen Hardware, die in dem T/R-Testset verwendet wird, Impedanzfehlanpassungen an dem Quellen- und dem Lasttor, die die Meßgenauigkeit verringern und die Meß unsicherheit erhöhen. Ein Meßfehler entsteht während Re flexionsmessungen eines Mehrtor-DUT. Wenn beispielsweise das Ausgangstor eines Zweitor-DUT mit dem Lasttor des T/R-Test sets verbunden ist, ist der gemessene Reflexionskoeffizient eine Funktion sowohl der Reflexionscharakteristika des DUT als auch der Impedanz des Lasttors des T/R-Testsets. Wenn die Fehlanpassung zwischen der Lasttorimpedanz und der vor bestimmten charakteristischen Impedanz zunimmt, nimmt auch der Fehler bei der Reflexionsmessung zu. Dieser Reflexions meßfehler fällt am meisten für DUT, wie z. B. Kabel oder Filter, auf, die einen geringen Einfügungsverlust aufweisen und Reflexionen von dem Lasttor des VNA nicht absorbieren.

Ein erstes bekanntes Verfahren zum Reduzieren der Re flexionsmeßfehler in einem VNA beruht auf einer vollständi gen Zweitorcharakterisierung des DUT, die sowohl Vorwärts- als auch Rückwärtstransmissions- und -Reflexionsmessungen aufweist. Basierend auf dieser Zweitorcharakterisierung kann eine Vielzahl bekannter Vektorfehlerkorrekturtechniken ver wendet werden, um die Reflexionsmeßfehler mathematisch zu korrigieren. Um die bekannten Vektorfehlerkorrekturtechniken bei Verwenden eines T/R-Testsets anzuwenden, müssen die Ver bindungstore des DUT jedoch relativ zu dem Quellen- und dem Lasttor physisch umgekehrt werden, um die vollständige Zwei torcharakterisierung des DUT zu erhalten. Das Umkehren der Verbindungstore ist zeitaufwendig und stört den Betrieb des DUT. Ein zweites bekanntes Verfahren zum Reduzieren der Re flexionsmeßfehler weist das Verbinden einer angepaßten Last an das Ausgangstor des DUT auf, bevor die Reflexionsmessung durchgeführt wird. Die Verwendung der angepaßten Last ist ebenfalls zeitaufwendig und stört den Betrieb des DUT. Falls die Reflexionsmeßfehler aufgrund der Impedanzfehlanpassungen nicht korrigiert werden, um die Meßzeit und die Störungen auf das DUT zu reduzieren, wird die Reflexionsmeßgenauigkeit geopfert.

Aus der DE 197 23 087 A1 ist ein Fehlerkorrekturverfahren für Transmissionsmessungen in Vektornetzwerkanalysatoren be kannt, bei dem eine Reflexionsmessung zur Erfassung der Im pedanzanpassung eines Lasttores und einer Reflexionskali brierung eines Quellentores durchgeführt wird. Eine Reflex ionsmessung, die mit eingeschaltetem Meßobjekt zwischen Quellentor und Lasttor durchgeführt wird, liefert den Ein gangsreflexionskoeffizienten des Meßobjekts. Aufgrund dieser Messung und der erfaßten Charakteristik des Quellentores wird ein die Eingangsfehlanpassung des Meßobjektes beschrei bender Fehler korrigiert.

Aus der DE 38 21 575 A1 ist eine Anordnung zur Bestimmung des Ersatzschaltbildes von Bauelementen, die durch ein Zwei torelement oder ein Eintorelement dargestellt werden, bekannt. Es werden die Parameter der Streumatrix des Zweitor elementes bzw. der Reflexionsfaktor eines Eintorelementes gemessen, wobei das Meßergebnis durch Einbeziehung von Zwei torparametern der Verbindungsglieder korrigiert wird und ein Ersatzschaltbild aus dem korrigierten Meßergebnis berechnet wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zum Korrigieren von Reflexionsmes sungen eines zu testenden reziproken Elements zu schaffen, um die Meßgeschwindigkeit eines Vektoranalysators zu erhö hen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 ge löst.

Eine breite Klasse von Elementen, wie z. B. Filter, Schal ter, Kabel, Koppler, Dämpfungsglieder und andere passive Elemente, die von Vektornetzwerkanalysatoren (VNA) getestet werden, sind reziprok, d. h. sie weisen einen Vorwärtstrans missionskoeffizient S21 und einen Rückwärtstransmissions koeffizient S12 auf, die gleich sind. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbessert ein Fehlerkorrekturverfahren die Meßgenauigkeit eines Vek tornetzwerkanalysators durch Reduzieren der Reflexionsmeß fehler für reziproke Elemente. Die Fehler aufgrund von Im pedanzfehlanpassungen an dem Lasttor eines Transmission/Re flexion-(T/R)-Testsets werden korrigiert, ohne die Meßge schwindigkeit des VNA zu beeinflussen. Sobald das Quellentor des T/R-Testsets kalibriert ist, wird eine Reflexionsmessung durchgeführt, während ein Impedanz-angepaßtes Durchgangs normal einer bekannten elektrischen Länge zwischen das Quel lentor und das Lasttor des T/R-Testsets geschaltet ist. Die Reflexionsmessung wird bezüglich der elektrischen Länge des Durchgangsnormals korrigiert, um eine Reflexionsmessung des Lasttors des T/R-Testsets zu erhalten. Daraufhin werden die Transmissions- und Reflexionscharakteristika des DUT gemes sen. Die Reziprozität des DUT und die Reflexionsmessung des Lasttors werden verwendet, um den tatsächlichen Eingangsre flexionskoeffizienten des DUT zu extrahieren.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Flußgraphen eines T/R-Testsets der zum Kali brieren des Quellentors des T/R-Testsets gemäß dem Fehlerkorrekturverfahren, das gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ge staltet ist, verwendet wird;

Fig. 2 einen Flußgraphen eines T/R-Testsets, der ein Durchgangsnormal aufweist, das mit dem Fehlerkor rekturverfahren, das gemäß dem bevorzugten Aus führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung auf gestaltet ist, verwendet wird;

Fig. 3 einen Flußgraphen eines T/R-Testsets der ein zu testendes Element aufweist, das mit dem Fehler korrekturverfahren, das gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gestal tet ist, verwendet wird;

Fig. 4 ein Flußdiagramm des Fehlerkorrekturverfahrens, das gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung gestaltet ist; und

Fig. 5 eine Reflexionsmessung, die das Fehlerkorrekturver fahren verwendet, das gemäß dem bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gestaltet ist.

Fig. 1-3 zeigen Flußgraphen eines Transmission/Reflexion- Testsets (T/R-Testsets) zur Verwendung mit dem Fehlerkorrek turverfahren, das gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gestaltet ist. Das T/R-Testset wird mit einem Vektornetzwerkanalysator (VNA) verwendet, um ein zu testendes Element (DUT) zu charakterisieren. Impe danzfehlanpassungen an dem Quellentor 1 und dem Lasttor 2 des T/R-Testsets führen eine Meßunsicherheit bei den Mes sungen des DUT ein. Diese Meßunsicherheit vermindert, falls dieselbe nicht korrigiert oder kompensiert wird, die Ge nauigkeit der Messungen, die von dem VNA durchgeführt wer den. Fig. 1 zeigt einen Flußgraphen eines Transmission/Re flexion-Testsets (T/R-Testset), der zum Kalibrieren des Quellentors 1 des T/R-Testsets gemäß dem bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Das T/R-Testset versetzt den VNA in die Lage, Vektormessungen durchzuführen, die eine Betrag- und Phasenmessung eines Vor wärtstransmissionskoeffizienten S₂₁ und eines Reflexions koeffizienten S₁₁ eines DUT umfassen. Bei dem T/R-Testset des VNA überträgt ein Quellentor 1 Signale a₁ und empfängt Signale b₁, und ein Lasttor 2 empfängt Signale b₂. Die Kalibrierung des Quellentors 1 des VNA wird durch Durch führen einer Reflexionsmessung mit jedem von drei Kalibrie rungsnormalen, z. B. einem Leerlauf-, einem Kurzschluß- und einem Angepaßte-Last-Kalibrierungsnormal, die mit dem Quellentor 1 verbunden sind, durchgeführt. Die tatsächliche Quellenanpassung Γ_s wird aus den Reflexionsmessungen der Kalibrierungsnormale gemäß der Beziehung, die von dem Fluß graphen von Fig. 1 bestimmt wird, extrahiert, wobei gilt:

Hierbei sind D die Richtwirkung (oder "Directivity") des Quellentors 1, T_R der Reflexionsnachlauf (oder "Reflection Tracking") des Quellentors 1, Γ_A der tatsächliche Re flexionskoeffizient des speziellen verwendeten Kalibrie rungsnormals und Γ_M der gemessene Reflexionskoeffizient des Quellentors 1, der die Auswirkungen von D, T_R und der Quel lenanpassung Γ_S aufweist. Die drei Beiträge zu dem Fehler in dem gemessenen Reflexionskoeffizienten Γ_M sind die Richtwir kung D, der Reflexionsnachlauf T_R und die Quellenanpassung Γ_S. Diese Fehlerbeiträge sind als ein Ergebnis von Re flexionsmessungen der drei Kalibrierungsnormale charakte risiert. Die drei Kalibrierungsnormale, wie z. B. das Leer laufnormal, das Kurzschlußnormal und das Angepaßte-Last-Nor mal, weisen jeweils einen bekannten Reflexionskoeffizienten Γ_A auf, der eindeutig für das spezielle Kalibrierungsnormal ist. Unter Verwendung des Ausdrucks für Γ_M wird eine Re flexionsmessung für jedes der Kalibrierungsnormale durchge führt. Basierend auf diesen Messungen werden drei Gleichun gen erhalten und verwendet, um die Fehlerbeiträge zu be rechnen. Die Auswirkungen der drei Fehlerbeiträge werden kompensiert, wenn nachfolgende Reflexionsmessungen unter Verwendung des T/R-Testsets durchgeführt werden.

Fig. 2 zeigt einen Flußgraphen eines T/R-Testsets, der ein Durchgangsnormal aufweist, das mit dem Fehlerkorrektur verfahren, das gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gestaltet ist, verwendet wird. Die Impedanzanpassung des Lasttors 2 oder die Lastanpassung Γ_L wird durch Schalten eines Durchgangsnormals zwischen das Quellentor 1 und das Lasttor 2 des T/R-Testsets kalibriert. Die elektrische Länge des Durchgangsnormals ist bekannt. Ei ne Reflexionsmessung wird durchgeführt, und die Reflexions messung Γ_LM wird für die elektrische Länge Bl des Durch gangsnormals korrigiert, um die Lastanpassung Γ_L gemäß der Beziehung, die von dem Flußgraphen von Fig. 2 bestimmt ist, zu erhalten:

Γ_L = Γ_LM/e^-j2Bl

Wenn das Quellentor 1 und das Lasttor 2 direkt aneinander "anstoßen", ist die elektrische Länge Bl Null, und die Last anpassung Γ_L wird direkt gemessen. Wenn das Quellentor 1 und das Lasttor 2 nicht direkt aneinander "anstoßen", wird ein Durchgangsnormal der endlichen elektrischen Länge Bl verwen det. Das Durchgangsnormal wird ausgewählt, um eine Anpassung aufzuweisen, die zumindest 10 dB besser ist als die Anpas sung des DUT, um die Genauigkeit der Reflexionsmessung des DUT nicht negativ zu beeinflussen. Die Genauigkeit der Re flexionsmessungen wird ferner durch Durchführen einer zu sätzlichen Eintorkalibrierung verbessert, während das Durch gangsnormal mit dem Quellentor 1 verbunden ist. Dies ermög licht eine direkte Messung der Lastanpassung, während eine Kompensierung sowohl der Fehlanpassung als auch der Verzöge rung des Durchgangsnormals vorgesehen ist.

Fig. 3 zeigt einen Flußgraphen des T/R-Testsets der ein DUT aufweist, der gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird, um einen gemessenen Reflexionskoeffizienten S_11M des DUT zu beurteilen. Der ge messene Transmissionskoeffizient S_11M ist eine Funktion der S-Parameter S₁₁, S₂₂, S₂₁ und S₁₂ des DUT sowie der Last anpassung Γ_L. Der gemessene Reflexionskoeffizient S_11M wird von dem Flußgraphen von Fig. 3 abgeleitet und ergibt sich zu:

Da das DUT ein reziprokes Element ist, sind der Vorwärts transmissionskoeffizient S₂₁ und der Rückwärtstransmissions koeffizient S₁₂ gleich. Unter der Annahme, daß das Produkt S₂₂Γ_L klein ist, wird der Reflexionskoeffizient S₁₁ aus dem gemessenen Reflexionskoeffizienten S_11M extrahiert und es ergibt sich:

S₁₁ = S_11M - S₂₁ ²Γ_L

Der Vorwärtstransmissionskoeffizient S₂₁ kann unter Verwen dung einer Vielzahl bekannter Messungstechniken oder alter nativ unter Verwendung des "Error Correction Method For Transmission Measurements In Vector Network Analyzers" be stimmt werden, das in dem am 1. Juli 1996 eingereichten U.S.-Patent Nr. 5,748,000 offenbart ist. Da das T/R-Testset nicht auf einer vollständigen Zweitorkalibrierung des DUT beruht, verbleibt der Term S₂₂Γ_L als ein Restfehlerterm, wohingegen der Term S₂₁ ²Γ_L korrigiert ist.

Fig. 4 ist ein Flußdiagramm 100 des Fehlerkorrekturverfah rens für Reflexionsmessungen von reziproken Elementen, das gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gestaltet ist. Bei einem Schritt 101 wird eine Reflexionskalibrierung unter Verwendung der Kalibrierungs normale, die mit dem Quellentor 1 verbunden sind, durchge führt. Bei einem Schritt 103 wird eine Reflexionsmessung durchgeführt, während ein Durchgangsnormal zwischen das Quellentor 1 und das Lasttor 2 des T/R-Testsets geschaltet ist. Bei einem Schritt 105 wird die Reflexionsmessung bezüg lich der elektrischen Länge des Durchgangsnormals korri giert, um den Lastreflexionskoeffizienten Γ_L zu erhalten. Bei einem Schritt 107 werden die Vorwärtsreflexionscharak teristika und Vorwärtstransmissionscharakteristika gemessen, wobei das DUT zwischen das Quellentor 1 und das Lasttor 2 geschaltet ist. Der Reflexionskoeffzient S₁₁ wird daraufhin aus den Messungen der Schritte 103 und 107 extrahiert.

Fig. 5 zeigt eine Reflexionsmessung, die das Fehlerkorrek turverfahren, das gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gestaltet ist, verwendet. Der Betrag des Reflexionskoeffizienten S₁₁, der unter Verwendung des Fehlerkorrekturverfahrens extrahiert ist, ist im Ver gleich zu einer Reflexionsmessung, bei der das DUT unter Verwendung einer angepaßten Last anstatt des Lasttors 2 abgeschlossen ist, gezeigt. Ferner ist eine Reflexionsmes sung gezeigt, bei der das DUT durch das Lasttor 2 abge schlossen ist, wobei die Messung jedoch bezüglich der Last anpassung Γ_L des Lasttors 2 des T/R-Testsets nicht korri giert ist.

Das Fehlerkorrekturverfahren reduziert die Auswirkungen der Impedanzfehlanpassungen bei einem T/R-Testset und verbessert die Genauigkeit der Transmissionsmessungen, die von Vektor netzwerkanalysatoren durchgeführt werden, ohne die Meßge schwindigkeit zu verringern. Das Fehlerkorrekturverfahren kann softwaremäßig intern oder extern bezüglich des VNA und des T/R-Testsets oder in der VNA-internen Firmware implemen tiert sein.

Claims

1. Verfahren (100) zum Korrigieren von Reflexionsmessun gen eines zu testenden reziproken Elements bei einem Vektornetzwerkanalysator, der ein Quellentor und ein Lasttor (2) aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Durchführen einer Reflexionskalibrierung des Quellen tors (101);
Durchführen einer Reflexionsmessung mit einem ange paßten Durchgangsnormal, das eine vorbestimmte elek trische Länge aufweist und zwischen das Quellentor und das Lasttor (103) geschaltet ist;
Korrigieren der Reflexionsmessung gemäß der elek trischen Länge des Durchgangsnormals, um einen ersten Reflexionskoeffizienten des Lasttors (105) zu extra hieren;
Messen eines Transmissionskoeffizienten und eines zweiten Reflexionskoeffizienten, wenn das zu testende reziproke Element zwischen das Quellentor und das Lasttor (107) geschaltet ist; und
Korrigieren des zweiten Reflexionskoeffizienten gemäß der Reflexionskalibrierung des Quellentors und des Reflexionskoeffizienten des Lasttors (109).

2. Verfahren (100) gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des Korrigierens des zweiten Reflexionskoeffizienten (109) das Subtrahieren des Produkts aus dem Quadrat des gemessenen Transmissionskoeffizienten und dem Lastreflexionskoeffizienten aufweist.

3. Verfahren (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schritt des Durchführens einer Reflexionskalibrierung des Quellentors (101) das Durchführen einer Re flexionsmessung mit einem Leerlaufkalibrierungsnormal, das Durchführen einer Reflexionsmessung mit einem Kurzschlußkalibrierungsnormal und das Durchführen einer Reflexionsmessung mit einem Angepaßte-Last-Kali brierungsnormal aufweist.