【网络分析仪08】一文掌握网络分析仪（VNA）校准

目录1. 网络分析仪校准概述1.1. 网络分析仪校准简介1.2. 网络分析仪校准目的2. 网络分析仪校准原理3. 网络分析仪校准方法3.1. SOLT校准3.1.1. SOLT校准准备3.1.2. SOLT校准步骤3.2. TRL校准3.3. 电子ECal校准4. 网络分析仪校准校验1. 网络分析仪校准概述1.1. 网络分析仪校准简介矢量网络分析仪VNA是射频工程师最常用的仪器之一。矢量网络分析仪在使用前需要进行校准这是众所周知的事情。图是一台双端口矢网的结构框图对于器件的测量来说需要给出的是矢网端口之间的参数表征例如S11B1/A1而矢量网络分析仪只能测量b1/a1。矢网的所有测量结果都是四个接收机之间的比值运算如何使b1/a1能够准确地转换为B1/A1此过程即为校准。实验表明矢量网络分析仪的测量精度很大程度上依赖于校准(精度改善)的过程经过校准可将矢网的误差从校准前的2%~80%转变为0.1%~2%因此只有当矢量网络分析仪被准确地校准之后它才是非常精密的测量仪表VNA 属于闭环测试系统借助信号源产生激励信号而接收机在相同频率下对被测件的响应信号进行处理。在实际测量中如果不进行校准各种误差的存在会严重影响测量结果的准确性。校准过程就如同为测量结果进行一次 “净化”通过测试标准件如开路、短路、负载来确定系统误差项的具体数值随后通过数学运算从原始测量结果中减去这些误差进而得到被测件的真实值。1.2. 网络分析仪校准目的网络分析仪校准的目的是消除测试的系统误差。校准过程就是通过测试标准件测试系统误差的过程根据校准消除误差项的不同网络分析仪校准主要分为频响校准和矢量校准。系统误差中的各项误差都是矢量一旦其矢量特征(幅度和相位)已知这些误差可以通过数学运算从原始的测量结果中减去。VNA 测量误差分为系统误差、漂移误差、随机误差三大类。误差类型定义 / 来源误差特性能否校准消除降低 / 消除方法系统误差SystematicVNA 仪器内部测试装置的系统响应 外部测试链路线缆、转接头、夹具引入的系统响应可重复、确定性、固定偏差可以执行用户校准SOLT/ECal 矢量误差修正漂移误差Drift温度变化导致测试装置特性漂移随时间 / 温度缓慢变化可重校准消除临时性重新校准把设备工作温度设定在允许范围中间值将漂移降到最低随机误差Random测试装置与仪器本身的不稳定设备噪声采样噪声、中频 IF 底噪、开关切换重复性、连接器接口重复性随机、不可预测、无规律无法通过校准消除提高信号源输出功率、减小中频 IF 带宽、多次扫频取平均2. 网络分析仪校准原理网络分析仪系统误差校准的原理主要是对标准件进行测试得到网络分析仪系统误差项的具体数值然后通过计算对被测件测试结果进行修正处理消除其中误差成份得到被测件真实值。消除误差项目的个数与测试的标准件数目相同。精准矢量网络分析仪二端口全参数测量采用12 项系统误差模型属于系统误差正是 SOLT 二端口双路径校准求解并消除的误差项。 模型分为正向 6 项激励在 Port1反向 6 项激励在 Port2合计 12 项。十二项误差模型描述的全部是系统误差确定性、可重复校准可以消除漂移误差温度、随机误差噪声不属于 12 项误差模型范畴方向误差项名称产生原因正向Port1 激励E₀₀方向性误差定向耦合器信号泄漏E₁₁源匹配误差Port1 源阻抗不匹配E₁₀E₀₁反射跟踪误差反射通道频率响应E₁₀E₃₂传输跟踪误差传输通道频率响应E₂₂负载匹配误差Port2 接收阻抗不匹配E₃₀隔离串扰误差信号直接泄漏不经过 DUT反向Port2 激励E₃₃方向性误差Port2 定向耦合器泄漏E₂₂源匹配误差Port2 源阻抗不匹配E₂₃E₃₂反射跟踪误差Port2 反射通道频响E₂₃E₀₁传输跟踪误差反向传输通道频响E₁₁负载匹配误差Port1 接收阻抗不匹配E₀₃隔离串扰误差Port2 激励直接泄漏至 Port1 接收机我们可以将测量在完美的矢网端口与实际矢网测量端口之间的关系归结为若干个误差因子此时在正向和反向激励模式下基本误差模型就可转换成如下常见的误差网络3. 网络分析仪校准方法网络分析仪VNA常用的3种校准方法SOLTTRLEcal。校准方法全称所需标准件核心原理优点缺点适用场景SOLTShort-Open-Load-Thru短路 - 开路 - 负载 - 直通4 件短路器 Short、开路器 Open、50Ω 负载 Load、直通 Thru采集 4 个标准件数据求解 12 项系统误差系数操作简单校准件便宜适配 N 型、SMA、3.5mm 等同轴接口对校准件精度要求高频率高于 26.5GHz 误差增大同轴器件测试实验室常规测试TRLThru-Reflect-Line直通 - 反射 - 延迟线3 件直通 Thru、反射 Reflect开路 / 短路、延迟线 Line利用传输线相位延迟提取误差系数仅需知道传输线特征阻抗与长度反射件无需精确电气参数精度很高适合波导、微带线、共面波导等非同轴结构需要制作专用传输线单根 Line 仅能覆盖约 8:1 频率范围非同轴平面电路、波导高精度测试ECalElectronic Calibration电子校准集成模块内部自带固态开关与内置标准件模块内部自动切换标准件一键自动完成校准速度快数秒完成重复性好自带温补适合批量测试硬件价格昂贵频率范围受模块限制产线大批量自动化测试、频繁更换测试链路场景3.1. SOLT校准SOLT Short-Open-Load-Thru短路 - 开路 - 负载 - 直通是二端口 VNA最经典、最常用的双路径校准方法基于 12 项系统误差模型通过 4 种机械标准件求解全部 12 个误差系数完成矢量误差修正一次性得到完整 4 个 S 参数S₁₁、S₂₁、S₁₂、S₂₂4 种校准标准件Short短路件端口短路获取反射基准实际存在寄生电感仪器模型自动补偿Open开路件端口开路获取反射基准存在边缘杂散电容仪器模型自动补偿Load负载常用 50Ω精密匹配负载几乎无反射用来标定匹配基准Thru直通件Port1 直接连接 Port2标定传输通路基准3.1.1. SOLT校准准备开机预热仪器预热 15–30 分钟达到热稳定降低温度漂移带来的误差。设置仪器参数配置频率起止范围、扫描点数、中频带宽、特性阻抗一般 50Ω。选择校准套件在仪器菜单选择和实物匹配的校准件型号选错会产生基准错误。接好线缆转接头测试所需延长线、转接头在校准前连接完毕纳入误差修正。3.1.2. SOLT校准步骤单端口校准只测反射参数全双端口校准可以测全套 4 项 S 参数求解 12 项误差模型。项目单端口校准1-Port Cal全双端口 SOLT 校准Full 2-Port Cal英文 / 全称1-Port CalibrationFull 2-Port SOLT Calibration校准对象只校一个端口Port1 或 Port2两个端口同时校所需标准件开路 Open、短路 Short、负载 Load3 件开路、短路、负载 直通 Thru4 件测得 S 参数仅反射参数 S11 或 S22全套 4 项S11、S21、S12、S22求解误差系数3 项系统误差方向性、源匹配、反射跟踪12 项系统误差模型操作步骤Open→Short→Load采集反射数据点 Done两端口各自反射校准 Thru 直通传输校准适用场景只需测反射如天线驻波 / VSWR、回波损耗需要完整 S 参数如滤波器插损、放大器全参数测量完整度低单端口反射高全双向传输 反射接线次数少较多需多次更换标准件校准后验证直通检查接直通件S21 幅度接近 0dB、相位接近 0°波动大代表连接不良负载检查接 50Ω 负载S11 在史密斯圆图汇聚在中心点回波损耗一般-40dB开路短路检查史密斯圆图开路点在右侧短路点在左侧负载点在中心3.2. TRL校准SOLT校准件是通用的校准方式但校准的精度基于每一个校准件的精确参数在诸如夹具测试晶片测试等应用实现SOLT校准件是不现实的或着不能获得这些校准件的精确参数。TRL校准能够克服SOLT校准的缺点TRL校准方法可下降校准对校准精确参数的依赖。采用TRL校准的缘由是由于在非同轴和高频率条件下要实现理想的匹配负载很是困难。TRL校准很是精确在大多数状况下比SOLT校准更精确。TRL校准是目前可能达到的最精密的校准方法传统的机械校准的校准件参数不容易精确确定因为短路件会存在寄生电感开路件会存在寄生电容。而LRL校准使用的是传输线器件其参数更容易被定义且校准精度不完全由校准件决定。当微波波长与传输线的电长度比例为0,1/2,1,1(1/2)…时其表现出现重复因此LRL标准件中的两条传输线的长度差ΔL与频率之间的关系需要符合下面的条件才能得到较好的校准结果TRL 属于二端口高精度 VNA 校准方法同样用于修正系统误差多用于非同轴测试。项目内容全称Thru-Reflect-Line 直通 - 反射 - 延迟线所需标准件3 个Thru 直通、Reflect 反射件、Line 延迟线3 个标准件Thru直通两个端口直接相连建立传输基准。Reflect反射件开路或者短路即可不需要知道它精确的反射系数只要求两端反射一致。Line延迟线一段已知长度、已知特征阻抗的传输线利用相位延迟求解误差系数。TRL校准步骤Thru直通测量Port1 与 Port2 用直通件相连采集直通的传输与反射数据。Reflect反射测量分别在 Port1、Port2 端口接反射件开路或短路采集两端口反射数据不需要知道反射件精确反射值。Line延迟线测量将 Port1、Port2 之间接入已知长度的延迟传输线采集传输与反射数据。计算误差系数VNA 利用 Thru 与 Line 之间的相位差求解二端口误差模型完成校准。3.3. 电子ECal校准ECal 电子校准模块内部集成固态开关与内置标准件连接 VNA 后一键自动完成校准无需手动更换机械校准件。项目内容优点1. 校准速度快数秒内完成2. 重复性好减少人工插拔接头引入误差3. 模块自带温度补偿抑制温漂影响4. 适合产线大批量自动化测试缺点1. 硬件模块采购价格昂贵2. 可用频率范围受 ECal 模块本身规格限制Ecal校准步骤仪器开机预热设置好频率、中频带宽等测试参数将 ECal 模块连接到 VNA 测试端口测试线缆提前接好在 VNA 菜单选择 ECal 校准一键启动模块内部自动切换内置标准件仪器采集数据求解 12 项系统误差校准完成可进行验证之后开始 DUT 测量4. 网络分析仪校准校验验证网络分析仪校准是否有效排查校准件、连接、线缆引入的误差保证 S 参数测量准确。项目方法一史密斯圆图收敛法方法二负载回波损耗法使用标准件短路件 / 开路件负载件50Ω操作校准完成后接标准件做扫频接负载件测量其回波损耗观测对象史密斯圆图上的外圈圆弧S11 回波损耗曲线判定依据用「端口面偏置端口延伸」功能把圆弧收拢到短路点 / 开路点回波损耗数值合格判据圆弧收敛至短路点 / 开路点 → 校准合格回波损耗 -35 dB→ 校准良好失效表现圆弧发散、偏移严重回波损耗偏高常见失效原因接头松动、校准件损坏、线缆问题接头污染 / 松动、校准件老化注意点需配合端口面偏置功能操作不可使用本次校准所用的负载自检须用备用负载短路 / 开路标准件扫频史密斯圆图上得到外圈圆弧使用端口面偏置功能圆弧收敛至短路 / 开路点代表校准合格。负载件回波损耗测试回波损耗-35dB 判定校准良好注意测试不可使用本次校准所用的负载。