矢量网络分析仪校准和验证的常见误区

为了庆祝这篇文章在国家工程技术数字图书馆的“中国科学引文索引（CSCI）数据库”中已被引用5次。特在此公众号中再版。

由于手机阅读属于“碎片阅读”，所以要精简，甚至能写出《三言二拍》的感觉，于是就有了尤老师和女神的对话。

在讲校准之前，先介绍一下网络分析仪的“系统误差模型”。如果你去看各种论文或书籍，都喜欢给你下面这张图，然后列一大堆公式，先把你搞晕，这个是传统的10项误差模型。也有文献叫12项误差模型，包含了2个isolation误差项，但是现代网分基本做得很好了，这个项可以忽略，故大部分都讲10项误差模型。

我们这是碎片时间阅读材料，就不讲这些复杂的方程组了！

我们就来看看下图的简化结构和误差模型吧，我们以测S21为例，实际测的是b2和a1的功率比b2-a1（为了方便，这里功率统一采用对数单位dBm），但是在图中可以看到，b2和a1是不能直接测到的，必须通过功分器在1端口的参考接收机通道测出a1’，然后在2端口的测量接收机通道测出b2’，因此（b2’-a1’）和（b2-a1）之间的差值，我们就定义为系统误差。

所谓校准，就是测量一组已知器件（即校准件或称标准件），根据仪器接收机实际测试的结果和已知校准件的特性比较，联列方程组，解出上述的误差项eij，从而为后续的测量提供修正。

 这里需要对校准件做进一步说明，在同轴系统中，校准件通常是开路、短路、匹配和直通，但是由于现实中无法实现理想的开路、短路、匹配和直通，因此需要正确的标定校准件的“特征数据(characteristicdata)”，例如开路应该表征为一个寄生电容和一段传输线；短路表征为寄生电感和一段传输线，匹配一般表征为一个理想50欧姆，现代网络分析仪也可以对匹配的不理想性进行表征。如下图所示。 一般在校准件的附带的存储设备里面，都以文件形式定义，现在高端的校准件一般都会配备一个优盘，里面存着这套校准件的特征数据（一般每套校准件都有自己的序列号），严格讲每套校准件要和自己配套的特征数据配合使用。对于低频的同轴校准件，其差异性不是很大，所以大部分商用网络分析仪都内置了常见型号的校准件“特征数据”的典型值（typical）。 对于直通校准件，必须精确的表征（或者说“告诉”网络分析仪）其插损和电长度，严格来讲还需要知道其S11和S22，但是目前网络分析的模型都是把直通当一个理想50欧姆的有损传输线来处理的。                           

现代网络分析仪普遍采用了2N接收机架构，例如2端口网络分析仪的接收机数目为4，即每个端口都有自己的参考接收机和测量接收机，因此共有7个独立的误差项（即7个未知数），这样就不需要预先知道Thru校准件的参数了，只要保证Thru校准件互易（Reciprocal），只需列7个方程就能把校准完成。并且同时可以精确的测试出Thru校准件的插损和电长度。

基本上所有网络分析仪都支持传统的TOSM（有些厂商叫作SOLT-Short Open LoadThrough），使用这种方法的前提是----必须正确的定义Through的特征特征参数，就是说校准件的参数文件中必须包含Through的参数，而且必须要使用这个特定的Through，不能用别的Through或者转接头代替。

TOSM校准之后，直接测量Through的结果就是校准件模型中对应的“特征数据”（即优盘里存储的数据），有一定的插损和相位。这一点是需要注意的，很多使用者一直有一个认识的误区，认为这时候的插损应该是0，相位也是0，这是不正确的。

对于UOSM校准，校准后直接测量Through校准件，这时网络分析仪就把Through直接当成一个被测件来处理，测到的插损和相位就是这个校准件实际的特性。

值得一提的是，UOSM校准非常适合两端为不同接头类型的器件的测试。例如一个被测件的输入是N型接头，输出是SMA接头。在测试这种器件时，可以在网分的一端使用N型电缆，另一端使用SMA型电缆，校准的时候，可以在N型接头这边使用N型的Open、Short、Match校准件校准，在SMA型接头这边使用SMA的Open、Short、Match校准件。在校准Through的时候，使用任意一个质量较好的N-SMA转接头即可，校准完之后，参考面就是电缆的N型接头和SMA型接头的末端。因此UOSM校准方法也可以用于测试一些接头适配器和射频电缆。

另外UOSM还有一个优点，假设两个人，分别用不同的Thru（不一定要是校准件级别的，只要是正常的转接头即可）去校准，当然Open、Short、Match是一样的，最终的校准结果是一致的，因为根本不需要“告诉”仪器Thur的特征参数，Thru可以是任何互易的转接头。

首先这里要强调，用校准件去验证，实际测试的结果不是“理想”参数，而是校准件“特征数据”。
因此直接测试Open，并不是在史密斯圆图最右端开路位置的一圈点，而是一个沿等驻波比圆，向源（generator）方向的一条曲线。这是因为如图3中的开路校准件实际上是一个寄生电容串联一段有损传输线，对于不同频率传输线引起的相移（包括损耗）是不一样的，因此聚在一起的数百个扫频点，每个点的频率是不一样的，相移各不相同，就显示成一个曲线了，如果看S11的相位，也不是0度，原因同上。
同理如果测试Short校准件的S11，看到的也是在史密斯圆图左端短路点附近，沿等驻波比圆，向源（generator）方向的一条线，曲线的长度和扫频范围有关。

至于Match，由于目前的网络分析仪一般把它当作理想50欧姆匹配来处理的。所以校准完再次接上Match校准件，其反射系数非常低，一般能达到-60dB左右，这个值可以理解为“有效系统数据”即补偿后的剩余误差。值得注意的是，对于Match会有一个特殊的所谓“记忆（re-recognition）”现象，也就是说用某套校准件校准，如果还是测刚刚校准用的那个Match，反射系数可以到-60dB左右，如果换任何其他一套校准件中的Match，都不可能达到-60dB，一般只能达到-30dB左右。这主要是因为，低频段的网络分析仪都把Match当作理想50欧姆，校准算法仅仅根据当前测试的这个Match的结果来补偿，而实际上每个Match的物理特性都是略有差别的，因此换上另外的Match就不可能达到-60dB左右的反射系数。当然理想的50欧姆也是不可能实现的，这也是影响测量不确定度的一个因素，目前商用网络分析仪在测试反射系数，特别是反射系数特别小的器件的时候（-25dB到-35dB），不确定度一般都能达到2-3dB。
因此有必要再次强调，任何匹配校准件真实的S11（反射系数）达不到－60dB，一般只有-30到-40dB左右。在校准时，系统将它当作理想的匹配，就得到了－60dB这样低的结果。
现代网络分析仪也支持用S参数包来定义校准件，如果采用S参数包文件定义，校准后再测量Open，Short和Match，测量的结果就和S参数定义包里面的数据完全一样。特别指出这时候在用刚刚校准用的Match校准件接上去，一般也就是-30dB左右（和定义Match的S参数包文件一模一样），不再会出现-60dB的“记忆效应”现象。值得注意的是，目前的商用校准件通常只是对Open、Short、Match使用S参数包，对Through还是使用有损传输线的模型。这主要是由于传输线模型已经能比较精确的描述其特性了，由于Through是2端口器件，必须是有S2P文件，而如果用了S2P文件，文件的参数必须和校准件的连接的方向有关，而实际中也不方便规定校准的时候Through的连接方向。

TOSM校准完之后，Through校准件不拿掉，直接测试S11或S22，此时测得的是有效负载匹配（可以当做接近理想50欧姆）串联一段有损传输线的结果，如下图所示，是在史密斯原图中心匹配点附近的一个小圆圈，随着频率的变化呈现一定的复数阻抗特性，逐步偏离50欧姆原点。由于Through校准件是当作理想50欧姆的有损传输线来处理的，没有考虑Through本身的S11反射，这个值换算成反射系数用dB表示仍然很小，一般网络分析仪在8GHz以下，仍然有-50dB左右。

当然，如果校准件采用的S参数包文件，这时候的试S11或S22一般也只能到-30dB左右。

 

TOSM校准在测量直通时，仍然要测试S11和S22，并对其补偿，因此校准之后，对当前使用的这个Through校准件也有所谓“记忆（re-recognition）”现象，此时换成另外任何一个Through之后，都不可能达到-50dB的回波损耗的，甚至仅仅把当前这个Through换一个方向连接，也达不到-50dB这个量级。

但是USOM对Through的S11和S22没有做测量和补偿，Through甚至是未知的，更没有把它描述为一个理想有损传输线，因此就没有所谓的“记忆（re-recognition）”现象。校准完之后，直接测试Through，其S11和S22就是这个Through本身的端口反射系数，一般在-30dB以下。但是这才是合理的，TOSM校准后的结果实际上是“记忆（re-recognition）”效应的结果，是过于理想化的仪器的剩余误差，不能反映校准件和系统的真实特性。

虽然UOSM校准之后，直接测试校准件的结果没有TOSM那么理想，但是UOSM才是更精确的校准方法，其结果更能真实的反映校准件的特性。

总而言之就是：UOSM校准以及S参数包定义的校准件模式，校准后直接用校准件验证的结果更接近真实情况，但是结果不是那么好看。  TOSM校准(并且在没有正确定义thru的情况下)以及理想的match校准件定义模式下，直接用校准件验证的结果过于理想，但是很讨人喜欢，具有一定迷惑性！

文章来源：通讯行业冷眼观点