矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在使用前需要進(jìn)行校準(zhǔn)，這是的事情，那為什么需要校準(zhǔn)呢？
圖1 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀架構(gòu)圖
圖1是一臺(tái)雙端口矢網(wǎng)的結(jié)構(gòu)框圖，對(duì)于器件的測(cè)量來(lái)說(shuō)需要給出的是矢網(wǎng)端口之間的參數(shù)表征，例如s11＝b1/a1，而矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀只能測(cè)量b1/a1。矢網(wǎng)的所有測(cè)量結(jié)果都是四個(gè)接收機(jī)之間的比值運(yùn)算，如何使b1/a1能夠準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為b1/a1，此過(guò)程即為校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)表明矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量精度很大程度上依賴于校準(zhǔn)(精度改善)的過(guò)程，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)可將矢網(wǎng)的誤差從校準(zhǔn)前的2%~80%轉(zhuǎn)變?yōu)?.1%~2%，因此只有當(dāng)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀被準(zhǔn)確地校準(zhǔn)之后，它才是非常精密的測(cè)量?jī)x表！
矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀誤差模型及校準(zhǔn)分析
系統(tǒng)誤差中的各項(xiàng)誤差都是矢量，一旦其矢量特征(幅度和相位)已知，這些誤差可以通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算從原始的測(cè)量結(jié)果中減去。
圖2 誤差矢量分析
如果某些被測(cè)件(校準(zhǔn)件)的實(shí)際特性已知，測(cè)量可以得到原始測(cè)量結(jié)果，此時(shí)可以通過(guò)運(yùn)算得到誤差矢量特征，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)之為校準(zhǔn)。
1. 誤差來(lái)源
網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試過(guò)程中的誤差主要分為三類(lèi)：系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和漂移誤差。
系統(tǒng)誤差是由于儀表內(nèi)部測(cè)試裝置的不理想引起的。它是可預(yù)知和重復(fù)出現(xiàn)的，一般情況下是不隨時(shí)間變化的，從而可以定量進(jìn)行描述，在測(cè)試之前可通過(guò)校準(zhǔn)消除系統(tǒng)誤差。
隨機(jī)誤差是不可預(yù)知的，因?yàn)樗噪S機(jī)形式存在，會(huì)隨時(shí)間變化，因此不能通過(guò)校準(zhǔn)消除。隨機(jī)誤差的主要來(lái)源為儀表內(nèi)部噪聲，例如，激勵(lì)源的相位噪聲、采樣噪聲、中頻接收機(jī)本底噪聲、開(kāi)關(guān)動(dòng)作重復(fù)性等。
漂移誤差是儀表校準(zhǔn)后測(cè)試裝置性能的漂移。漂移誤差主要是由于溫度變化造成，可通過(guò)進(jìn)一步校準(zhǔn)消除。校準(zhǔn)后儀表能夠保持穩(wěn)定精度的時(shí)間長(zhǎng)短取決于測(cè)量環(huán)境中儀表的漂移速度。
2. 誤差模型
我們可以將測(cè)量在的矢網(wǎng)端口與實(shí)際矢網(wǎng)測(cè)量端口之間的關(guān)系歸結(jié)為若干個(gè)誤差因子：
圖3 矢網(wǎng)端口與實(shí)際矢網(wǎng)測(cè)量端口間關(guān)系
edn，端口n方向性誤差epn，端口n失配誤差exmn，端口m與端口n之間泄漏etmn，端口m與端口n之間的頻率跟蹤(響應(yīng))，這里et11=a×b；et22=c×d；et21=a×d；et12=c×b此時(shí)在正向和反向激勵(lì)模式下，基本誤差模型就可轉(zhuǎn)換成如下常見(jiàn)的誤差網(wǎng)絡(luò)：
圖4 雙端口網(wǎng)絡(luò)測(cè)量信號(hào)流圖
(上圖：正向；下圖：反向)
如下所示，總共12項(xiàng)誤差因子，那這些誤差因子如何得到呢？
e：誤差因子d：方向性s：源端匹配l：負(fù)載端匹配x：隔離t：傳輸響應(yīng)r：反射響應(yīng)forward：正向(端口1激勵(lì))reverse：反向(端口2激勵(lì))sxxm：sxx參數(shù)(未經(jīng)校準(zhǔn))測(cè)量值可通過(guò)測(cè)量一些已知特性的器件，運(yùn)算得到誤差因子，下面以solt校準(zhǔn)為例。
步驟1，進(jìn)行了6次反射測(cè)量(每個(gè)端口各3次)；步驟2，進(jìn)行了4次測(cè)量(4個(gè)s參數(shù))，一共進(jìn)行了10項(xiàng)測(cè)量可以解得10個(gè)誤差因子；在端口上各加一個(gè)load，進(jìn)行一次傳輸測(cè)量，可得出2個(gè)隔離誤差因子(一般情況下會(huì)認(rèn)為矢網(wǎng)是隔離狀態(tài)，也很少會(huì)去做隔離校準(zhǔn))。至此，12項(xiàng)誤差矢量特征可*得出。
校準(zhǔn)方式
多年來(lái)，行業(yè)內(nèi)進(jìn)行了多種努力發(fā)展兩端口校準(zhǔn)技術(shù)和相應(yīng)的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件，以用于不同的測(cè)量。例如solt/lrl(trl)/lrm/ssst等等。各種校準(zhǔn)方法的比較如下：
1. soltsolt是校準(zhǔn)常用的方法，其需要用到4個(gè)校準(zhǔn)件(open、short、load、through)，進(jìn)行7次校準(zhǔn)測(cè)試操作。其中雙端口的隔離校準(zhǔn)只在測(cè)試高隔離(隔離器、開(kāi)關(guān))、大動(dòng)態(tài)范圍(濾器)器件時(shí)才用到。solt校準(zhǔn)方法有以下特點(diǎn)：
可以達(dá)到>32db的剩余方向性誤差通過(guò)開(kāi)路，短路，負(fù)載確定史密斯圓圖由負(fù)載確定特征阻抗常用于同軸線，也適用于高頻探針和在片測(cè)量通過(guò)采用滑動(dòng)負(fù)載可以提高方向性誤差指標(biāo)通過(guò)采用偏置短路替代開(kāi)路，可以用于波導(dǎo)通過(guò)采用三短路替代開(kāi)路和負(fù)載，可以提高適用頻段當(dāng)然solt也有包括open標(biāo)準(zhǔn)件的寄生電容的難以準(zhǔn)確定義；load校準(zhǔn)件的指標(biāo)對(duì)校準(zhǔn)的影響較大以及需要的校準(zhǔn)件數(shù)量較多等缺點(diǎn)。
圖5 安立公司機(jī)械校準(zhǔn)件系列， dc-110ghz
2.lrl(trl)
lrl校準(zhǔn)是目前可能達(dá)到的精密的校準(zhǔn)方法，傳統(tǒng)的機(jī)械校準(zhǔn)的校準(zhǔn)件參數(shù)不容易準(zhǔn)確確定，因?yàn)槎搪芳?huì)存在寄生電感，開(kāi)路件會(huì)存在寄生電容。而lrl校準(zhǔn)使用的是傳輸線器件，其參數(shù)更容易被定義，且校準(zhǔn)精度不*由校準(zhǔn)件決定。
當(dāng)微波波長(zhǎng)與傳輸線的電長(zhǎng)度比例為0,1/2,1,1(1/2)…時(shí)其表現(xiàn)出現(xiàn)重復(fù)，因此，lrl標(biāo)準(zhǔn)件中的兩條傳輸線的長(zhǎng)度差δl與頻率之間的關(guān)系需要符合下面的條件，才能得到較好的校準(zhǔn)結(jié)果：
20<360×??×???÷?????<160因此在寬頻段校準(zhǔn)應(yīng)用中l(wèi)rl需要多根不同長(zhǎng)度的傳輸線。
圖6 安立公司擁有業(yè)界頻率高達(dá)67ghz的v型多傳輸線校準(zhǔn)件
3.電子校準(zhǔn)件
矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀除可以使用傳統(tǒng)的機(jī)械校準(zhǔn)件進(jìn)行校準(zhǔn)外，還可以使用電子校準(zhǔn)件(autocal)。安立矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與電子校準(zhǔn)件間的通信控制采用串口接口。與機(jī)械校準(zhǔn)件相比，電子校準(zhǔn)件具有以下特點(diǎn)：
校準(zhǔn)過(guò)程簡(jiǎn)單，電子校準(zhǔn)件只需要和矢網(wǎng)連接一次，即可完成雙端口校準(zhǔn)所要求的測(cè)試項(xiàng)目。校準(zhǔn)速度快，利用電子校準(zhǔn)完成雙端口校準(zhǔn)只需要幾秒鐘時(shí)間，使整個(gè)測(cè)試過(guò)程的效率大大提高。校準(zhǔn)過(guò)程中不確定因素少，由于不需多次的連接過(guò)程，所以電子校準(zhǔn)受到誤操作影響概率會(huì)降低。總結(jié)
每當(dāng)校準(zhǔn)完成后，可以使用校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)件來(lái)檢驗(yàn)校準(zhǔn)的好壞。例如，使用短路器或開(kāi)路器，由于標(biāo)準(zhǔn)件有短(開(kāi))路面偏置，所以掃頻測(cè)量結(jié)果曲線會(huì)在史密斯圓圖上形成一段在外圈上的圓弧，使用矢網(wǎng)自動(dòng)參考面偏置功能，如果將此圓弧收攏至短(開(kāi))路點(diǎn)，可以大致判定此校準(zhǔn)是一個(gè)好的校準(zhǔn)。
圖7 矢網(wǎng)校準(zhǔn)檢驗(yàn)
當(dāng)然，也可以使用校準(zhǔn)件中的負(fù)載測(cè)量回波損耗，如果低于35db也可以認(rèn)為校準(zhǔn)是好的。但是注意，安立公司提供的校準(zhǔn)件中有兩個(gè)負(fù)載，判定時(shí)，不要使用校準(zhǔn)用的那個(gè)負(fù)載。