為什么插損少了一點點？網分校準方法比較
發布日期:2019-07-25
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在使用矢量網絡分析儀時，儀表測試端口與被測物之間常常會加入一些連接器件，如電纜、射頻轉接接頭等，同時儀表的端口在整個測試頻段范圍內不可能保證都是50Ohm，儀表內部不同信號通路的頻率響應會有差別，儀表內部耦合器的方向性也會有差異，種種差異累加起來會導致在使用網分測量時如果不進行任何修正，測量值與被測物的真實值會有比較大的偏差。因此我們需要通過一系列的過程得到能反映這些差異的修正系數，在實際測量時使用這些修正系數對測量值進行修正，得到被測物的真實值。求得這些修正系數的過程就是我們使用網分時最常做的一個動作，校準，或者叫誤差修正。
通過對網絡分析儀測量鏈路的分析可以建立測量過程中的誤差項模型，目前兩端口網分的最常用的誤差模型主要為十二誤差項模型與八誤差項模型（見圖1）。
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這兩種模型之間沒有本質區別，八誤差項模型相比十二誤差項模型忽略了網分收發通道之間的串擾（一般情況下串擾小于網分接收機底噪），同時對負載匹配與源匹配之間的區別另外進行了考慮。根據以上誤差項模型就可以列出由測量值計算出被測物真實值的方程。
如果誤差模型中各誤差項已知，那么可以通過測量值來計算出被測物的真實值，這就是校準后的測量過程。反而言之，如果被測物的真實S參數已知，那么可以列出以誤差模型中誤差項為未知數的方程，通過對多個已知S參數的被測物的測量可以形成方程組，從而得到誤差模型中的各誤差項。求得誤差項的過程就是網分的校準，校準時使用的已知S參數的被測物就是校準件。
從理論上來說，任何已知S參數的被測物都可以作為校準件使用，但是為了保證批量制造校準件的一致性以及盡量減小校準計算時的誤差，目前網絡分析儀校準一般都是使用Open、Short、Load和直通這幾個標準件來進行校準。開路、短路和負載校準件都有明確的定義，直通校準件則不同。我們常常把直通件的S參數定義為S11=S22=1，S21=S12=0，但是實際使用時往往將一個接頭適配器作為直通件使用，這時直通件會有一定的損耗和時延，前述的S參數定義就不適用了。根據校準時對直通校準件的不同處理方法，可以把校準方法分為分為SOLT（Short-Open-Load-Thru）與SOLR（Short-Open-Load-Reciprocal）兩種。
1）SOLT校準方法： 這種校準方法使用的直通校準件需要有明確的定義，或者通過某種變通的方法將直通校準件對測試的影響進行消除。對SOLT校準方法中對直通件的處理有以下幾種處理形式： a.Flush Through 這是對直通件最簡單但是也是最多被誤用的處理方法。這種處理方法將直通件定義為一個S11=S22=0，S21=S12=1的微波器件，如同我們對直通件最常用的定義。但是，該定義僅僅在測試射頻口為同種接頭的一公一母時才能得到正確的校準結果，否則會導致測量插損時幅度與相位都會與真實值之間出現差異。后文將詳細講述這些差異。 b.已定義直通件 這里將直通件看作一小段接頭回損極小的傳輸線，我們校準時充當直通件的適配器就符合這種處理方式。如果將這段傳輸線的時延以及損耗都進行定義，直通件的各項S參數也就隨之確定，由此可以計算得到準確的誤差項，并且在后續測試中得到準確的測試結果。 c.等同適配器替代 我們在進行校準時往往會使用一個公-公或者母-母的適配器作為直通件，為了在測試時去除這一轉接器在損耗和時延上的影響，可以另外再準備一個公-母的適配器，并且使這一適配器的時延與損耗與校準時使用的適配器完全一致。測試時在某一端口上將這個適配器加上就可以去除校準時使用適配器的影響。 這也是很多校準件中采用的方法。如某家校準件中就包含了三個適配器（公-公、母-母、公-母），這三個適配器具有相同的損耗和時延，可以在測試和校準中進行替代。 d.使用Adapter removal方法 當某一雙端口器件具有S21=S12這一特征時（對于適配器來說這一點必然成立），將該器件某一端口與已校準網分連接，在另一端口分別連接開路、短路及負載校準件的情況下測量某一端口的回損，這樣就可以得到該器件的S參數情況。Adapter Removal就是使用這樣的方法，在校準完成后將直通件測試所使用的適配器連接在某一端口上，然后再做一次單端口校準測試，得到適配器的S參數情況，由此可以算出準確的誤差項，從而在后續測試中得到準確測試結果。這種處理方法常常在兩端測試端口類型不一致時（如一端為同軸接口，另一端為波導口）采用。 SOLT校準對直通件處理的四種方案各有優缺點： Flush through處理是最簡單也最常被采用的，但是這一處理方法也是被使用者誤用最多的。使用者往往使用一個適配器作為flush through使用，這樣不僅會將適配器的損耗計入被測件的插損中，還會因為時延沒有考慮，使相位測量出現差錯，導致對網分的源匹配和負載匹配的估計出現錯誤，在測量較大插損器件時會出現比較大的誤差。
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圖3 忽略直通適配器損耗和時延后的測量結果
圖3為對一個濾波器進行測試的結果比較，其中青色曲線為將適配器作為flush through后的測量結果，棕色線為考慮適配器時延后的測量結果?？梢钥吹疆敳鍝p較大時測量結果中出現了明顯的紋波，兩條曲線插損最大的差別超過了2dB。
對于flush through的誤用在對濾波器、線纜等小插損器件進行測量時帶來的差錯足以影響被測物是否能達到所要求的限值。
已定義直通件以及等同適配器替代處理雖然能在插損測試時得到比較準確的結果，但是由于所使用的適配器阻抗不可能在測量全頻段內都做到絕對等于特征阻抗，因此在進行回損測試時會帶來較大誤差。
Adapter removal從理論上可以同時得到準確的插損和回損測量結果，但是使用這種方法時實際是在校準過程中增加了三次測量過程，多出的測量過程所帶來的誤差會累加到校準誤差中，最后使測量時的誤差增加。
總的來說，SOLT方法在理論上可以得到精確的校準結果，但實際操作時有可能帶入額外誤差。
2）SOLR校準方法： SOLR校準方法中把直通校準件作為unknown through來處理，即直接把直通校準件的S參數也作為方程的未知數來進行求解，這樣得到的結果將直通件的回損、損耗和時延都考慮進了誤差項的求解，從而保證在后續測量中能夠得到準確的測量結果。對于兩端測試接口不同的測試場景來說，這種方法幾乎是唯一能達到同時精確測量被測物全部S參數的方法。
在SOLR方法中對于直通件唯一的要求是互易，即S12=S21，大部分被動微波器件都滿足這個要求。出于對校準后測試準確度的考慮，還會要求直通件插損不要太大，一般來說插損不超過20dB就可以保證相當好的測試精度。 實際在進行SOLR校準時，是將直通件S11、S22和S21^2作為未知數，通過測試所得方程組來進行求解。由于最后計算S21時可能有兩個結果，兩者之間存在相位差，因此需要對直通件的時延進行估計。 由于SOLR在校準后可以直接得出直通件的S參數，因此常常將被測物當作直通件使用，這樣能夠更準確的進行測試，減少測量時多次連接帶來的誤差。 SOLR雖然在校準算法上比SOLT更加復雜，但是對于實際操作來說由于不需要對直通件參數有明確定義，因此降低了校準時對操作要求，現代的矢量網絡分析儀一般都推薦使用SOLR方法來進行校準。
回到本文開頭提到的我司SP809A型矢網與某品牌插損存在差異的問題，這一差異完全來自不同校準方法在實際操作中的不同，特別的來自對SOLT校準中flush through處理方法的誤用。當兩臺儀表采用同一校準方法后對一個全頻段插損在1～3dB的器件進行測量，可以看到全頻段插損測試差異在0.005dB到0.015dB之間（見圖4），可以認為這樣的差異來自兩臺儀表校準、測試連接過程中的帶來的正常誤差。
雖然對SOLT與SOLR兩種校準方法之間確實存在一定的差異，但實際使用中，只要兩種方法使用正確，那么對同一被測物進行測試都是可以得到一致的測試結果的。實際上，對于矢量網絡分析儀而言，由于校準過程是確定測試時儀表對測試準確度產生影響的誤差項的過程，在校準過程沒有錯誤，所使用校準件參數一致的情況下，都能做到在校準后準確測量被測物的S參數，儀表本身的差異以及測量通道、接口參數的影響都可以在校準中消除，這些影響只對測量的穩定性產生作用。所以單單比較兩臺網分對同一被測物測量結果的差異其實并不能反映出儀表的性能好壞。那么對于網分來說，應該從哪些方面來評判其性能呢？
我們認為對于網分來說，在頻率范圍與軟件功能滿足測試需求的前提下，以下幾個指標在評判性能時是需要特別注意的。首先是穩定性，如果網分內部參數隨時間有較大變化，校準所得到的誤差項就無法反映測試時的應有誤差，從而導致測試結果與實際結果的差異隨時間而改變，網分的測量結果隨時間產生漂移，校準好的儀表過一段時間就必須要重新校準。其次是動態范圍，它直接決定了網分的測量能力。對于某些高抑制比的器件，如濾波器等，動態范圍小的儀表要么根本無法測試，要么需要減小中頻帶寬來降低底噪，從而降低測試速度。最后是跡線噪聲，它反應的是每個頻點上的測試噪聲情況。減小中頻帶寬同樣能降低跡線噪聲，但同時也會降低測試速度。此外測試速度雖然不屬于網分測試性能的核心指標，，但是對于某些應用場景，特別是生產場景非常重要，直接關系到生產效率的高低。
我們公司推出的SP809A矢量網絡分析儀在以上這幾個方面都有突出的表現。這臺儀表10Hz中頻帶寬下的動態范圍超過135dB，能對抑制超過110dB的微波器件進行快速測量。同時它還具有高度的穩定性，S21在48小時內測試值漂移小于0.03dB。跡線噪聲水平也處于前列，傳輸跡線噪聲小于0.002dBrms。此外，這臺儀表的測試速度也極為突出，未校準情況下，100kHz中頻帶寬時201點掃描時間小于3.1ms。這臺儀表對于濾波器、射頻線纜、天線及多端口微波器件測試場景極為適用，能夠幫助客戶應對高強度測試環境的挑戰。
參考文獻： 1.Joel P. Dunsmore , Handbook of Microwave Component Measurements, Wiley publication 2.Ferrero, A. and Pisani, U. (1992) Two-port network analyzer calibration using an unknown ‘thru’. Microwave and Guided Wave Letters, IEEE, 2(12), 505–507 3.T. Reveyrand. Unknow Thru Calibration Algorithm, NVNA User’s Forum – INMMiC 2018 4.https://coppermountaintech.com/conducting-calibration-with-the-solr-unknown-thru-method/
通過對網絡分析儀測量鏈路的分析可以建立測量過程中的誤差項模型，目前兩端口網分的最常用的誤差模型主要為十二誤差項模型與八誤差項模型（見圖1）。
圖1 網絡分析儀校準誤差模型
（1）十二誤差項模型（前向）；（2）十二誤差項模型（后向）；（3）八誤差項模型
這兩種模型之間沒有本質區別，八誤差項模型相比十二誤差項模型忽略了網分收發通道之間的串擾（一般情況下串擾小于網分接收機底噪），同時對負載匹配與源匹配之間的區別另外進行了考慮。根據以上誤差項模型就可以列出由測量值計算出被測物真實值的方程。
如果誤差模型中各誤差項已知，那么可以通過測量值來計算出被測物的真實值，這就是校準后的測量過程。反而言之，如果被測物的真實S參數已知，那么可以列出以誤差模型中誤差項為未知數的方程，通過對多個已知S參數的被測物的測量可以形成方程組，從而得到誤差模型中的各誤差項。求得誤差項的過程就是網分的校準，校準時使用的已知S參數的被測物就是校準件。
從理論上來說，任何已知S參數的被測物都可以作為校準件使用，但是為了保證批量制造校準件的一致性以及盡量減小校準計算時的誤差，目前網絡分析儀校準一般都是使用Open、Short、Load和直通這幾個標準件來進行校準。開路、短路和負載校準件都有明確的定義，直通校準件則不同。我們常常把直通件的S參數定義為S11=S22=1，S21=S12=0，但是實際使用時往往將一個接頭適配器作為直通件使用，這時直通件會有一定的損耗和時延，前述的S參數定義就不適用了。根據校準時對直通校準件的不同處理方法，可以把校準方法分為分為SOLT（Short-Open-Load-Thru）與SOLR（Short-Open-Load-Reciprocal）兩種。
1）SOLT校準方法： 這種校準方法使用的直通校準件需要有明確的定義，或者通過某種變通的方法將直通校準件對測試的影響進行消除。對SOLT校準方法中對直通件的處理有以下幾種處理形式： a.Flush Through 這是對直通件最簡單但是也是最多被誤用的處理方法。這種處理方法將直通件定義為一個S11=S22=0，S21=S12=1的微波器件，如同我們對直通件最常用的定義。但是，該定義僅僅在測試射頻口為同種接頭的一公一母時才能得到正確的校準結果，否則會導致測量插損時幅度與相位都會與真實值之間出現差異。后文將詳細講述這些差異。 b.已定義直通件 這里將直通件看作一小段接頭回損極小的傳輸線，我們校準時充當直通件的適配器就符合這種處理方式。如果將這段傳輸線的時延以及損耗都進行定義，直通件的各項S參數也就隨之確定，由此可以計算得到準確的誤差項，并且在后續測試中得到準確的測試結果。 c.等同適配器替代 我們在進行校準時往往會使用一個公-公或者母-母的適配器作為直通件，為了在測試時去除這一轉接器在損耗和時延上的影響，可以另外再準備一個公-母的適配器，并且使這一適配器的時延與損耗與校準時使用的適配器完全一致。測試時在某一端口上將這個適配器加上就可以去除校準時使用適配器的影響。 這也是很多校準件中采用的方法。如某家校準件中就包含了三個適配器（公-公、母-母、公-母），這三個適配器具有相同的損耗和時延，可以在測試和校準中進行替代。 d.使用Adapter removal方法 當某一雙端口器件具有S21=S12這一特征時（對于適配器來說這一點必然成立），將該器件某一端口與已校準網分連接，在另一端口分別連接開路、短路及負載校準件的情況下測量某一端口的回損，這樣就可以得到該器件的S參數情況。Adapter Removal就是使用這樣的方法，在校準完成后將直通件測試所使用的適配器連接在某一端口上，然后再做一次單端口校準測試，得到適配器的S參數情況，由此可以算出準確的誤差項，從而在后續測試中得到準確測試結果。這種處理方法常常在兩端測試端口類型不一致時（如一端為同軸接口，另一端為波導口）采用。 SOLT校準對直通件處理的四種方案各有優缺點： Flush through處理是最簡單也最常被采用的，但是這一處理方法也是被使用者誤用最多的。使用者往往使用一個適配器作為flush through使用，這樣不僅會將適配器的損耗計入被測件的插損中，還會因為時延沒有考慮，使相位測量出現差錯，導致對網分的源匹配和負載匹配的估計出現錯誤，在測量較大插損器件時會出現比較大的誤差。
圖2 誤用flush through方案帶來的差別
圖2為將一個適配器當作flush through時產生的測量差錯。圖中跡線2為去除適配器影響后的測量結果，兩條曲線之間的差異就是適配器的損耗。跡線1中出現的紋波來自于對適配器時延的忽略。
圖3 忽略直通適配器損耗和時延后的測量結果
2）SOLR校準方法： SOLR校準方法中把直通校準件作為unknown through來處理，即直接把直通校準件的S參數也作為方程的未知數來進行求解，這樣得到的結果將直通件的回損、損耗和時延都考慮進了誤差項的求解，從而保證在后續測量中能夠得到準確的測量結果。對于兩端測試接口不同的測試場景來說，這種方法幾乎是唯一能達到同時精確測量被測物全部S參數的方法。
在SOLR方法中對于直通件唯一的要求是互易，即S12=S21，大部分被動微波器件都滿足這個要求。出于對校準后測試準確度的考慮，還會要求直通件插損不要太大，一般來說插損不超過20dB就可以保證相當好的測試精度。 實際在進行SOLR校準時，是將直通件S11、S22和S21^2作為未知數，通過測試所得方程組來進行求解。由于最后計算S21時可能有兩個結果，兩者之間存在相位差，因此需要對直通件的時延進行估計。 由于SOLR在校準后可以直接得出直通件的S參數，因此常常將被測物當作直通件使用，這樣能夠更準確的進行測試，減少測量時多次連接帶來的誤差。 SOLR雖然在校準算法上比SOLT更加復雜，但是對于實際操作來說由于不需要對直通件參數有明確定義，因此降低了校準時對操作要求，現代的矢量網絡分析儀一般都推薦使用SOLR方法來進行校準。
回到本文開頭提到的我司SP809A型矢網與某品牌插損存在差異的問題，這一差異完全來自不同校準方法在實際操作中的不同，特別的來自對SOLT校準中flush through處理方法的誤用。當兩臺儀表采用同一校準方法后對一個全頻段插損在1～3dB的器件進行測量，可以看到全頻段插損測試差異在0.005dB到0.015dB之間（見圖4），可以認為這樣的差異來自兩臺儀表校準、測試連接過程中的帶來的正常誤差。
圖4 SP809A與某品牌測量差異（100kHz～8.5GHz）
雖然對SOLT與SOLR兩種校準方法之間確實存在一定的差異，但實際使用中，只要兩種方法使用正確，那么對同一被測物進行測試都是可以得到一致的測試結果的。實際上，對于矢量網絡分析儀而言，由于校準過程是確定測試時儀表對測試準確度產生影響的誤差項的過程，在校準過程沒有錯誤，所使用校準件參數一致的情況下，都能做到在校準后準確測量被測物的S參數，儀表本身的差異以及測量通道、接口參數的影響都可以在校準中消除，這些影響只對測量的穩定性產生作用。所以單單比較兩臺網分對同一被測物測量結果的差異其實并不能反映出儀表的性能好壞。那么對于網分來說，應該從哪些方面來評判其性能呢？
我們認為對于網分來說，在頻率范圍與軟件功能滿足測試需求的前提下，以下幾個指標在評判性能時是需要特別注意的。首先是穩定性，如果網分內部參數隨時間有較大變化，校準所得到的誤差項就無法反映測試時的應有誤差，從而導致測試結果與實際結果的差異隨時間而改變，網分的測量結果隨時間產生漂移，校準好的儀表過一段時間就必須要重新校準。其次是動態范圍，它直接決定了網分的測量能力。對于某些高抑制比的器件，如濾波器等，動態范圍小的儀表要么根本無法測試，要么需要減小中頻帶寬來降低底噪，從而降低測試速度。最后是跡線噪聲，它反應的是每個頻點上的測試噪聲情況。減小中頻帶寬同樣能降低跡線噪聲，但同時也會降低測試速度。此外測試速度雖然不屬于網分測試性能的核心指標，，但是對于某些應用場景，特別是生產場景非常重要，直接關系到生產效率的高低。
我們公司推出的SP809A矢量網絡分析儀在以上這幾個方面都有突出的表現。這臺儀表10Hz中頻帶寬下的動態范圍超過135dB，能對抑制超過110dB的微波器件進行快速測量。同時它還具有高度的穩定性，S21在48小時內測試值漂移小于0.03dB。跡線噪聲水平也處于前列，傳輸跡線噪聲小于0.002dBrms。此外，這臺儀表的測試速度也極為突出，未校準情況下，100kHz中頻帶寬時201點掃描時間小于3.1ms。這臺儀表對于濾波器、射頻線纜、天線及多端口微波器件測試場景極為適用，能夠幫助客戶應對高強度測試環境的挑戰。
參考文獻： 1.Joel P. Dunsmore , Handbook of Microwave Component Measurements, Wiley publication 2.Ferrero, A. and Pisani, U. (1992) Two-port network analyzer calibration using an unknown ‘thru’. Microwave and Guided Wave Letters, IEEE, 2(12), 505–507 3.T. Reveyrand. Unknow Thru Calibration Algorithm, NVNA User’s Forum – INMMiC 2018 4.https://coppermountaintech.com/conducting-calibration-with-the-solr-unknown-thru-method/
5.Doug Rytting, Network Analyzer Error Models and Calibration Methods, http://www2.electron.frba.utn.edu.ar/~jcecconi/Bibliografia/04%20-%20Param_S_y_VNA/Network_Analyzer_Error_Models_and_Calibration_Methods.pdf
