ベクトルネットワークアナライザの誤差モデルとキャリブレーションに関する簡単な分析

先日、業界の同僚とベクトルネットワークアナライザの誤差モデルと校正プロセスについて議論しました。その内容を簡潔にまとめ、皆さんと共有したいと思います。ぜひ一緒に議論しましょう。

Yanetのエラーモデルは確かに理解しにくいものです。一般的に、Yanetの開発者やテスト技術の専門家だけが深く掘り下げて理解することができます。Yanetを使用してテストを行う前に、システムエラーのキャリブレーションが必要です。その目的は、テストデバイス自体によって生じるエラー項を補正し、DUTの真のSパラメータを取得することです。

システム誤差校正は、シングルポートシステム誤差校正とデュアルポートシステム誤差校正に分類できます。前者は主にシングルポートデバイスの反射係数とその派生パラメータをテストするために使用され、後者は主にデュアルポートデバイスの全Sパラメータとその派生パラメータをテストするために使用されます。

シングルポートシステムの誤差校正には、OSM（オープン/ショート/マッチ、OSL - オープン/ショート/ロードとも呼ばれる）と正規化校正が含まれます。OSM校正は完全なシングルポート校正であり、包括的なシングルポートテストに含まれる誤差項を補正できるため、シングルポートデバイスのテストにおいて最高の精度を実現します。反射正規化校正は非常に高速ですが、オープンまたはショートの単一の校正コンポーネントのみを使用すると、反射トラッキングの1つの誤差項しか解決できないため、精度が制限されます。

図1は、反射計の等価回路図である。反射係数を測定できる理由は、入射波と反射波を分離する方向性要素、すなわち方向性結合器（ほとんどの低周波ベクトルネットワークはVSWRブリッジを使用）が含まれているためである。

図1．反射率計の概略図

反射テストの基本的なプロセスは次のとおりです。励起源Sourceが信号a1を供給し、ベクトルネットワークポートの大部分はカプラを通過した後、DUTに出力されます。DUTによって反射された信号は測定受信機Measに到達します。さらに、カプラは理想的ではないため、そのアイソレーションも制限されており、励起信号a1の一部がカプラのアイソレーションチャネルを介してMeas.Receiverに直接供給されます。

つまり、測定受信機で受信される信号b3は、実際には3つの部分から構成されています。DUTによって直接反射された信号、テスト基準面での多重反射信号、およびカプラ絶縁チャネルを介して直接漏洩した信号です。

式を列挙する前に、図中の識別パラメータについて簡単に説明しましょう。カプラ自体は4つのポートを持っていますが、このモデルではカプラのいくつかのパラメータのみを考慮すると、ここでは3ポートデバイスと同等であり、ポートはport1、port2、port3となります。21カプラの透過係数Sを指します。31漏洩チャネルの伝送係数Sを指します。32結合チャネルの伝送係数を指します。

簡略化のため、まず上記の信号の流れ図を以下のように描いてみましょう。(ΓDUTは被測定デバイス（DUT）の実反射係数です。

図2. シングルポートテスト中の信号フロー図

bは信号の流れ図から直接得ることができる3表現:

簡略化後、反射係数の測定値は以下のとおりです。

上記の式から、反射係数測定には4つの誤差項Sが含まれていることがわかる。21、S32、S31、S。一般に（Sと呼ばれる）21· ス32) 反射跟追跡R(eflective tracking)、と呼ばれます31/(S21· ス32）は指向性であり、D（指向性）と略記され、Sはソースポート反射係数と呼ばれます。

簡略化すると、シングルポートテストでは実際にはR、D、Sの3つの誤差項が存在します。校正時には、オープン、ショート、マッチの3つの標準部品がそれぞれ使用されます。各標準部品は、3つの誤差項を一意に解くことができる方程式を取得し、測定結果を補正します。

2ポートテストの場合への拡張を容易にするために、4つのSパラメータeを含む等価2ポートネットワークであるエラー2ポートネットワークが導入されます。私、jR、D、Sとの対応する関係は次のとおりです。R=e01· え10、D=e00/R，S=e11.

ベクトルネットワークの各ポートは、等価な2ポートネットワークの誤差を得ることができます。2ポートテストに伴う誤差は、シングルポートテストに伴う誤差よりもはるかに大きいため、テスト結果を補正するには、より複雑な校正方法が必要となります。

図3. 等価誤差2ポートネットワーク

最も古典的な2ポートシステムの誤差校正法はTOSM（スルー、オープン、ショート、マッチ）であり、SOLT（L、ロード）とも呼ばれます。TOSM校正法は12項の誤差モデルに適しており、簡略化後には最終的に10個の誤差が得られます。TOSM校正法では正確に10個の方程式が得られるため、誤差項の解を一意に決定できます。

以下では、デュアルポートネットワークのフォワードテストを例に、考えられる信号経路を観察します。信号経路は全部で1から5までの5つあります。そのうち、信号経路5はポートまたはテストフィクスチャのクロストークです。簡略化のため、この項は以下の式には含まれません。つまり、ポートは理想的に分離されているとみなします。

It can be seen from the signal flow diagram that the test forward transmission coefficient S21の場合、誤差は主にテストデバイス自体の伝送周波数応答、テスト基準面からの多重反射などから生じます。2ポートネットワークにマッピングされた誤差を図5に示します。図4の対応する信号フロー図と組み合わせると、Sを導出できます。21測定値と誤差項の関係を表す式。

図4. 2ポートネットワーク：順方向テスト中に存在する信号経路

図5．順方向および逆方向テスト中の信号経路と対応する誤差項

順方向検査は、R、D、S、T (送信追跡)、L (負荷一致) 五项误差、S に関係します。11 和S21の測定値の表現は以下のとおりです。

バックテストにはRが関与します'、D'、NS'、T'、L' (ロードマッチ) 五项误差、S12 和S22の測定値の表現は以下のとおりです。

TOSMのキャリブレーション後、これらの10個の誤差が得られ、それを上記の式に代入して、実際の4つのSパラメータを計算することができます。

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