对矢量网络分析仪的误差模型和校准进行简要分析

最近，我和一位业内同事讨论了矢量网络分析仪的误差模型和校准过程。我做了简要总结，分享给大家。欢迎大家一起讨论。

Yanet的误差模型确实不易理解。一般来说，只有Yanet的开发者或专门从事测试技术的人员才会深入研究它。在使用Yanet进行测试之前，需要进行系统误差校准。其目的是校正测试设备自身引入的误差项，从而获得被测设备（DUT）的真实S参数。

系统误差校准可分为单端口系统误差校准和双端口系统误差校准。前者主要用于测试单端口器件的反射系数及其衍生参数，而后者主要用于测试双端口器件的完整S参数及其衍生参数。

单端口系统误差校准包括 OSM（开路/短路/匹配，有时也称为 OSL - 开路/短路/负载）校准和归一化校准。OSM 校准是一种完整的单端口校准，可以校正综合单端口测试中涉及的所有误差项，因此在单端口器件测试中具有最高的精度！反射归一化校准速度非常快，但仅使用开路或短路的单个校准分量只能解决反射跟踪中的一个误差项，因此精度有限。

图1是反射计的等效原理图。之所以可以测试反射系数，是因为它包含一个定向元件——定向耦合器（大多数低频矢量网络使用VSWR电桥），该耦合器实现了入射波和反射波的分离。

图1. 反射计简要示意图

反射测试的基本流程如下：激励源 Source 提供信号 a1，大部分矢量网络端口经耦合器后输出至被测器件 (DUT)；DUT 反射的信号到达测量接收机 Meas。此外，由于耦合器并非理想耦合器，其隔离度有限，导致部分激励信号 a1 通过耦合器的隔离通道直接馈入测量接收机 Meas。

换句话说，测量接收器接收到的信号 b3 实际上包含三个部分：被测设备直接反射的信号、测试参考面上的多次反射信号以及通过耦合器隔离通道直接泄漏的信号。

在列出公式之前，我们先简要介绍一下图中的识别参数：耦合器本身有4个端口，但考虑到模型仅涉及耦合器的部分参数，这里将其等效为一个3端口器件，这三个端口分别为端口1、端口2和端口3。21指的是耦合器的直通传输系数，S。31指的是泄漏通道的传输系数，S。32指的是耦合通道的传输系数。

为了简单起见，您可以先绘制上述信号流程图，如下所示：（ΓDUT是被测器件的实际反射系数）。

图 2. 单端口测试期间的信号流程图

b 可以直接从信号流程图中获得。3表达式为：

简化后，反射系数的测量值如下：

从上述公式可以看出，反射系数测量包含四个误差项：S21，年代32，年代31，S. 通常称为（S21· S32) 为反射跟踪R(有效跟踪)，称S31/(S21· S32) 是指向性，缩写为 D（指向性），S 称为源端口反射系数。

简化后，单端口测试中实际上存在三个误差项：R、D 和 S。校准过程中，分别使用三个标准件：开路、短路和匹配。每个标准件都对应一个方程，该方程可以唯一地求解这三个误差项，从而修正测量结果。

为了便于扩展到双端口测试的情况，引入了一个误差双端口网络，它是一个包含四个S参数的等效双端口网络。，R、D、S 的对应关系为：R=e01· e10，D= e00/R，S= e11.

矢量网络的每个端口都可以获得一个等效的双端口误差网络。双端口测试中的误差远大于单端口测试中的误差，因此需要更复杂的校准方法来校正测试结果。

图 3. 等效误差双端口网络

最经典的双端口系统误差校准方法是TOSM（直通、开路、短路、匹配），有时也称为SOLT（负载、负载）。TOSM校准适用于12项误差模型，简化后最终得到10个误差项。TOSM校准可以精确地提供10个方程，因此可以唯一确定误差项的解。

以下以双端口网络正向测试为例，观察可能的信号路径：总共有五条可能的信号路径，编号从 1 到 5。其中，信号路径 5 是端口或测试夹具的串扰。为简化起见，以下公式中未包含该项，即假设端口之间是理想隔离的。

从信号流图可以看出，测试前向传输系数S21当误差主要来源于测试设备自身的传输频率响应、测试参考面的多次反射等。图5显示了误差映射到双端口网络的情况。结合图4中相应的信号流程图，可以推导出参数S。21测量值与误差项之间的表达式。

图 4. 双端口网络：正向测试期间存在的信号路径

图 5. 正向和反向测试期间的信号路径及相应的误差项

前向要测试涉及到R、D、S、T(传输跟踪)、L(负载匹配)五项托盘，S11 和S21测量值的表达式如下：

回测将涉及 R 语言和、D和、S和，T和、L和 (负载匹配)五项托盘，S12 和S22测量值的表达式如下：

TOSM 校准后，可以得到这 10 个误差，然后代入上述方程计算出真实的四个 S 参数。

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