對向量網路分析儀的誤差模型和校準進行簡要分析

最近，我和一位業內同事討論了向量網路分析儀的誤差模型和校準過程。我做了簡要總結，分享給大家。歡迎大家一起討論。

Yanet的誤差模型確實不容易理解。一般來說，只有Yanet的開發者或專門從事測試技術的人員才會深入研究它。在使用Yanet進行測試之前，需要進行系統誤差校準。其目的是校正測試設備本身所引入的誤差項，從而獲得被測設備（DUT）的真實S參數。

系統誤差校準可分為單埠系統誤差校準和雙埠系統誤差校準。前者主要用於測試單端口裝置的反射係數及其衍生參數，而後者主要用於測試雙端口裝置的完整S參數及其衍生參數。

單埠系統誤差校準包括 OSM（開路/短路/匹配，有時也稱為 OSL - 開路/短路/負載）校準和歸一化校準。 OSM 校準是一種完整的單埠校準，可校正綜合單埠測試中涉及的所有誤差項，因此在單埠裝置測試中具有最高的精度！反射歸一化校準速度非常快，但僅使用開路或短路的單一校準分量只能解決反射追蹤中的一個誤差項，因此精度有限。

圖1是反射計的等效原理圖。之所以可以測試反射係數，是因為它包含一個定向元件——定向耦合器（大多數低頻向量網路使用VSWR電橋），該耦合器實現了入射波和反射波的分離。

圖1. 反射計簡要示意圖

反射測試的基本流程如下：激勵源 Source 提供訊號 a1，大部分向量網路連接埠經耦合器後輸出至被測元件 (DUT)；DUT 反射的訊號到達測量接收機 Meas。此外，由於耦合器並非理想耦合器，其隔離度有限，導致部分激勵訊號 a1 透過耦合器的隔離通道直接饋入測量接收機 Meas。

換句話說，測量接收器接收到的訊號 b3 實際上包含三個部分：被測設備直接反射的訊號、測試參考面上的多次反射訊號以及透過耦合器隔離通道直接洩漏的訊號。

在列出公式之前，我們先簡要介紹圖中的識別參數：耦合器本身有4個端口，但考慮到模型僅涉及耦合器的部分參數，這裡將其等效為一個3端口器件，這三個端口分別為端口1、端口2和端口3。21指的是耦合器的直通傳輸係數，S。31指的是洩漏通道的傳輸係數，S。32指的是耦合通道的傳輸係數。

為了簡單起見，您可以先繪製上述訊號流程圖，如下所示：（ΓDUT是被測器件的實際反射係數）。

圖 2. 單一連接埠測試期間的訊號流程圖

b 可以直接從訊號流程圖中獲得。3表達式為：

簡化後，反射係數的測量值如下：

從上述公式可以看出，反射係數測量包含四個誤差項：S21，S32，S31，S. 通常稱為（S21· S32) 為反射追蹤R(有效追蹤)，稱S31/(S21· S32) 是指向性，縮寫為 D（指向性），S 稱為來源埠反射係數。

簡化後，單埠測試中實際上存在三個誤差項：R、D 和 S。校準過程中，分別使用三個標準零件：開路、短路和匹配。每個標準件都對應一個方程，該方程可以唯一地求解這三個誤差項，從而修正測量結果。

為了方便擴展到雙埠測試的情況，引入了一個誤差雙埠網絡，它是一個包含四個S參數的等效雙埠網路。，R、D、S 的對應關係為：R=e01· e10，D=e00/R，S= e11.

向量網路的每個連接埠都可以獲得一個等效的雙埠誤差網路。雙埠測試中的誤差遠大於單埠測試中的誤差，因此需要更複雜的校準方法來校正測試結果。

圖 3. 等效誤差雙埠網絡

最經典的雙埠系統誤差校準方法是TOSM（直通、開路、短路、匹配），有時也稱為SOLT（負載、負載）。 TOSM校準適用於12項誤差模型，簡化後最終得到10個誤差項。 TOSM校準可以精確地提供10個方程，因此可以唯一確定誤差項的解。

以下以雙埠網路正向測試為例，觀察可能的訊號路徑：總共有五條可能的訊號路徑，編號從 1 到 5。其中，訊號路徑 5 是連接埠或測試夾具的串擾。為簡化起見，以下公式中未包含該項，即假設連接埠之間是理想隔離的。

從訊號流程圖可以看出，測試前向傳輸係數S21當誤差主要來自測試設備本身的傳輸頻率響應、測試參考面的多次反射等。圖5顯示了誤差映射到雙埠網路的情況。結合圖4對應的訊號流程圖，可以推導出參數S。21測量值與誤差項之間的表達式。

圖 4. 雙埠網路：正向測試期間存在的訊號路徑

圖 5. 正向和反向測試期間的訊號路徑及對應的誤差項

前向要測試涉及R、D、S、T(傳輸追蹤)、L(負載匹配)五項托盤，S11 和S21測量值的表達式如下：

回測將涉及 R 語言 、D ，S 、T 、L  (負載匹配)五項托盤，S12 和S22測量值的表達式如下：

TOSM 校準後，可以得到這 10 個誤差，然後代入上述方程式計算出真實的四個 S 參數。

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