VNA485电子校准完成后的机械校验应用之一

1、背景

          VNA485在电子校准后，连接机械校准件（e.g. 85033E或类85033E）的50Ω匹配负载，或SMA双阴直通进行校验时，矢量网络分析仪（以下简称矢网）测得的回波损耗S11、S22和插入损耗S21（注：S21在多数应用场景下表征为对插入损耗的测量，而插入损耗为负数，插入损耗绝对值越小越好），超出部分客户制程工艺流程管控所限制的判断门限。

比如：工艺文件要求在连接上机械校准件的50Ω匹配负载时，S11和S22≤-40.09dB（换算为驻波比，即：SWR≤1.02）；而工艺文件要求在改换成连接SMA双阴直通时，S11和S22≤1.05，S21≤0.03dB。

   通常地，这样的制程工艺流程管控会辅以上位机ATE软件进行使用。此时，这类ATE软件将引用上述对S11、S22和S21在判断时的判定门限。通过在连接50Ω匹配负载或SMA双阴直通后，ATE软件读出矢网当前迹线上的最差值，再以这个最差值与判定门限做对比。如果最差值在判定门限的要求内，那么判定为Pass；否则判定为Fail。在判定为Pass后，认定这个频段校准合格，可以为接下来的测量所使用；否则，通常地就采取对当前频段进行重新校准的方式，直到频段校准合格再开始对DUT（Device Under Test被测件）进行测量。

注：回波损耗S11和S22≤-40.09dB（换算为驻波比，即：SWR≤1.02）足够小，可视作无反射或“0”反射。

 

2、遇到的问题

         VNA485在一客户端试用时，遇到这样的情况：

使用电子校准件N4431B对一个频段校准完成后，连接机械校准件85033E SMA双阴直通，S11满足≤1.05的工艺文件要求，但是S22最差值为1.07，超出工艺文件≤1.05的要求；S21最差值为0.04dB，超出工艺文件≤0.03dB的要求。

现场进行以下验证：

 

3、验证措施

3.1验证条件

  矢网：VNA485 & Keysight E5071C

      Start Freq: 698MHz

      Stop Freq: 2.7GHz

      Power: 0dBm

      Points: 201

      IF BandWidth: 3kHz

  机械校准件：85033E，及其SMA双阴直通

  电子校准件：N4431B（只使用电子校准件的PORT A和PORT B这2个端口，并且矢网Port 1与ECal PORT A相对应连接，矢网Port 2与ECal PORT B相对应连接）

对比步骤：

  实验一、电子校准件校准2次，观察测试结果是否一致？

  实验二、调换电子校准件的端口，观察测试结果是否一致？

  实验三、采用机械校准件校准，观察测试结果是否一致？

 

3.2 验证结果

3.2.1实验一：

  矢网Port 1与ECal PORT A相对应连接，矢网Port 2与ECal PORT B相对应连接。VNA485与5071C均是如此。

表1 VNA485实验一

VNA485实验一次数1		最差值	固定2.4GHz
连接50Ω匹配负载	S11	1.02	1.01
连接50Ω匹配负载	S22	1.02	1.01
连接SMA双阴直通	S11	1.04	1.02
	S21	+0.00	+0.02
	S22	1.07	1.02
VNA485实验一次数2		最差值	固定2.4GHz
连接50Ω匹配负载	S11	1.01	1.01
连接50Ω匹配负载	S22	1.02	1.01
连接SMA双阴直通	S11	1.04	1.02
	S21	+0.01	+0.03
	S22	1.07	1.02

结果分析：

  可见在使用电子校准件N4431B校准完成后，切换为SMA双阴直通测量的情况下，S22测得的SWR最差值1.07均产生在VNA485的Port 2端口。

表2 5071C实验一

5071C实验一次数1		最差值	固定2.4GHz
连接50Ω匹配负载	S11	1.01	1.01
连接50Ω匹配负载	S22	1.02	1.01
连接SMA双阴直通	S11	1.04	1.02
	S21	-0.04	-0.03
	S22	1.05	1.01
5071C实验一次数2		最差值	固定2.4GHz
连接50Ω匹配负载	S11	1.01	1.01
连接50Ω匹配负载	S22	1.02	1.01
连接SMA双阴直通	S11	1.04	1.02
	S21	-0.06	-0.06
	S22	1.05	1.01

结果分析：

  可见在使用电子校准件N4431B校准完成后，切换为SMA双阴直通测量的情况下，S22测得的SWR最差值1.05均产生在5071C的Port 2端口。

 

3.2.2实验二：

  矢网Port 1与ECal PORT B相对应连接，矢网Port 2与ECal PORT A相对应连接。VNA485与5071C均是如此。

表3 实验二

VNA485实验二		最差值	固定2.4GHz
连接50Ω匹配负载	S11	1.02	1.01
连接50Ω匹配负载	S22	1.01	1.01
连接SMA双阴直通	S11	1.06	1.02
	S21	-0.02	+0.01
	S22	1.04	1.02
5071C实验二		最差值	固定2.4GHz
连接50Ω匹配负载	S11	1.02	1.01
连接50Ω匹配负载	S22	1.01	1.01
连接SMA双阴直通	S11	1.05	1.02
	S21	-0.02	-0.02
	S22	1.03	1.01

结果分析：

  可见在使用电子校准件N4431B校准完成后，切换为SMA双阴直通测量的情况下，矢网测得的SWR最差值1.06或1.05分别产生在VNA485的Port 1端口和5071C的Port 1端口。

 

3.2.3 实验三

  采用机械校准件校准。

表4 实验三

VNA485实验三		最差值	固定2.4GHz
连接50Ω匹配负载	S11	1.00	1.00
连接50Ω匹配负载	S22	1.00	1.00
连接SMA双阴直通	S11	1.02	1.01
	S21	-0.04	-0.04
	S22	1.02	1.01
5071C实验三		最差值	固定2.4GHz
连接50Ω匹配负载	S11	1.00	1.00
连接50Ω匹配负载	S22	1.00	1.00
连接SMA双阴直通	S11	1.01	1.01
	S21	-0.03	-0.02
	S22	1.01	1.01

结果分析：

   可见在使用机械校准件85033E校准完成后，直接连接在SMA双阴直通测量的情况下，矢网测得的SWR最差值1.02或1.01均能满足≤1.02的工艺文件要求。

 

4、结论

          VNA485可以为客户的研发和生产完成精确的测量。

   结合上述实验一与实验二可以发现：这个电子校准件N4431B PORT B存在问题，SWR测量Fail明显跟随N4431B的PORT B。

电子校准件ECal的端口之间是存在微小差异的，正如SMA双阴直通的2个SMA端面之间也存在着微小的差异一样。但是，当ECal中的某个端口因使用时间长久、使用强度大导致存在损坏的情况下，这样的差异就将被放大。

   因此，基于机械校准件对一个频段在校准完成后，判断这个频段是否被校准合格在工程应用上不是不可行，只是这个判断结果很大程度上依赖机械校准件本身的性能特性，也将加剧对机械校准件的机械损耗。