矢网校准那点事之二：揭开未知直通校准的神秘面纱

        在前一篇《矢网校准那点事(1)——未知直通的前世今生》中，我们已经知道很多网分使用者在校准上都存在一些误解，下面就为大家介绍一下网分校准中错误发生较多的一处——应该使用未知直通（SOLR）校准的地方却错误地使用了SOLT校准，以及未知直通（SOLR）和SOLT究竟有什么差别呢？

我们结合iTest极致汇仪国产自主研发、4端口、300kHz～8.5GHz、测量速度快、动态范围高、高精度高稳定性、可与国际标杆产品相媲美的矢量网络分析仪VNA485进行介绍。

 

1 未知直通校准件设置方法

         VNA485软件UI菜单栏Keyboard设置为ON的情况下，打开Keyboard触控面板，如下图所示，在软件界面上可以使用鼠标灵活点击操作，使用触摸显示屏效果更佳。

       1、如下图1所示，这里以85032F机械校准件举例。点击Cal（Calibration校准）按钮，功能键菜单调出Calibration菜单。设置Correction为ON状态，点击Cal Kit（校准套件）菜单，选择校准所用机械校准件的类型。再选择Modify Cal Kit（修改校准套件）菜单按钮，进入下一级菜单。

图1

      2、如下图2所示，点击Define STDs（定义标准），选择Thru（直通）菜单，这里Thru菜单编号为11。不同机械校准件类型Define STDs菜单下的Thru编号有所不同。

图2

          3、Thru菜单下，STD Type（标准类型）如果为Delay/Thru（时延/直通），并且Offset Delay（偏置延迟）= 0.000 sec。这种设置通常适用在2个校准端面互为异性的情况，如下图3所示。

图3

        如下图4和图5所示，如果校准的2个端面均为同性的情况，那么通常将会使用到双阴或双阳直通校准件。而直通校准件本身对待测信号是有反射、损耗和延时的，所以这里就引入未知直通校准。

图4

图5

       4、要执行未知直通校准，在图2中点击STD Type菜单，选中Unknown Thru（未知直通），如下图6所示。

图6

       如图2所示，返回上一级的Thru菜单后，需修改直通校准件的Offset Delay。那么为什么要设置Offset Delay（偏置延迟）？以及Offset Delay该设置多少值合适呢？

 

2 直通件Delay

2.1 为什么要设置Delay？

       在前一篇《矢网校准那点事(1)——未知直通的前世今生》中，我们已经知道SOLT源自10项误差模型，因此它需要建立10个方程来解出10个误差项，10个方程就意味着需要10个标准件的已知参数。而未知直通源自8项（实际可再缩减为7项）误差模型，所以未知直通只需要建立7个方程。除了6个单端口的标准件反射参数外，SOLT还需要知道直通标准件完整的4个S参数才能对矢量网络分析仪进行校准。而未知直通校准不需要完全已知直通标准件参数，只需要知道直通件满足S21 = S12关系即可，这也就是为什么未知直通校准叫这个名字的原因。

基于此，在使用直通校准件时会建立以下公式：

        T_mR为直通校准件的传输矩阵测试值，X_A和X_B均为单端口校准件校准后计算出的已知误差项（6个），α为待解的未知误差项，T_R为直通件的传输矩阵实际值。

       由于直通件满足S21 = S12的互易关系，所以上式中det(T_R) = 1。可以利用这个关系来解出α，但是由于数学上计算涉及到开方取正负号，它会影响测试结果的相位，所以需要设置直通校准件的Delay以确定正负号的选择。

 

2.2 如何预估直通校准件或转接头的Delay值？

       按照直通校准件或转接头的实际长度尺寸除以直通校准件或转接头的介质光速即可得出，一般可以按照PTFE（ε= 2.1）来计算介质光速。

 

2.3 如何确定Delay值设置正确？

       以一个直通校准件举例，先按照2.2节的方法计算出Delay值后进行校准（设置VNA485工作在全频段：300kHz～8.5GHz）。

   

      ①  计算并预估出如上图所示的直通校准件理论Delay值为：328.5ps。

      ②  检查直通校准件的S21相位测试值是否连续，如下图所示，相位连续。

       如果不连续再根据相位连续频段的群时延测试值得到的数据更新校准件Delay值，重新校准Thru件，再进行OverWrite。

       ③   如下图所示，将数据格式修改为：Group Delay，取平均，这里我们修改Delay值为：167.5ps。

         点击Cal→Calibrate→2-Port Cal→Transmission，重新校准Thru件。返回上一级2-Port Cal菜单，再进行OverWrite。

         ④  如下图所示，OverWrite后，将数据格式修改为：Group Delay，取平均，这里我们进一步修改Delay值为：169.5ps。

         再次点击Cal→Calibrate→2-Port Cal→Transmission，重新校准Thru件。返回上一级2-Port Cal菜单，再进行OverWrite。

         ⑤  如下图所示，最后将数据格式修改为：Phase，确认S21相位连续，得出该直通校准件最终的Delay值为：169.5ps。

3 未知直通和SOLT测试数据对比

       在仅保持STD Type = Unknown Thru，且使用的直通校准件Offset Delay = 169.5ps，与STD Type = Delay/Thru，且Offset Delay = 0.000s为唯一变量的情况下，使用同一DUT（通频带：2300～2400MHz，输入和输出均是N型母头，因此校准端面均是N型公头）、校准件（85032F）、RF电缆、实验环境，接头部分均采用同一力矩扳手拧紧等实验条件。

图7

图8

图9

图10

由上表可以看出，当校准结束后仍接着直通校准件的情况下，由于校准端面均是N型公头，如果STD Type仍采用Delay/Thru，那么相当于直通校准件也一并带入校准端面中进行校准。因此，校准结束后仍接着直通校准件的情况下，S21测量的插入损耗正数最大值仅为：0.0077 dB。而与之相反的Unknown Thru，没有将直通校准件带入校准端面进行校准，于是在校准结束后，相当于带入了一段“转接头”的插入损耗。因此，校准结束后仍接着直通校准件的情况下，S21测量的插入损耗负数最小值为：-0.0342 dB，看似插入损耗偏大，其实不然。

       当接入DUT来进行对比时，可得出相同的结论。假设DUT的真实插入损耗为x，如果STD Type仍采用Delay/Thru，那么接入DUT测量时，在先行取出直通校准件的情况下，相当于校准端面扣减掉了直通校准件的插入损耗。因此，接入同一DUT的情况下，STD Type = Delay/Thru测得的S21插入损耗负数最小值仅为：-0.4315 dB，比Unknown Thru的-0.4730 dB小了0.0415 dB。

       因此，DUT的真实插入损耗在某频点绝对值最大值x = 0.4730 dB。

       0.0415 dB的差异说大不大，说小不小。在应用比较严苛的场合，这将是锱铢必较的边际效应。由此引申开来，它印证了未知直通校准和SOLT校准在直通校准件移除与嵌入对测量真实传输系数的不确定度。

        VNA485是国内唯一对标某国际品牌标杆矢量网络分析仪的、各项性能指标比肩的矢量网络分析仪，相较于非此国际品牌标杆矢量网络分析仪的其他矢量网络分析仪，VNA485具有以下独家功能特性和竞争优势：

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l  为客户开放创新的快速数据接口，比传统SCPI接口仪器获取数据快10倍以上，有效提高自动化调测效率；

l  智能校准件标定功能，将普通校准件提升到与此国际品牌某知名机械校准件等效的校准精度，显著降低产线调试环节校准件要求，显著降低客户校准件的投入成本。