矢量网络分析仪VNA的校准之SOLT方法

作者：杭州冥鸿电子科技有限公司
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S参数的测量方法有两种，一种是基于扫频测量的原理（VNA）,另外一种是基于快沿阶跃响应的原理（TDR）。

下图是VNA的原理框图，主要包括以下部分:

（1）激励信号源：提供感兴趣的频率范围内的入射信号；

（2）信号分离装置：含功分器和定向耦合器，分离出入射，反射和传输信号；

（3）接收机：对被测件的入射，反射和传输信号进行测试；

（4）处理显示单元：对测试结果进行处理和显示。

正确的校准是使用 VNA 的一个难点。VNA测量出来的S参数是否有错误并不能通过VNA直接能检查出来，只有导入仿真软件仿真出结果发现有问题时可能会怀疑是S参数测量有问题,再返回来检查VNA校准VNA测量时的操作有没有错误。

1、网络分析仪中的系统误差

由于被测件的多样性，使得矢量网络分析仪校准种类繁多，操作者容易出现误区。有时候校准出来的结果看很“漂亮”，但其实是错误值。下面将列举常见的误区。

下图总结了典型网络分析仪中的系统误差来源。

相位测量功能使得VNA能够精确地计算所有的误差来源。方向误差会影响反射测量的精度。隔离误差会影响发射测量的精度。源和负载误差与被测件和分析仪测量端口阻抗之间的失配有关。反射和发射跟踪误差与分析仪的参考接收机和测量接收机的频率响应差异有关。

（1）ED，与信号泄露相关的方向性误差；

（2）ES，与反射相关的源失配误差；

（3）EL，与反射相关的负载失配误差；

（4）ERT/ER，由测试接收机内部的反射跟踪引起的频率响应误差；

（5）ETT/ET，由测试接收机内部的传输跟踪引起的频率响应误差；

（6）EX，与信号泄露相关的串扰误差；

因此在使用前需要进行严格的校准。

2、网络分析仪中的校准技术

常用的校准技术有三种：SOLT（Short短路－Open开路－Load负载－Thru直通）、TRL（Thru直通－Reflect反射－线路Line）、LRM（Line-Reflect-Match）、LRRM（Line-Reflect-Reflect-Match）和ECal（电子校准）模块。在每一种校准技术中，通常又针对特定的测量要求（如宽带频率或晶圆上探测）分成不同的校准方法。下表中总结了这些常用的校准技术及其各自的主要优势。

3、探究SOLT校准

大多数网络分析仪用户最先熟悉的校准方法是SOLT。SOLT校准能够提供优异的精度和可重复性。这种校准方法要求使用短路、开路和负载标准校准件。如果被测件上有雌雄连接器，还需要分别为雌雄连接提供对应的标准件，连接两个测量平面，形成直通连接。

SOLT校准方法使用12项误差修正模型，其中被测件的正向有6项，反向有6项。下图显示了正向误差项：ED（方向）、ES（源匹配）、EL（负载匹配）、ERT/ER（反射跟踪）、ETT/ET（发射跟踪）和EX（串扰）。操作正确的话，SOLT可以测量百分之一分贝数量级的功率和毫度级相位。常用的校准套件中都包含SOLT标准校准件。这些校准件包括各种连接器类型，并且价格相对便宜，小心使用的话可以用很多年。（F:Forward，R:Reverse）

该算法的基本流程为：依次连接四个标准件，分别进行测量，得到相对简化的方程，通过推导化简求解系统误差项，最后将这些误差项带入误差修正公式完成对DUT测量值的误差修正，最终得到较为准确的测量结果。具体过程如下：

正向测量（激励）时，首先根据上图的误差模型，利用信号流图，由梅森法则可以求出：

其中：

相应的，反向激励时，得出S参数为：

其中：

显而易见，由于S11m，S21m，S22m和S12m可以通过测量得到，而DUT的真实值S11a，S21a，S22a和S12a，要根据上面公式的反向公式和12个系统误差来计算。

（a）当两端口接短路标准件时，此时S11a=S22a=-1，S12a=S21a=0，可以得出：

（b）当两端口接开路标准件时，此时S11a=S22a=1，S12a=S21a=0，可以得出：

（c）当两端口接匹配负载标准件时，此时S11a=S22a=S12a=S21a=0，可以得出测量反射参数和传输参数：

（d）当两端口直接相连相当于直通时，此时S11a=S22a=0，S12a=S21a=1，可以得出：

根据式（3-1-5）~式（3-1-16），可以求出正向激励和反向激励的12个误差项，分别是

前向误差项：

后向误差项：

根据式（3-1-1）~式（3-1-4），可以得出DUT的实际值与测量值的关系：

其中：

当我们通过矢网测量其他的被测件DUT时，直接将矢网仪器的两端口分别接DUT，在获得了DUT的测量值以后，只需要按照式（3-1-17）的公式进行误差校准修正，就可以得到该DUT的实际真实S参数。

有的SOLT校准套件包含滑动负载，因此可改变路径的线路长度，同时保持恒定的负载阻抗（通常为50Ω或75Ω）。滑动负载在高频时尤为重要，因为在这种情况下很难实施良好的固定负载。线路长度的变化会直接成比例地改变电长度，导致测量路径中发生相移。通过在校准过程中使用几种不同长度的线路和相应的相移，可以更精确地测量网络分析仪的方向性，如下图。

双向直通SOL通常称为“未知直通”。这种方法允许在遵守一些基本原则的条件下，在校准过程中使用电缆、电路板线轨或Ecal模块作为直通路径。当处理非插入式设备（具有同性或不兼容的连接器，在校准期间需要使用适配器才能建立直通连接）时，未知直通尤为有用。该适配器会给校准带来一个误差。未知直通因为无需使用精密的或经过校准的适配器，并且可以最大限度地减少校准期间的电缆移动，所以非常有用。它通常比其他需要去除适配器的方法更方便、更精确。

以SOLT为基础的其他校准技术还包括对一个标准校准件进行偏置。对于波导和其他高频应用来说，这个“偏置SOLT”的方法非常有效。例如，一个偏置负载可以被认为是一个混合标准件，其中包含两个不同长度的已知偏置（发射线路）和一个负载元件。

“Quick SOLT”或QSOLT用于多端口应用中（网络分析仪上的测量端口多于2个）。这种方法有时被称为N端口解决方案，其中N代表端口的数量。校准的步骤数与端口数量成正比。QSOLT使用需要校准步骤较少的数学算法，通过一组最少的连接全面解析N端口误差模型。

大多数SOLT校准以手动方式执行，并且执行起来相对容易。安捷伦网络分析仪提供（逐步）引导式校准，可减少人为误差，提高可重复性。然而，正确的校准技术必须通过实践的检验。同大多数测量技术一样，SOLT校准也需要通过实践的检验，以保证能够提供最大的性能。

下表是SLOT校准和其他校准方法的精度比较。

是不是每次测量一个新的项目前都必须做校准?

这个是不一定需要的，尽量将每次校准的state存入VNA，名字最好为校准状态，例如频率范围，输入激励功率等。如果有新的测试项目，但是它的测试条件和已有状态相似，且load state后，检查校准状态良好，就可用使用以前的校准状态，而不需要重新校准。将校准state保存并调用的好处在于：Calibration Kit也是有使用寿命的，多次的校准，会是的校准件多次和校准电缆接触，可能污染校准件，使得校准件特性发生改变，影响下一次校准。尽量养成如下习惯：将网络分析仪的port不用的时候加上防尘套;对测试电缆进行标号，使得VNA每个port尽可能固定连接某个电缆;对测试电缆不用时，也需要加上防尘套; 尽量不用很脏的测试电缆等。

校准一次可以用多长时间？

因为矢量网络分析仪是在特定环境下校准的，随着时间的推移，环境因素与校准时刻的情况变得不一致，导致校准结果失效。环境因素包含温度、湿度、电缆弯曲程度等，很难定量而谈。所以，校准一次后，直到你觉得校准效果不满足测试要求时，那么再次进行校准。

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