多端口矢量网络分析仪校准技术研究

摘要

矢量网络分析仪(Vector Network Analyzer，VNA)的发展已有近60年的历史，已成为现代微波测量领域最重要的设备，校准和误差修正是矢量网络分析仪中的关键技术之一。由于任何的测量装置都不可能是理想的，特别是网络分析仪通常都工作在几十MHz到几十GHz的频率范围内，测量装置不可能在如此宽的频率范围内都具有理想的性能和良好的一致性，这些性能上的非理想和非一致性都将导致测量误差。而一味地追求硬件性能上的改进，一方面会造成设计难度的大大增加，另一方面也将使得仪器成本显著提高。因此，一个合理的解决方案就是允许直接的测量结果存在误差，而通过适当的方法得到各项误差并对测量结果进行修正，从而获得准确的测量结果。
　　 随着多端口器件在微波毫米波工程中的广泛应用，对多端口网络分析仪的需求不断增加。在利用二端口矢量网络分析仪测量多端口器件时，需要通过多次测量才能得到完整的散射矩阵，由于匹配负载的非理想性以及多次连接的非一致性，都会给测量结果带来误差。相比之下，多端口矢量网络分析仪只需一次连接就能获得完整的网络参数矩阵。但是由于其硬件结构和误差模型的复杂程度远远超过二端口矢量网络分析仪，所以，相应的校准和误差修正更加困难。本文针对n端口矢量网络分析仪(n≥2)的校准技术做了深入研究，主要工作及其创新成果包括：
　　 研究了两种三通道二端口矢量网络分析仪校准技术。第一种是基于波传播矩阵的10项误差模型校准技术。校准中不需要计算各个系统误差项，并且可以选择长度未知的50欧姆传输线作为校准件，不仅降低了测试成本，而且简化了校准步骤。第二种是基于引入开关补偿误差的8项误差模型校准技术。通过对考虑开关反射误差的8项误差模型进行深入研究，发现其远不能达到12项误差模型的校准精度，因此从实际的物理情况出发对8项误差模型进行了二次改进，并推导了相应的校准与误差修正公式。
　　 提出了三种n端口矢量网络分析仪校准技术。第一种是引入开关补偿误差的4n项误差模型校准技术。该误差模型更加符合实际情况，同时，利用矩阵形式简化了误差修正公式。第二种是基于广义节点方程的n端口矢量网络分析仪校准技术。校准中不仅考虑了串话误差对结果的影响，而且利用3个广义节点方程就可以完整地描述待测件网络参数的真实值与测量值之间的关系，很容易归纳出通用的n端口矢量网络分析仪误差修正公式。第三种是基于广义6项误差模型的n端口矢量网络分析仪校准技术。通过在流图中引入广义节点和广义增益的概念，使本来复杂的3n2项误差模型在形式上与经典的6项误差模型相同，结合原始测量数据和节点方程，可以容易地计算出多端口待测件网络参数的真实值。
　　 讨论了由非理想校准件引入的多端口矢量网络分析仪测量不确定度的计算方法。计算过程只考虑不确定度来源于非理想SOLT校准件，并假设已知校准件的不确定度信息，采用B类评定方法计算出各标准不确定度分量。借助广义节点方程，推导了多端口待测件散射参数真实值(校准值)的偏差与校准件散射参数真实值(标定值)的偏差二者之间的数学关系，最终，可以得到各标准不确定度分量对应的灵敏系数。