高频测量装置，校准此装置的方法以及用此高频测量装置确定散射参数的方法

摘要

本发明涉及校准具有N个测试端口的高频测量装置的方法。对于HF测量装置的至少一个端口，在至少三个相互间隔的耦合位置处耦出在第二电导线上传送的HF信号，并且对于此至少三个耦合位置中的每个成对组合用采用散射参数是已知的至少一个校准标准件作为测量对象的预定的校准方法对于HF测试信号的至少一个频率确定一个散射参数，其中在HF测试信号的一个频率下对所有成对组合所确定的至少一个散射参数的值与已知校准标准件的该至少一个散射参数值进行比较，并且这样的耦合位置成对组合作为对该频率测量未知测量对象时优选采用的第一和第二耦合位置被存储，在此组合下所确定的散射参数值与已知的校准标准件散射参数之间的差别最小。

说明书

本发明涉及一种用于校准具有N个测试端口的高频测量装置 (HF测量装置)的方法，其中N是大于等于1的整数，特别是涉及 校准矢量网络分析仪的方法，用于借助n端口测量确定测量对象的散 射参数，其中n是大于等于1的整数，其中高频测试信号(HF测试 信号)被馈入到与测量对象或者与包含该测量对象的电路相连接的第 一电导线中，其中对于每个端口，由与此测量对象相连接的第二电导 线、尤其是平面导线在第一耦合位置处以及在与第一耦合位置相隔一 定距离的第二耦合位置处耦出经过第二电导线传送的高频信号(HF 信号)，其中由每个端口中的两个从这两个耦合位置处耦出的HF信 号分别按每个测量位置或耦合位置相对于第二电导线上朝测量对象传 送的HF信号的和第二电导线上离开测量对象的HF信号的HF测试 信号确定幅度和/或相位，并由此计算出测量对象的散射参数，如权利 要求1的前述部分所述。

本发明还涉及一种用于借助于具有N个测试端口、其中N是大 于等于1的整数的高频测量装置(HF测量装置)通过n端口测量、 其中n是大于等于1的整数确定测量对象的散射参数的方法，其中高 频测试信号(HF测试信号)被馈入到与测量对象或者与包含该测量 对象的电路相连接的第一电导线中，其中对于每个端口，由与此测量 对象相连接的第二电导线、尤其是平面导线在第一耦合位置处以及在 与第一耦合位置相隔一定距离的第二耦合位置处耦出经过第二电导线 传送的高频信号(HF信号)，其中由每个端口中的两个在这两个耦 合位置处耦出的HF信号分别按每个测量位置或耦合位置相对于第二 电导线上朝测量对象传送的HF信号的和第二电导线上离开测量对象 前进的HF信号的HF测试信号确定幅度和/或相位，并由此计算出测 量对象的散射参数，如权利要求12的前述部分所述。

本发明最后还涉及一种用于确定测量对象的散射参数的HF测量 装置，特别是矢量网络分析仪，它具有N个测试端口，其中N是大于 等于1的整数，并具有HF测试信号源，它可连接到与测量对象相连 接的第一电导线，如权利要求17的前述部分所述。

DE10308280A1公开了一种用于校准HF测量装置的方法，用于 确定散射参数的方法和这种HF测量装置。在开发由多个子电路组成 的复杂平面微波电路时对每个子电路分开地确定其散射参数是有益 的。这样可以独立地分析和检查不同子电路的效率。这可以有利地用 无接触测量方法实现。借助于无接触测量探头，平面电传输线上待测 测量对象(DUT即Device Under Test)之前和之后的部分复信号能量 被耦出并传送到接收机。然后由这个耦出的信号计算出散射参数。然 而，这种测量系统的系统动态特性很大程度上依赖于两个无接触测量 探头之间的距离。因此这种测量系统只能用于窄的频带中。

本发明的目的在于给出一种上述类型的方法和HF测量装置，它 们能够在大的带宽上改善测量精度。

按照本发明，上述任务由具有权利要求1所述特征的上述类型的 校准方法、具有权利要求12所述特征的上述类型的用于确定散射参数 的方法以及具有权利要求17所述特征的上述类型的HF测量装置完 成。其它权利要求描述了本发明具有优点的实施例。

按照本发明，在上述类型的校正方法中，对于HF测量装置的至 少一个端口，在至少三个相互间隔开的耦合位置处耦出在第二电导线 上传送的HF信号，其中对于所述至少三个耦合位置的每对组合，用 以散射参数是已知的至少一种校准标准件作为测量对象的预定的校准 方法对HF测试信号的至少一个频率确定至少一个散射参数，其中对 于所有的成对组合，在HF测试信号的一个频率下确定的至少一个散 射参数值与校准标准件的已知的至少一个散射参数值进行比较，其中 这样的耦合位置成对组合作为对该频率测量未知测量对象时优选采用 的第一和第二测量位置被存储，在这样的耦合位置组合下所确定的散 射参数值与校准标准件的已知的散射参数之间的差别最小。

上述方法的优点在于，得到了更优的宽带测量动态特性，因为用 于测量散射参数的第一和第二耦合位置总是如此从三个或更多的现有 耦合位置中选出，使得测量值偏离实际值最小，即测量误差被尽可能 减小。

例如采用校准标准件“短路件(short)”、“开路件(open)” 和“负载(load)”的SOL方法或者8项方法或12项方法或多端口 校准方法被用作校准方法。作为替代，SOLT，LLR，TRM，TAN， TLN或LNN方法也可用作校准方法。

为了实现测量对测量对象的电特性的影响尽可能小，在耦合位置 处HF信号的耦合最好是无接触的，例如电容式耦合或电感式耦合， 或者同时采用电容式和电感式耦合，或者借助于电子光学的测量方法、 借助于力显微镜或借助于电磁测量方法实现。按照本发明，用来确定 电磁波幅度和相位的各种无接触和/或有接触的方法都是适用的。

可以通过简单的方法获得另一个附加耦合位置：例如从第二电导 线由至少两个耦合位置耦出的HF信号借助于至少一种数学运算和/或 至少一种算法被合并到一起，得到一个HF信号，特别是通过相加或 相减来合并，然后在这个测试端口处被传输至进一步的后续信号处理。

在一个示例性的实施方式中应用一个测量探头，它被顺序地放置 在耦合位置处。

在另一个替代实施方式中，每个测试端口应用两个或更多个、尤 其是数目与耦合位置数相对应的测量探头。

为了在对未知测量对象进行测量时进行后续的误差分析，在校准 时测量探头之间的数学关系被确定并被存储。

按照本发明，在上述类型的测量方法中，对于HF测试信号的每 一频率，在前面所述校准方法中针对该频率所存储的耦合位置成对组 合被选择作为第一和第二耦合位置。

此测量方法的优点在于，对于大的带宽提高了测量精度。

测量结果精度的进一步改善可以如此实现：对于HF测试信号的 每一频率，除了应用已存储的耦合位置成对组合确定散射参数外，还 用一个或多个耦合位置成对组合进行散射参数的确定，这些耦合位置 成对组合在按权利要求1至11中至少一项所述的校准方法中具有的被 确定散射参数值与已知校准标准件散射参数之间的差别仅比所存储的 耦合位置成对组合大，其中根据对于HF测试信号的一个频率所确定 的相应散射参数的所有值，计算出针对该相应散射参数的平均值。这 样减小了例如由于相对于进行校准时错误定位的耦合位置引起的测量 误差的影响。

为了检测有缺陷的测量探头，在对未知测量对象测量时，在校准 时所确定的多个测量探头之间的数学关系被重新确定并与在校准时所 得到的值进行比较，并且根据其区别识别有缺陷的测量探头。

按照本发明，在上述类型的HF测量装置中，对于至少一个测试 端口设置了至少三个相互间隔开的耦合位置，用于耦出在与测量对象 相连接的第二电导体、尤其是平面导线上传送的HF信号。

上述HF测量装置的优点在于，对于每次测量可以选择相应的耦 合位置对，此位置对具有小的测量误差。

在一个优选的实施方式中，对于每一耦合位置设置了一个独立 的、放置在相应耦合位置处的测量探头。

在另一个作为替代的实施方式中，对于每个测试端口设置了一个 单个的测量探头和用于把测量探头移动到耦合位置的装置。

在另一个作为替代的实施方式中，对于每个测试端口设置了一定 数量的测量探头，其数目大于等于2并小于等于耦合位置数减1，其 中此HF测量装置具有至少一个用于把至少一个测量探头移动到不同 耦合位置的装置。

例如至少一个测量探头被构造成无接触的或有接触的测量探头。

在一个优选的实施方式中，至少一个测量探头被结构成电容式耦 合或电感式耦合，或者同时采用电容式和电感式耦合，或者借助于电 光学方法，或者借助于力显微镜或借助于电磁测量方法实现耦出。

下面借助附图详细说明本发明。附图中：

图1示出根据本发明的单端口测量的仿真模型，

图2示出对不同的耦合位置对的系统动态特性曲线，

图3示出在根据本发明的系统校准之后的系统动态特性曲线，

图4示出根据本发明的具有两端口矢量网络分析仪的HF测量装 置的第一优选实施方式的简要电路图，以及

图5示出根据本发明的具有四端口矢量网络分析仪的HF测量装 置的第二优选实施方式的简要电路图。

图1所示的本发明所述单端口测量的仿真模型包括信号源10，它 将功率电平为1dBm的HF测试信号馈送到无损50Ω传输线形式的电 导线12中。在三个耦合位置14，16，18处的无接触的、在本例中为 电容式耦合通过三个理想的电容器20，22，24表示。在耦合位置14， 16，18处的电容式耦合只是作为示例。也可以应用电感式耦合，或者 应用电容式耦合与电感式耦合的混合或其它耦合方式。耦出的电压在 以测量位置m₁ 26，m₂ 28和m₃ 30形式表示的接收机处借助于50Ω系 统被确定。高斯白噪声(WGN，即White Gaussian Noise)发生器32 在测量位置m₁ 26，m₂ 28和m₃ 30后面通过已知的方式以典型的 -118dBm和50Ω耦入。测量对象34，也称作DUT(Device Under Test) 与电导线12相连接。第一耦合位置14与第二耦合位置16之间的电导 线12的第一段36具有长度l₁，第二耦合位置16与第三耦合位置18 之间的电导线12的第二段38具有长度l₂，且第三耦合位置18与测量 对象34之间的电导线12的第三段40具有长度l₃。例如电导线12的 上述段36，38具有长度l₁＝22mm和l₂＝78mm，即第一和第二耦合位 置14，16之间的间距值为22mm，第二和第三耦合位置16，18之间 的间距值为78mm，这样对于第一和第三耦合位置14，18之间的间距， 得到电导线12的长度为l₁+l₂＝100mm。在附图标记52处进行常规的 校准，例如SOL校准。在附图标记54处进行HF测量装置的其它校 准，如下面所述：

首先对耦合位置14，16，18中的三种可能的成对组合中的每一 种组合用50Ω标准负载(“load”)、短路标准件(“short”)和开 路标准件(“open”)进行常规的SOL校准。这仅仅是示例，也可以 应用其它的校准方法。接着对于耦合位置14，16，18中的每种成对组 合，针对50Ω标准校准负载确定散射参数S₁₁的值。这也仅仅是示例， 也可以用其它散射参数和其它校准标准件。重要的是对于作为DUT 应用的校准标准件，所测得的散射参数的期望值是已知的。在上述情 况下，“标准负载”作为DUT，|S₁₁|以dB为单位表示的值应有尽可 能低的数值，因为在理想情况下在“标准负载”上不出现反射。

图2是对同一个电容式测量探头在测量位置14，16，18处用50Ω 标准校准负载(“load”)作为DUT时得到的曲线，垂直轴42表示 仿真得到的散射参数|S₁₁|，单位为dB(等效于测得的散射参数)，水 平轴44表示频率，以GHz为单位。此图代表仿真得到的系统动态特 性。图中第一根曲线46为应用第一和第二耦合位置14，16时，即对 于测量位置m₁ 26和m₂ 28，|S₁₁|分贝值与频率的关系曲线，第二根曲 线48为应用第二和第三耦合位置16，18时，即对于测量位置m₂ 28 和m₃ 30，|S₁₁|分贝值与频率的关系曲线，以及第三根曲线50为应用 第一和第三耦合位置14，18时，即对于测量位置m₁ 26和m₃ 30，|S₁₁| 分贝值与频率的关系曲线。在耦合位置14，16和18之间的间距l₁和 l₂如此选择，使得曲线46，48和50的最大值位置不重叠。为了校准 此系统，现在对每一个频率点确定相应的耦合位置14，16，18成对组 合，对于此成对组合散射参数|S₁₁|分贝值与|S₁₁|的期望分贝值之间有最 小的间距，即最小的差值。这些耦合位置对作为对相应频率点的优选 耦合位置对被存储，并且在以后测量未知的测量对象或DUT时应用 于相应的频率点。此方法在后面被称作“差异性校准”。相应地在52 中进行SOL校准，在54中进行差异性校准。总体上用55表示DSOL 校准，即差异性SOL校准。

图3示出由上述差异性校准(仿真)得到的系统动态特性。垂直 轴42表示散射参数|S₁₁|，单位为dB，水平轴44表示频率，以GHz 为单位。可以明显地看到，经过差异性校准，系统动态特性在原来较 差的频率处得到大大的改善。通过有效地选择耦合位置14，16和18 的间距可以在6.8GHz处获得70dB的增益。此外差异性校准导致测量 设备可用频率范围的扩展。

图4举例示出根据本发明的基于两端口矢量网络分析仪56的HF 测量装置的第一优选实施方式。两端口矢量网络分析仪56包括用于产 生HF测试信号的信号源，第一开关58和四个测量位置m₁ 60，m₂ 62， m₃ 64和m₄ 66，每个测试端口对应两个测量位置。第一开关58有选 择性地将信号源10与位于前面和后面的平面导线68，70形式的电导 线相连接，平面导线68，70以不同侧引至DUT 34，使得测试信号可 在DUT 34的前面和后面被耦入。为了在两端口矢量网络分析仪56内 部耦出电导线12上的前向波和反向波，测量位置m₁ 60，m₂ 62，m₃ 64 和m₄ 66与两端口矢量网络分析仪56的内部结构的连接是分开的。而 第一和第二测量位置m₁ 60，m₂ 62通过第二开关72与分配给两端口 矢量网络分析仪56的第一个端口的5个测量探头74可选地连接，使 得测量探头74中的一个与第一测量位置m₁ 60相连接，测量探头74 中的另一个与第二测量位置m₂ 62相连接。类似地，设置了第三开关 76，它有选择性地将分配给两端口矢量网络分析仪56的第二个端口的 另外5个测量探头78与第三和第四测量位置m₃ 64，m₄ 66相连接， 使得测量探头78中的一个与第三测量位置m₃ 64相连接，而测量探头 78中的另一个与第四测量位置m₄ 66相连接。开关72，76以及测量 探头74，78分别设置在一个基片80上。分配给两端口矢量网络分析 仪56的第一个端口的测量探头74被放置在前面的平面导线68附近， 以便在不同的耦合位置处从前面的平面导线68耦出HF信号，而分配 给两端口矢量网络分析仪56的第二个端口的测量探头78被放置在后 面的平面导线70附近，以便在不同的耦合位置处从后面的平面导线 70耦出HF信号。开关72，76实现对耦合位置成对配置的选择，测 量探头74和78位于这些耦合位置处。控制装置82，特别是计算机， 控制两端口矢量网络分析仪56，并通过电压源84控制开关72和76。

图5举例示出根据本发明的基于四端口矢量网络分析仪90的HF 测量装置的第二优选实施方式。四端口矢量网络分析仪90包括用于产 生HF测试信号的信号源10，第一开关58和8个测量位置m₁ 92， m₂ 94，m₃ 96，m₄ 98，m₅ 100，m₆ 102，m₇ 104和m₈ 106，每个测试 端口对应两个测试位置。前4个测量位置m₁ 92，m₂ 94，m₃ 96和m₄98分别与测量探头74中的一个相连接，这些测量探头被设置在前面 的平面导线68处的耦合位置处。另外四个测量位置m₅ 100，m₆ 102， m₇ 104和m₈ 106分别与测量探头78中的一个相连接，这些测量探头 被设置在后面的平面导线70处的耦合位置处。通过应用这八个测量位 置m₁ 92，m₂ 94，m₃ 96，m₄ 98，m₅ 100，m₆ 102，m₇ 104和m₈ 106， 可以省去图4所示实施方式中的第二和第三开关。这里耦合位置对或 每两个测量探头74或78的选择在四端口矢量网络分析仪90内部实 现，即差异性校准在网络分析仪中进行。

每个测量端口应用多于两个的测量探头显示了无接触网络分析 方法的改进。通过增加测量探头所获得的冗余被用来改善动态特性， 从而可形成宽带的测量系统。为此在进行差异性校准时对每种可能的 测量探头组合进行一次常规的校准。在此校准之后，在被校准的参考 阻抗、例如标准负载或校准线上反过来针对每个探头成对组合进行测 量。由校准的测试结果可以推断出动态特性。在程序内部现在针对每 个频率点比较每种测量探头组合的动态范围。分别选择出具有最大的 测量动态特性的探头对。对于每个频率点选出的探头对被存储在存储 器中，并被用于未知测量对象的测量。

此外在无接触差异性测量系统中也可选用其它的优化标准，例如 为了提高测量精度而利用附加的探头对组合的冗余性。例如在其中多 个测量探头对具有相近动态特性的频率范围中，针对一次测量的测量 探头测量结果被平均。这样减小了例如由测量探头错误定位这样的测 量误差造成的影响。

此外冗余性可用来识别有缺陷的或错误定位的测量探头。如果一 个有缺陷的探头被识别出来，它可以通过电子方式被排除不再用于测 量，或者可以把故障情况呈现给用户。为了检测出有缺陷的测量探头， 例如在校准时确定测量探头之间的数学关系。然后在每次测量未知测 量对象时检查是否符合此数学关系。

测量探头的实施方式是任意的。探头可以实现为平面的或三维 的，其中探头不必须是相同的。具有不同耦合形式的测量探头可以被 组合使用。为了结构紧凑，最好采用在基片上的平面设计。

一个耦合位置也可以理解为多个探头的组合(例如两个探头测量 位置的合成)。对于每一个频率点，选择例如在动态特性、测量精度 等方面最适合于测量使用的探头对。这种选择在反过来测量已知标准 件、例如标准负载时进行。