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在射频及微波集成电路测试中,用的最多的是散射参数(S参数)测量。它可以通过网络分析仪来直接完成。根据定义,网络的S参数测试只有在完全匹配的测试系统中才能得到精确的测试结果。然而在网络分析仪中既有无源器件也有有源器件,同时其内部的微带线同其他连接点并不完全匹配,其性能并不完全理想。网络分析仪系统中可能存在的测量误差可以分为漂移误差、随机误差和系统误差三大类。系统误差是网络分析仪系统中最大的误差源,我们可以通过S参数测试前的校准步骤去除。因此,校准方法的选用在整个S参数测试中起着非常重要的作用。
比较常见的校准方法
- SLOT(Short-Open-Load-Thru)
- TRL(Thru-Reflect-Line)
- LRM(Line-Reflect-Match)
- LRRM(Line-Reflect-Reflect-Match)
- SLOR(Short-Open-Load-Reflect)
SLOT、TRL和LRRM理论分析
系统误差通常采用二端口误差网络模型来表征,误差修正通常有响应修正和矢量修正两种修正类型。其中,矢量校准是全而消除系统误差的方法,被广泛应用于矢量网络分析仪的系统误差修正。它又有单端口校准和二端口校准两种主要方式。
通用误差模型
表1 误差模型中各项误差的含义
图1 普遍采用的矢量网络分析仪二端口误差模型
端口误差公式
SLOT校准流程
首先执行的是单端口的Short-Open-Load校准过程(测量反射系数)，接着是双端口接直通件进行校准(测量传输和反射系数)，最后移去直通件(Open).
- Short:理想情况下的反射系数位-1(信号传输过去后会被反射回来)，所以可以测量Short确定系统的反射损耗。
- Open:理想情况下的反射系数位+1(信号传输过去后不会有任何反射回来)，所以可以测量Open的反射系数来确定系统的传输损耗。
- Load:理想情况下的反射系数接近0(负载会将所有信号吸收)，所以通过测量Load的反射系数可以确定系统中的传输损耗和匹配性能。
- Thru:理想情况下的传输系数位1，反射系数为0(因为无损耗的传输线会将信号全部传输)，所以可以测量Thru的传输系数和反射系数以确定系统中的传输损耗和反射损耗。
TRL校准流程
双端口接直通件(测量创数和反射系数)，然后单端口(只是每个端口单独测量)接到反射标准件-通常是短路或开路(测量反射系数)，最后链接已知长度的传输线，测量传输线的特性阻抗和传输系数。
- Thru:理想情况下的传输系数位1，反射系数为0(因为无损耗的传输线会将信号全部传输)，所以可以测量Thru的传输系数和反射系数以确定系统中的传输损耗和反射损耗。
- Reflect:同SLOT中的Open和Short。
- Line:理想情况下传输线是没有损耗的，所以实际中可以测量已知长度的传输线的传输系数和相位延迟计，再根据传输线的长度和特性阻抗，计算出理论值。
LRRM校准流程
与传统的TRL（Thru-Reflect-Line）校准相比，LRRM校准省略了Thru步骤，只使用了反射和线性校准，从而简化了校准过程.
- Reflect:同TRL中的Reflect。
- Line:同TRL中的Line。
- Reflect-Match:理想情况下系统中的反射系数为0，所以使用反射匹配标准(最大程度吸收反射信号来减少反射误差)，测量反射系数。是的反射系数接近于0。
校准后的检查
- 开路校准特性的检查：校准完成后，将开路件取下，显示S11和S22的Smith Chart，良好的校准使得测试显示曲线在整个测量频率范围内都在Smith Chart的开路点。
- 负载校准特性的检查：校准完成后，将测试端口连接负载件，测试S11和S22的Smith Chart，良好的校准使得测试曲线在整个测量频率范围内都在Smith Chart的中心点。
- 短路校准提醒的检查：校准完成后，将测试端口连接短路载件，测试S11和S22的Smith Chart，良好的校准使得测试曲线在整个测量频率范围内都在Smith Chart的短路点。
- 直通检查：校准完成后，将两端口连接Thru件，测试S12或者S21的dB曲线，良好的校准使得测试曲线在整个频率范围内平坦，且都在0dB。
Short
Load
Thru
Open
校准片样式
大部分校准片的格式都与下图类似，只是在形状的设计上会有所不同，推荐的校准片厂商有Cascade、MPI等。
🤗 总结归纳
校准的本质也是去嵌入(De-embedding)的过程，去嵌入的本质得到误差网络的S参数，通过转换到T参数，运用级联运算进行消除。去嵌入还能够消除非传输线网络的S参数，应用也比校准广泛。