微波测量 · 交互图解 02

矢量网络分析仪
双端口校准原理

把测试系统移出读数,把参考面移到 DUT。

Fig 01 / SOLT 校准实验台未校准 · 示意
1.0–4.0 GHz / 50 Ω / 合成带通 DUT

先看见误差,再移除误差

原始响应混入了泄漏、失配和跟踪误差。连接已知标准件,逐频辨识仪器的误差网络。

S11 · Smith 图(归一化阻抗)
S21 · 传输幅度 / dB
频率2.500 GHz

01

为什么原始读数不等于 DUT?

定向耦合器不完美、测试端口不完全匹配,接收通道也有不同的幅度与相位响应。校准把这些可重复的系统误差建模,在数学上把参考面推进到电缆末端。

方向性 / Directivity

入射信号漏进反射接收机,即使匹配负载也读到反射。

源匹配 / Source match

源端反射使能量在源与 DUT 之间多次往返。

反射跟踪 / Reflection tracking

反射与参考接收链路的复增益不一致。

负载匹配 / Load match

另一端口并非理想负载,返回的波再次进入 DUT。

传输跟踪 / Transmission tracking

传输与参考接收链路的复增益不一致。

隔离 / Isolation

信号绕过 DUT 串入传输接收通道。

随机误差(噪声、连接重复性)不能被一次校准确定性消除;可用窄 IF 带宽、平均与规范连接减小。漂移误差来自温度和时间变化,需要预热、环境稳定与重新校准。下方模型只含系统误差。

02

先测行波,再取复数比值

信号源方向开关耦合器 1DUT耦合器 2a1 参考b1 测试a2 参考b2 测试接收机保持相干,保存幅度与相位;图为概念框图。

正向激励端口 1:a1 为参考,b1 为反射,b2 为传输。反向切到端口 2,用 a2 作参考。比值在仪器测量面上取得,尚未消除误差。

正向:S11m = b1 / a1,S21m = b2 / a1
反向:S22m = b2 / a2,S12m = b1 / a2

这些是经通道归一化的原始比值。S 参数的定义要求未激励端口匹配;真实负载失配的影响由校准模型处理。

03

单端口:三个标准件,三个复数未知量

e101Γe01e00e11入射 a = 1测得反射 S11m
S11m = e00 + (e10e01 · Γ) / (1 − e11 · Γ)

e00 是方向性,e11 是源匹配,e10e01 是反射跟踪。分母是反复反射的几何级数。校准只需辨识跟踪乘积,无需分别求 e10 与 e01。

理想开路 Γ=+1、短路 Γ=−1、匹配负载 Γ=0。在每个频点测得 mO、mS、mL,令 d=e00、s=e11、r=e10e01、q=r−ds:

[1, Γk, mkΓk] · [d, q, s]ᵀ = mk
k ∈ {O,S,L};r = q + ds
Γ = (m − d) / [r + s(m − d)]

实际标准件有延迟、损耗与寄生参数,应使用校准套件的频变 Γk,而非一律当成 ±1、0。

04

双端口:每个方向六项,共十二项

正向记作 d、s、r、l、t、x;反向记作 d′、s′、r′、l′、t′、x′,依次对应方向性、源匹配、反射跟踪、负载匹配、传输跟踪、隔离。两次激励拥有独立误差项。

原始测量模型

Δ = S11 S22 − S12 S21
Df = 1 − s S11 − l S22 + sl Δ
Dr = 1 − s′ S22 − l′ S11 + s′l′ Δ
S11m = d + r(S11 − lΔ) / Df
S21m = x + t S21 / Df
S22m = d′ + r′(S22 − l′Δ) / Dr
S12m = x′ + t′ S12 / Dr

SOLT 如何辨识十二项

① 两端分别 SOL,得到 d,s,r 和 d′,s′,r′。② 两端接匹配负载,分别激励,测得 x=S21m、x′=S12m。③ 接已知 Thru。本演示使用理想直通:S11=S22=0、S21=S12=1。

Af = (S11m,thru − d) / r
Ar = (S22m,thru − d′) / r′
l = Af / (1 + s Af)
l′ = Ar / (1 + s′ Ar)
t = (S21m,thru − x)(1 − sl)
t′ = (S12m,thru − x′)(1 − s′l′)

非理想 Thru 必须代入其已知四个 S 参数求解,不能直接套用理想直通的这组辨识式。隔离测量可能受噪声限制,需有足够动态范围。

完整十二项反算公式

先对四个原始读数去泄漏并归一化,以下所有乘除都是复数运算:

A = (S11m − d)/r,B = (S21m − x)/t
C = (S22m − d′)/r′,E = (S12m − x′)/t′
H = (1 + sA)(1 + s′C) − ll′BE
S11 = [A(1 + s′C) − lBE] / H
S22 = [C(1 + sA) − l′BE] / H
S21 = B[1 + (s′ − l)C] / H
S12 = E[1 + (s − l′)A] / H

源/负载失配使四个读数耦合,不能只对 S21 减去一条“基线”。当分母接近零时,噪声与标准件不确定度会被放大;完美反算不等于无限测量精度。

05

再往前:8 项误差盒与 TRL

8 项模型用 DUT 两侧的误差盒描述测量系统。两盒各有四个系数,合计八项;由于整体尺度自由度,通常只有七个独立复数比值。隔离串扰通常另行处理,不属于这八个误差盒系数。方向开关造成的端接变化需通过开关项测量与修正,不能简单从十二项模型删除四项。

TRL 使用 Thru、Reflect、Line,借助传输线传播关系辨识误差盒,适合难以制造准确负载的夹具与片上测量。Reflect 通常无需精确已知但两端须一致;Line 与 Thru 的相位差须避开 0°/180°退化区。参考阻抗通常由 Line 决定,参考面与阻抗重归一化仍需额外处理。