矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀單端口校準(zhǔn)以及兩端口校準(zhǔn)測量柔性電纜方法探討

嚴(yán)瑾，蔡小宏，王春林

(中國空間技術(shù)研究院西安分院計量中心，陜西西安710100)

0 引言

隨著微波有源、無源器件的測試對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量精度的不斷提高，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及其附件的計量要求也不斷提高。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量結(jié)果的好壞與電纜以及校準(zhǔn)件關(guān)系密切，一個有問題的測試電纜可導(dǎo)致測試失敗，所以電纜性能的好壞直接關(guān)系到測試結(jié)果。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀前對柔性電纜進行計量確認(rèn)其性能是很重要且必要的，但矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相關(guān)檢定規(guī)程中未涉及到柔性電纜的計量檢定方法。本文介紹了經(jīng)過多次實踐的、可行的、精確的計量檢定柔性電纜的方法，并對不同方法進行了比較分析。

電纜或許是最簡單的射頻元件，通常具有很低的損耗和很好的匹配。然而，測量如此理想的器件還需要精密的校準(zhǔn)和測量技術(shù)以使得測量中的誤差不會掩蓋器件性能［1］。本文針對柔性電纜的回波損耗和插入損耗參數(shù)，分別介紹單端口校準(zhǔn)和兩端口校準(zhǔn)方法如何精確測量矢網(wǎng)電纜參數(shù)，并將兩種校準(zhǔn)方法進行比較，以根據(jù)不同的測試條件選擇合適的校準(zhǔn)方法。

1 單端口校準(zhǔn)測量矢網(wǎng)柔性電纜方法

1.1 柔性電纜回波損耗的測量方法

首先在網(wǎng)絡(luò)分析儀的任意一個端口上執(zhí)行一個單端口(如Port1)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)前選擇合適的中頻帶寬(如IF Bandwidth=100Hz)、合適的掃描點數(shù)，校準(zhǔn)時可選用機械校準(zhǔn)件或電子校準(zhǔn)件。當(dāng)選用機械校準(zhǔn)件時，首先選擇校準(zhǔn)類型為單端口反射校準(zhǔn)，然后選用正確的校準(zhǔn)件接口類型，分別對端口接入開路器、短路器以及寬帶負載進行單端口校準(zhǔn)［2］。當(dāng)選用電子校準(zhǔn)件時，僅需將電子校準(zhǔn)件接入該單端口，同樣選擇校準(zhǔn)類型后，對該單端口進行校準(zhǔn)即可。校準(zhǔn)完畢后，將被測電纜一端連接至該單端口，并且在電纜的另一端連接校準(zhǔn)盒中的一個寬帶負載，如圖1所示，這時在網(wǎng)絡(luò)分析儀上選擇對數(shù)(dB)顯示格式，則其顯示的軌跡即為該電纜的回波損耗。應(yīng)用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的Marker Search 功能，選擇軌跡中的最大點，該點即為電纜回波損耗的最差情況，將其與對應(yīng)型號電纜的回波損耗指標(biāo)相比較，看其是否滿足指標(biāo)要求。

圖1 單端口校準(zhǔn)方法框圖

1.2 柔性電纜插入損耗的測量方法

該被測電纜仍然連接至端口1，取下寬帶負載，連接校準(zhǔn)盒中的一個短路器到電纜端口另一端，如圖1所示。應(yīng)用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中的Marker Search 功能，選擇軌跡中的最小點，該點值此時為2 倍的電纜實際的插入損耗，要得到該點插入損耗的真實值則對軌跡中該最小點的值除以2 即可。將此值與電纜插入損耗指標(biāo)相比較，看是否滿足指標(biāo)要求。以美國Agilent 公司(現(xiàn)名為Keysight 公司)矢網(wǎng)柔性電纜為例，其電纜插入損耗指標(biāo)，一般情況下為與頻率相關(guān)的一維函數(shù)，測試人員可以根據(jù)其頻率范圍選取不同的頻率點，應(yīng)用以上方法將各頻點的插入損耗值與指標(biāo)值進行比較，以判斷電纜性能的好壞。應(yīng)用短路器測量插入損耗的單端口校準(zhǔn)方法的理論模型見圖2。

圖2 單端口校準(zhǔn)方法理論模型

在理想情況下，不考慮電纜匹配不理想而引入的參數(shù)S11，S22;M 為矢網(wǎng)端口1 的反射系數(shù)，Γs為被測件的反射系數(shù)，這里被測件為短路器，所以Γs=-1，S21，S12為被測電纜的正向、反向傳輸參數(shù)，則上述測量插入損耗的理論推導(dǎo)為

電纜為互易器件，并且認(rèn)為短路器性能理想，則

將插入損耗轉(zhuǎn)變?yōu)閐B 格式，則

其中ⅠL 為插入損耗，RL 為回波損耗。

由以上推導(dǎo)可以看出應(yīng)用短路器的單端口校準(zhǔn)方法測量電纜插入損耗時，其值為回波損耗值的一半。

1.3 單端口校準(zhǔn)方法的不確定度評估

在實際中，如圖2所示，需要考慮匹配不理想時，由電纜每個端口的反射而引入的參數(shù)S11，S22;這時矢網(wǎng)端口1 的反射系數(shù)

電纜為互易器件，并且認(rèn)為短路器性能理想，則

從式(6)可以看出電纜兩個端口的反射均影響了插入損耗的測量結(jié)果，為評估電纜反射的影響［3］，我們應(yīng)用GUM 的方法進行不確定度分析，忽略相位進行標(biāo)量計算，式(6)中代入則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

當(dāng)包含因子k=2 時，擴展不確定度為

將測量值或電纜指標(biāo)值代入式(7)，方可得到不同狀態(tài)下電纜單端口校準(zhǔn)方法的插入損耗的測量不確定度。其值可為我們分析測量的分散性提供依據(jù)。

單端口校準(zhǔn)方法在電纜一端連接一個短路器，同樣可以對電纜的幅度和相位穩(wěn)定性指標(biāo)進行核驗，這里不仔細討論了。

2 兩端口校準(zhǔn)測量矢網(wǎng)柔性電纜方法

2.1 兩端口校準(zhǔn)方法的原理

兩端口校準(zhǔn)的測量方法原理實際是應(yīng)用了未知直通(Unknown Thru)校準(zhǔn)方法，它是一種比較通用且好用的校準(zhǔn)方法。不管使用的是什么類型的校準(zhǔn)套件，最好的校準(zhǔn)方法幾乎總是SOLR 或者稱為未知直通校準(zhǔn)［4］，除非待測器件是一個可插入器件，也就是說具有同種類型的陽性接頭和陰性接頭。

首先，對于低損耗器件的系統(tǒng)設(shè)置而言，最好使用中等IF 帶寬和多次掃描取平均功能來減少跡線噪聲，因為即使少量的跡線噪聲也會有重大影響［5］。一般認(rèn)為將IF 帶寬調(diào)至很窄的數(shù)值會減少噪聲，但這樣做會增加掃描時間，而很慢的掃描會導(dǎo)致系統(tǒng)校準(zhǔn)不穩(wěn)定，這是由于在較長掃描時間中可能出現(xiàn)的系統(tǒng)漂移引起的。所以最好使用中等IF 帶寬，并適當(dāng)應(yīng)用多次掃描取平均功能［6］。

2.2 兩端口校準(zhǔn)測量電纜的具體方法

如圖3所示，它應(yīng)用的是一種未知直通校準(zhǔn)方法，校準(zhǔn)完成后可以同時進行對電纜回波損耗及插入損耗的測量。首先在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)向?qū)е姓_選擇被測件(DUT)兩端的接口類型，其次在定義校準(zhǔn)時，改變校準(zhǔn)方法與校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)時選擇未知直通的校準(zhǔn)方式，即可進行未知直通的校準(zhǔn)。依據(jù)校準(zhǔn)向?qū)У谝徊?，對端? 做一個單端口的校準(zhǔn)(其中不接入任何的電纜);第二步，對端口2 做一個單端口的校準(zhǔn)(其中不接入任何的電纜);第三步，在端口1 與端口2 之間接入未知直通。這個未知直通可以就是被測電纜本身，這時校準(zhǔn)向?qū)崾緯υ撐粗蓖ㄟM行測量，確定出該未知直通的電時延，其值通過矢網(wǎng)前面板顯示出來，存儲校準(zhǔn)結(jié)果，校準(zhǔn)結(jié)束。這里既可使用機械校準(zhǔn)件也可使用電子校準(zhǔn)件進行校準(zhǔn)。當(dāng)未知直通選擇為被測電纜本身時不用變換連接，選擇測量S11，S22，S21，S12來直接確定電纜的回波損耗與插入損耗，并將其值與給定的指標(biāo)做比較來判斷其是否合格。

圖3 兩端口校準(zhǔn)方法框圖

2.3 未知直通校準(zhǔn)的特殊要求

這里對未知直通校準(zhǔn)的一些特殊要求與注意事項進行說明:

1)作為未知直通的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)其性能必須是互易的，即S21=S12;

2)作為未知直通的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)其差損應(yīng)該小于40 dB;

3)作為未知直通的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)其相位響應(yīng)必須在四分之一波長內(nèi);

4)矢網(wǎng)的每個測試端口的(方向性、源匹配、反射跟蹤)系統(tǒng)誤差能夠被完全描述(對于兩端口矢網(wǎng)共6項誤差);

5)矢網(wǎng)的信號通道開關(guān)誤差能夠被量化［7］。

2.4 兩端口校準(zhǔn)方法的不確定度評估

由于兩端口未知直通的校準(zhǔn)方法其誤差模型較為復(fù)雜，涉及的S 參數(shù)多，所以其插入損耗的測量不確定度計算公式相當(dāng)復(fù)雜［8］，這里不做詳細介紹了?，F(xiàn)在一些儀器公司(例如:Agilent 公司)網(wǎng)站上都可以下載相應(yīng)的不確定度計算軟件，代入使用狀態(tài)，即可計算出兩端口校準(zhǔn)或其他應(yīng)用狀態(tài)下的測量不確定度數(shù)值。較直接建立模型計算，該計算軟件更方便簡潔。

3 單端口校準(zhǔn)及兩端口校準(zhǔn)測量方法的比較

3.1 兩種校準(zhǔn)方法的補充

單端口校準(zhǔn)測量矢網(wǎng)柔性電纜的方法易操作，步驟簡單，能夠快速判斷電纜回波損耗、插入損耗以及幅度、相位穩(wěn)定性指標(biāo)是否滿足要求。但這種方法的準(zhǔn)確性取決于校準(zhǔn)盒中的寬帶負載以及短路器的性能，而且電纜兩個端口的匹配性能也直接影響其測量準(zhǔn)確度［9］。特別是在低頻部分，單端口校準(zhǔn)方法測量插入損耗的測量不確定度較大，會使測量結(jié)果超出指標(biāo)要求而造成誤判，所以這里提出兩種在使用單端口校準(zhǔn)方法測插損時改進測量準(zhǔn)確度的方法。第一種:在電纜端接入短路器Short，并且加入時域門來改善插損測量結(jié)果。第二種:在測試的單端口(如PORT1)接入寬帶負載，將其數(shù)值Data 賦給Memory，然后接入短路器Short 后，應(yīng)用矢網(wǎng)Data-Memory 的功能進行計算，將此時接入短路器的插損值(Data)減去接入負載時的插損值(Memory)，這樣就去除了紋波對插損值測量的影響，使測得的柔性電纜的插損值更準(zhǔn)確。

而兩端口校準(zhǔn)測量方法是基于未知直通校準(zhǔn)的方法。當(dāng)不能使用零長度校準(zhǔn)(Flush Thru)或使用一個零長度校準(zhǔn)會導(dǎo)致測量損傷時，可以選用未知直通的校準(zhǔn)方法，它實際上是一個精煉的SOLT(Short-open-loadthru)校準(zhǔn)方法，又被稱為SOLR(Short-open-load-reciprocal-thru)校準(zhǔn)方法。使用未知直通的校準(zhǔn)方法可以改善因測試時需對電纜進行移動而對校準(zhǔn)以及測量結(jié)果造成的影響，并改善轉(zhuǎn)接頭對測量結(jié)果的影響。這種方法不僅可應(yīng)用于測量矢網(wǎng)柔性電纜，還可應(yīng)用于非插入器件、機械連接復(fù)雜的情況以及多端口器件測量等，是一個實際應(yīng)用很廣的校準(zhǔn)方法［1］。

3.2 兩種校準(zhǔn)方法測量結(jié)果實例

分別使用單端口校準(zhǔn)方法及兩端口校準(zhǔn)方法對Agilent 公司矢網(wǎng)柔性電纜85133F 進行插入損耗測量，將其測量結(jié)果應(yīng)用Matlab 軟件畫圖比較，如圖4所示，其中電纜85133F 插入損耗的指標(biāo)要求為小于等于(0.1可以計算得出兩組值均滿足電纜指標(biāo)要求。由此可以看出兩種方法均能滿足柔性電纜計量的要求，我們可以根據(jù)實際情況來選擇方法。

圖4 單端口校準(zhǔn)及兩端口校準(zhǔn)插損實測值比較

3.3 兩種校準(zhǔn)方法的優(yōu)缺點

在實際應(yīng)用中，單端口校準(zhǔn)方法與兩端口校準(zhǔn)方法各有優(yōu)缺點，分別能夠滿足不同場合的應(yīng)用。

單端口校準(zhǔn)方法在工程上由于校準(zhǔn)步驟簡單、使用起來比較簡便，只用進行一個端口的校準(zhǔn)就可以進行包括反射、傳輸及幅度、相位穩(wěn)定性等的測量，因此具有一定優(yōu)勢。該方法比較適合被測件反射相對較小而插損較大的情況，例如測量衰減器就可應(yīng)用該方法。工程上有時會遇到被測電纜的兩端不便接入矢網(wǎng)的兩個測試端口而無法進行兩端口校準(zhǔn)的情況，例如埋入地下200 m 長的電纜，這時應(yīng)用單端口校準(zhǔn)方法可以很好地對此類電纜進行測試。但其測量精度受電纜自身端口匹配以及校準(zhǔn)件中負載、短路器特性的影響，與兩端口校準(zhǔn)方法相比成為其缺點，但可以通過采用加入時域門的方法以及數(shù)據(jù)處理去除紋波的影響來增加單端口校準(zhǔn)的測量精度。

兩端口校準(zhǔn)方法為基于未知直通校準(zhǔn)的方法。未知直通校準(zhǔn)方法與單端口校準(zhǔn)方法相比增加了校準(zhǔn)操作步驟，使校準(zhǔn)過程復(fù)雜度有所提高，但這種校準(zhǔn)方法由于不要求通路標(biāo)準(zhǔn)件已知，因此在應(yīng)用中大大提高了校準(zhǔn)的靈活性，而且通過使用大量的通路器件可以極大簡化復(fù)雜的校準(zhǔn)任務(wù)。但該方法作為未知直通的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)其插損應(yīng)小于40 dB，否則噪聲效應(yīng)會降低測量的準(zhǔn)確性，因此不適合在測衰減器時直接使用衰減量大的衰減器作為未知直通。但應(yīng)用該校準(zhǔn)方法選用被測電纜(一般插損只有幾個dB)作為未知直通來測其插入損耗，完全能夠滿足以上要求，且應(yīng)用該方法測量矢網(wǎng)電纜可以避免轉(zhuǎn)接頭對測量結(jié)果的影響，并且兩端口的校準(zhǔn)可使矢量誤差得到更好修正，匹配特性也更好，這是其優(yōu)勢所在。兩端口未知直通的校準(zhǔn)方法還有許多適合使用的情況，比如非插入式同軸校準(zhǔn)、在片校準(zhǔn)、固定端口校準(zhǔn)、開關(guān)路徑校準(zhǔn)等。在這些情況下，選擇好通路標(biāo)準(zhǔn)件就可以極大地簡化復(fù)雜的校準(zhǔn)任務(wù)。

綜上所述，在對矢網(wǎng)柔性電纜進行測試計量時，單端口校準(zhǔn)方法、兩端口校準(zhǔn)方法均可滿足測試要求。單端口校準(zhǔn)方法操作簡單、校準(zhǔn)連接次數(shù)少，對于不能同時接入矢網(wǎng)兩個端口的電纜是一種很好的解決方法。兩端口校準(zhǔn)方法，校準(zhǔn)結(jié)果更精確，對矢量誤差的修正更好，能改善其匹配特性，從而使測量結(jié)果更準(zhǔn)確，但相比單端口校準(zhǔn)增加了校準(zhǔn)步驟與操作程序。

4 結(jié)束語

以上兩種校準(zhǔn)方法各有優(yōu)點，我們可以根據(jù)實際情況以及測試條件來選擇合適的校準(zhǔn)方法測量矢網(wǎng)柔性電纜等被測件。本研究為判定矢網(wǎng)柔性電纜是否滿足技術(shù)指標(biāo)的要求提出了測量方法的指導(dǎo)，從而保證測試工程師使用性能滿足指標(biāo)要求的電纜，使應(yīng)用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量得到的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、可靠。

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