網(wǎng)絡(luò)分析儀TRL校準(zhǔn)實(shí)踐

1. 前言

本文闡述8510C網(wǎng)絡(luò)分析儀的TRL校準(zhǔn)實(shí)踐過程,供入門者參考。我們將重點(diǎn)描述如何準(zhǔn)備網(wǎng)分所需的校準(zhǔn)文件(也就是校準(zhǔn)件的定義)并給出實(shí)際測試結(jié)果。作為一種驗(yàn)證校準(zhǔn)效果的方法,本文對cross波導(dǎo)進(jìn)行了實(shí)測,并與CST仿真結(jié)果對比。本文所用到的波導(dǎo)包括WR-42和WR-28,后者已然工作于毫米波頻段。

2. TRL校準(zhǔn)文件的準(zhǔn)備

a) 為完成本文實(shí)踐,讀者應(yīng)當(dāng)具有如下軟/硬件:VNA、校準(zhǔn)件器件(一個(gè)波導(dǎo)短路器、一個(gè)波導(dǎo)墊片、兩個(gè)波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器)、生成校準(zhǔn)文件的軟件(該軟件用于定義校準(zhǔn)件并將數(shù)據(jù)發(fā)送給VNA)。為完成后續(xù)驗(yàn)證測試,讀者還需一個(gè)額外的波導(dǎo)墊片和直波導(dǎo))。

b) 本文所用的校準(zhǔn)文件生成軟件為VNA Cal Kit Manager 2 (其下載網(wǎng)址:點(diǎn)擊下方二維碼即時(shí)連接);

需要注意的是:該軟件僅支持如下所示的VNA(讀者還可從下載諸如CalKitEditor這樣的軟件完成類似的工作)。

c) 使用該軟件打開已有的校準(zhǔn)件文件42CLKA1.ckm后可以看到如下所示的校準(zhǔn)件定義(如果沒有該文件,亦可用軟件的創(chuàng)建功能自行生成;例如,8510系列的VNA,其WR42校準(zhǔn)件定義可參照:(點(diǎn)擊下方二維碼即時(shí)連接);

主要的技術(shù)參數(shù)是standard definitions和class assignments):

d) 還可看到class assignments參數(shù)如下(該表中,第一列數(shù)字對應(yīng)著所用的standard,例如:TRL Line選項(xiàng)對應(yīng)數(shù)字為7,表示Line校準(zhǔn)件定義為standard definitions中的第7號器件):

e) 對于本文情形而言,關(guān)鍵參數(shù)是Line所對應(yīng)的延遲。從“class assignments”表中可知我們所用的Line standard為7#,這意味著我們應(yīng)依據(jù)實(shí)際使用的波導(dǎo)墊片來定義“standard definitions”表中第7行的延遲參數(shù)。在本文的后面,當(dāng)我們以WR-42的校準(zhǔn)文件為基礎(chǔ)來生成WR-28的校準(zhǔn)文件時(shí),僅需更改Line的延遲參數(shù)14.85 ps(當(dāng)然,其它顯而易見的參數(shù)仍然需要修改,比如頻率范圍及相關(guān)名稱等)。下圖為經(jīng)過修改后得到的WR-28校準(zhǔn)件定義:

f) 這里,我們說明如何依據(jù)波導(dǎo)墊片尺寸來計(jì)算延遲參數(shù)。首先,我們需要獲取波導(dǎo)墊片的厚度(最好的方法是實(shí)際測量;另一種方法是從供應(yīng)商那里獲得波導(dǎo)墊片厚度,通?？稍谄涔倬W(wǎng)或產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊里查到)。當(dāng)獲取到波導(dǎo)墊片厚度后,延遲=厚度/光速。下表給出了一些波導(dǎo)墊片的計(jì)算結(jié)果,并與CalKitEditor中的參數(shù)進(jìn)行了對比(該軟件下載地址: 點(diǎn)擊下方二維碼即時(shí)連接)。二者吻合良好。

需要注意:實(shí)測厚度與標(biāo)稱厚度可能略有誤差(這是加工過程導(dǎo)致的不可避免誤差)。如果讀者想自制波導(dǎo)校準(zhǔn)件,可參照主流供應(yīng)商提供的器件尺寸。

g) 在完成校準(zhǔn)件定義后,我們使用VNA Cal Kit Manager中的“send the kit to VNA”功能(在 GPIB菜單下)將校準(zhǔn)文件發(fā)送給VNA(前提是所用PC已經(jīng)通過GPIB與VNA連接)。至此,已經(jīng)可以開始執(zhí)行TRL校準(zhǔn)了(基本過程與同軸端口校準(zhǔn)測量過程類似,不再贅述)。

3. 測量結(jié)果

a) WR-42波導(dǎo)

首先,我們展示一些現(xiàn)場連接圖片。下圖為測量波導(dǎo)墊片的現(xiàn)場圖(方便起見,用夾子來輔助固定波導(dǎo))。

下圖為cross波導(dǎo)實(shí)物圖(為了驗(yàn)證網(wǎng)分校準(zhǔn)結(jié)果,將波導(dǎo)墊片繞軸旋轉(zhuǎn)90°以后接入,以此獲得一定量的插損效果;這是因?yàn)榫W(wǎng)分的測量不確定度與插損息息相關(guān))。嚴(yán)格來講,VNA在校準(zhǔn)完成后,應(yīng)執(zhí)行驗(yàn)證件的測試工作。但是實(shí)際中,往往通過觀察校準(zhǔn)后VNA是否達(dá)到如下指標(biāo)來判斷:直通條件下,插損和相依是否都接近0,回?fù)p是否大于40dB等。

在下圖中,我們展示了cross波導(dǎo)的測量結(jié)果及其不確定度(重復(fù)執(zhí)行10次裝配/測試過程,取均值為測試結(jié)果,取標(biāo)準(zhǔn)方差為不確定度)。結(jié)論是:幅度的不確定度約為 0.1 至 0.5 dB。

類似地,下圖為相位測量結(jié)果及其不確定度:相位的不確定度約為 1 至 3 deg。

為評估測量誤差,我們用CST軟件仿真了cross波導(dǎo),其模型如下所示:

仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比如下所示:在默認(rèn)仿真結(jié)果準(zhǔn)確的前提下,評估幅度測量位差約為1 dB,相位測量誤差約為3 to 8 deg。

b) WR-28波導(dǎo)

同樣地,我們對WR-28波導(dǎo)包括毫米波在內(nèi)的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行了測試。需要說明的是,受客觀條件限制,我們所用的WR-28波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器所配的同軸連接器為2.92mm連接器,而我們所用的網(wǎng)分電纜連接器為3.5mm連接器,二者可以實(shí)現(xiàn)配合,但在毫米波頻率范圍內(nèi),其性能通常是難以保證的。VNA校準(zhǔn)完成后,首先測量了如下連接情形:“thru” (亦即波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)接器直接相連),“one shim” (在轉(zhuǎn)接器之間插入了一個(gè)波導(dǎo)墊片),“two shim” (在轉(zhuǎn)接器之間插入了兩個(gè)波導(dǎo)墊片),“shim-wg-shim” (在轉(zhuǎn)接器之間插入了“墊片-直波導(dǎo)-墊片”)。顯然,隨著轉(zhuǎn)接器之間插入的器件數(shù)增加,所測插損也應(yīng)增加。下圖所得測量結(jié)果在一定程度上符合這個(gè)趨勢(由于插入的各器件自身損耗小,所以各曲線區(qū)分度不高)。而且還觀察到在個(gè)別頻點(diǎn)處,響應(yīng)異常(S21高于0dB許多)。

下圖給出了與上圖對應(yīng)的相位測試結(jié)果。對于thru情形,所測相位接近于零。這表面校準(zhǔn)性能較佳。另一方面,當(dāng)插入器件數(shù)目增加時(shí),相位也隨之增加,符合預(yù)期。

接著,我們測量了如下兩種連接方式:shim-crossed waveguide-shim以及 shim-crossed shim-waveguide,前者即“墊片-旋轉(zhuǎn)90°直波導(dǎo)-墊片”,后者即“墊片-旋轉(zhuǎn)90°墊片-直波導(dǎo)”。由于直波導(dǎo)長度遠(yuǎn)大于波導(dǎo)墊片厚度,所以預(yù)計(jì)前者插損顯著大于后者。下圖所得測試結(jié)果符合這一預(yù)期。實(shí)際上,下圖所示的第一種連接情形已經(jīng)達(dá)到系統(tǒng)極限,所得數(shù)據(jù)并不能表示實(shí)際器件結(jié)果。

對于shim-crossed shim-waveguide情形,我們重復(fù)裝配并測量了三次,結(jié)果如下所示(具有較好的可重復(fù)性):

為評估測量誤差,我們進(jìn)行了CST仿真并與測試結(jié)果對比。WR-28波導(dǎo)的寬度/高度為 7.11/3.56 mm。“shim-cross_shim-waveguide” 連接情形的模型如下所示(仿真中,墊片厚度為3 mm,直波導(dǎo)長度為50.2 mm,波導(dǎo)電導(dǎo)率設(shè)置為金電導(dǎo)率 41 MS/m):

對比結(jié)果如下圖所示:(黑色表示實(shí)測結(jié)果,紅色表示仿真結(jié)果;除個(gè)別點(diǎn)以外,二者吻合良好)。

以下為shim-crossed waveguide-shim情形的對比結(jié)果,如前所述,此時(shí)器件的實(shí)際插損過大,導(dǎo)致超出了網(wǎng)分測量范圍。反過來,也可以由此對VNA的本底噪聲有一個(gè)評估。

4. 后記

網(wǎng)絡(luò)分析儀的使用是射頻/微波工程師或研發(fā)人員的基本功,然而不少人對于網(wǎng)分的校準(zhǔn)以及測量誤差及不確定度缺乏足夠的認(rèn)識。筆者也是抱著入門學(xué)習(xí)的態(tài)度進(jìn)行實(shí)踐,請同行多多指教。