一种基于理想零直通的多端口非插入式精确校准方法与流程

本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种基于理想零直通的多端口非插入式精确校准方法。

背景技术：

随着人们对电子设备性能、体积和功耗等方面要求的不断提高，设计人员必须不断提高射频微波部分电路的集成度，将各种不同的分立功能模块集成到一个多功能模块中。这种多功能模块通常具有多个相同类型连接器的输入输出端口。使用矢量网络分析仪对这些多端口多功能射频微波模块的性能指标进行测量前，必须对矢量网络分析仪进行校准，以确定测量系统本身存在的各种矢量系统误差大小，然后在测量时通过采用误差修正算法去除这些系统误差对测量精度的影响，才能得到被测件真实的性能指标。

矢量网络分析仪的校准就是通过对一组特性已知的校准标准进行测量，通过比较测量值和已知值，确定测量系统本身各种系统误差的过程。目前，使用比较广泛的校准方法是solt校准，校准标准包括短路器(s)、开路器(o)和负载(l)三个反射标准和一个直通标准(t)，校准标准数据模型和实际特性之间的符合性是决定校准精度的重要因素，二者之间的差异是校准误差的重要来源。默认情况下直通标准是通过将两个测量端口直接连接到一起实现的，是一个理想的零直通标准，并不需要使用一个真实的物理直通标准。

直通标准的默认数据模型将直通标准看成理想的零长度直通件，即端口1和端口2的反射s11＝s22＝0，信号在直通标准中传输时不引入任何损耗和延迟，即s21＝s12＝1，在所有的校准标准中，直通标准的数据模型和实际特性的符合性是最好的，因此使用理想的直通标准有利于提高校准精度，进一步也提高了测量精度。

对于具有相同测量端口连接器类型的同轴被测件，在直通校准时，两个测量端口无法直接连接到一起进行理想的零直通校准，直通校准时需要在两个端口间连接一个适配器，不可避免的引入失配、延时和损耗。此时如果不采取额外的处理过程，因直通标准的实际特性和数据模型存在巨大差异，将会引入非常大的校准误差。

对无法进行理想零直通校准的被测件统称为非插入式被测件，对这类器件测量前进行的校准过程统称为非插入式校准，校准难点主要在直通校准阶段，目前主要有4种方法解决这个难题：

(1)第一种方法是修改直通标准数据模型的定义，根据所使用的直通适配器的实际特性修改直通标准数据模型中损耗和延时的定义，因为所使用的直通适配器本身也是一个非插入式器件，特性数据的获取存在一定难度，即使得到了直通适配器的特性数据，还需再进行一系列计算才能获取校准标准的模型数据，对测量人员的专业技术要求很高。此外直通标准的数据模型中认为直通标准是互易的，即前反向的传输特性是一致的，而且没有考虑直通标准的端口失配特性，认为直通标准的端口阻抗是理想匹配的，这些误差都会影响校准精度。

(2)第二种方法是使用一种称为适配器去除的校准方法，这种方法的限制和缺点包括：同样要求适配器是互易的、端口是理想匹配的，对测量点间的频率间隔设置有一定限制，而且校准过程非常繁琐，现在很少使用这种校准方法。

(3)另外还有一种称为等效适配器交换的校准方法，这种校准方法技巧性很高，实际校准中很少使用。

(4)目前使用最多的是未知直通校准方法，在直通校准时同样需要连接一个特性未知的适配器，但校准程序会根据冗余的误差项确定直通适配器的延时特性，进而确定测量系统中的全部误差项，简化了校准过程，与solt校准过程基本相似，但正确进行未知直通校准同样存在一些特殊限制和要求，具体如下：

(a)要求矢量网络分析仪必须采用双反射计接收结构，即每个测量端口包括一个独立的测量接收通道和参考接收通道，而低成本的矢量网络分析仪多采用每个端口有独立的测量接收通道而所有端口共用参考接收通道的接收结构，因此双反射计结构多端口矢量网络分析仪的接收通道数量近似增加一倍，整机成本较高，价格昂贵。

(b)矢量网络分析仪需要通过一个自校准过程确定出直通适配器的传输延时值，因此对测量点间的频率间隔设置有一定限制，不能丢失直通适配器的相位信息，否则通过自校准过程确定的直通适配器的延时值是错误的，从而导致依据直通适配器延时确定的系统误差是错误的，因此要求校准时必须根据所使用直通适配器大概传输延时评估测量点数的设置是否合理，对测量人员提出了额外的要求。

(c)同样要求直通适配器是互易的，其前反向的传输特性应完全一致，任何实际特性的偏差都将产生残余校准误差，影响测量精度。

多端口是指端口数大于等于3的情况，目前的各种多端口非插入校准方法都存在各种缺点，即使是目前使用最普遍的未知直通校准方法也对矢量网络分析仪的硬件结构方案、测量条件设置、直通适配器的性能指标和测量人员的专业技术知识有一些特殊要求。

下面结合附图介绍上述未知直通校准的一个具体实现方案：

可进行未知直通校准的矢量网络分析仪必须具有双反射计接收结构，图1示出了一种两端口双反射计接收结构矢量网络分析仪的实现方案，这种矢量网络分析仪的特点是每个端口都有一个独立的测量接收通道和参考接收通道，多端口矢量网络分析仪的接收结构只是对两端口接收结构的重复扩展，即如果测量端口数n，则接收通道数为2n，因此这种结构也称为2n接收结构，这种结构矢量网络分析仪的误差模型如图2所示，其中ei⁰⁰描述了端口i参考通道到测量通道的泄漏误差，ei⁰¹描述了端口i接收通道的频响误差，ei¹⁰描述了端口i的源输出通道与参考通道的频响偏差，ei¹¹为端口i的源匹配误差，描述了端口i的入射信号ai中由于源端口失配所产生的额外入射信号的大小。

对应的误差修正公式如等式(1)所示：

s＝d(i+e11d)^-1(1)

式(1)中，i为n阶单位阵，s是经过误差修正的被测件的n阶s参数矩阵，矩阵d和e11的具体取值如下：

式(2)中，sijm(i＝1：n，j＝1：n)表示直接测量所得未经修正的s参数，tij通过如下等式确定：

tij＝ei⁰¹ej¹⁰(4)

ei⁰⁰(i＝1：n)、ei¹¹(i＝1：n)、tij(i＝1：n，j＝1：n)为图2所示的误差模型中需要通过校准确定的误差项，对于具有n个测量端口的矢量网络分析仪，需要确定的误差项个数为n²+2n，下面介绍通过未知直通校准确定上面提到的全部n²+2n项系统误差的校准过程，整个校准可以分为反射校准和未知直通校准两个步骤：

步骤(1)，进行反射校准，此时在每个测量端口分别连接开路器、短路器和负载，设开路器、短路器和负载反射系数的真实值分别为：γo、γs、γl＝0，在端口i连接对应反射标准的测量值分别为：γmoi、γmsi、γmli，可以确定端口i的3项反射误差如下：

ei⁰⁰＝γmli(5)

在所有端口进行反射校准后，可确定误差模型中的3n项系统误差。

步骤(2)，进行未知直通校准，校准时在一个固定测量端口i和其他n-1个测量端口间分别连接一个互易的特性未知的直通适配器进行直通校准，假设在端口i和端口j之间进行未知直通校准，可确定两个端口间的两项传输误差项tij和tji如下：

在等式(8)和等式(9)中，每个误差项都有两个可能的取值，这两个值幅度相等，相位相差180°，但是只有一个值是正确的，还需要一个额外的步骤确定误差项的正确取值。

在直通校准时，如果使测量点的频率间隔设置合理，保证测量时不丢失直通适配器的相位信息，校准程序可以通过一个额外的自校准过程确定出直通适配器的群延时值，再根据此群延时值即可确定等式(8)和等式(9)中误差项的正确取值，这样通过进行直通校准可确定端口i和其他n-1个端口间共2(n-1)项传输误差项。其他剩余(n-1)(n-2)项传输误差通过等式(10)确定

至此，通过进行反射校准和直通校准，确定了进行误差修正时需要确定的全部n²+2n项系统误差。

技术实现要素：

针对上述现有技术方案存在的缺点，本发明提出了一种全新的基于理想零直通的多端口非插入校准方法，通过在一个端口连接适配器将非插入式直通校准配置成理想零直通校准，并通过额外增加两次零直通校准和两次反射校准，并采用本发明提出的系统误差项提取方法，精确提取出全部的系统误差，解决目前使用的各种多端口非插入式校准存在的诸多限制和不足。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于理想零直通的多端口非插入式精确校准方法，每个测量端口都有一个独立的测量接收机，所有端口共用一个参考接收机，校准方法包括以下步骤：

步骤(1)，进行反射校准，确定源匹配误差esi、方向性误差edi和反射跟踪误差eri(其中i＝1：n)共3n项误差项；

步骤(2)，进行额外的一次反射校准；

步骤(3)，在端口i和其他n-1个端口间进行(n-1)次零直通校准，确定除端口i外的其他(n-1)个端口间的(n-1)(n-2)项传输跟踪误差和(n-1)个端口的(n-1)²项负载匹配误差；

步骤(4)，再进行额外一次反射校准和两次直通校准，确定端口i处于接收状态时和其他的(n-1)个端口间的(n-1)项负载匹配误差，及端口i和其他n-1个端口间2(n-1)项传输跟踪误差。

可选地，所述步骤(1)具体过程如下：

在每个测量端口分别连接开路器、短路器和负载三个反射标准，连接的开路器、短路器和负载的已知反射系数分别为：γo、γs、γl＝0，校准过程中某一端口i连接反射标准后对应的反射测量值分别为：γmoi、γmsi、γmli，确定端口i反射误差项分别为：

edi＝γmli(11)

其中，edi为源端口i的方向性误差，eri为源端口i的反射跟踪误差，esi为源端口i的源匹配误差；

通过n次反射校准，确定全部的3n项反射误差。

可选地，所述步骤(2)的具体步骤如下：

在校准端口i连接直通适配器改变校准端口i的连接器阴阳类型，在端口i上进行反射校准，根据等式(11)、等式(12)和等式(13)，确定eisi、eidi和eiri三项反射误差的中间误差项。

可选地，所述步骤(3)具体包括：

端口i和端口k间进行直通校准，求解出如下4项系统误差：

eitik＝sikm(1-eilikesk)(16)

eitki＝skim(1-eilkieisi)(17)

等式(14)～等式(17)中，esk、edk和erk在步骤(1)时确定，eisi、eidi和eiri在步骤(2)时确定，sijm表示直通校准时未经误差修正的直接测量所得的s参数值，下标i和j代表端口号，m表示测量值；在端口i和其他n-1个测量端口间重复进行n-1次直通校准，共确定4(n-1)项误差；

因为端口i连接有适配器，校准和实际测量时端口状态不同，上面确定的4项系统误差也是中间误差，获取误差模型中的实际误差的过程如下：

基于等式(15)确定除端口i外其他n-1个端口处于接收状态时所对应的误差模型中(n-1)²项负载匹配误差：

elkj|＝eilki(k＝1：n，j＝1：n，i≠j，k≠i)(18)

等式(18)中的eilki已在步骤(3)中所有测量端口和端口i间进行零直通校准时确定，通过n-1次直通校准共确定除端口i外其他n-1端口处于接收状态所对应的共(n-1)²项负载匹配误差；基于步骤(2)和步骤(3)确定的中间误差项，以端口i为中间过渡端口，通过如下计算确定除端口i外其他n-1个端口间共(n-2)(n-1)项传输跟踪误差：

可选地，所述步骤(4)具体步骤如下：

取下端口i连接的适配器连接到其他n-1个端口中任意端口n，在端口n进行反射校准，根据等式(11)、等式(12)和等式(13)，确定端口n对应的eisn、eidn和eirn3项中间反射误差项，在端口n和端口i，及端口n和其他任意端口m间共进行两次直通校准，根据等式(14)～等式(17)，确定eilni、eilin、eilnm、eilmn4项负载匹配中间误差项，及eitni、eitin、eitnm、eitmn4项传输跟踪中间误差项；

某端口的负载匹配误差是该端口的固有匹配特性，与源输出端口无关，因此通过在端口n和端口i间进行直通校准确定端口i处于接收状态时共n-1项负载匹配误差：

elij＝eilin|(j＝1：n，j≠i)(20)

以端口n为中间过渡端口，端口i和端口m间的2项传输跟踪误差通过以下等式确定：

以端口m为中间过渡端口，端口i和除端口m外其他n-2个端口间的2(n-2)项传输跟踪误差通过如下等式确定：

等式(23)和等式(24)中的etjm和etmj已在步骤(3)中通过等式(19)确定，而etim和etmi在步骤(4)中通过等式(21)和等式(22)确定。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的校准方法对于矢量网络分析仪的硬件实现方案无特殊要求，同时由于基于具有最高模型精度的零直通校准标准求解误差模型，相比未知直通校准方法，可提高非插入式校准和测量精度。

(2)本发明提出的校准方法对测量条件的设置无特殊要求，因此降低了对测量人员的要求，因此本发明的校准精度更高，并且具有更好的普适性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的一种两端口双反射计接收结构矢量网络分析仪的实现方案的原理图；

图2为图1所示结构矢量网络分析仪的误差模型图；

图3为本发明的n+1接收结构矢量网络分析仪原理图；

图4为图3所示n+1接收结构矢量网络分析误差模型图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的校准方法适用于通用的n+1结构矢量网络分析仪，这种矢量网络分析仪的方案如图3所示，每个测量端口都有一个独立的测量接收机，所有端口共用一个参考接收机，当然本发明的校准方法也适用于图1所示的特殊的2n接收结构的矢量网络分析仪。

具有n个测量端口的n+1接收结构矢量网络分析仪的误差模型如图4所示，其中端口i处于源输出状态，其他n-1端口处于接收状态，图4所示的模型中包括2n+1项误差，当不同的端口分别处于源输出状态时，共有n个与图4所示类似的误差模型，对矢量网络分析仪在不同源输出状态下整机存在的误差进行建模，所有的误差模型中共包含2n²+n项误差。

在图4所示的误差模型中，edi为源端口i的方向性误差，其描述了源端口i参考通道到测量通道泄漏误差信号的大小；eri为源端口i的反射跟踪误差，其描述了源端口i接收通道与参考通道的频响偏差；esi为源端口i的源匹配误差，其描述了源输出端口i的匹配状况，描述了源输出端口i的实际入射信号aii中，除参考激励信号amii外，由于源端口失配所产生的额外入射信号的大小；elij为源端口j处于激励状态时端口i的负载匹配误差，等于aij/bij，其中aij为矢量网络分析仪源端口j处于激励状态时其端口i实际输出的入射信号，bij为矢量网络分析仪源端口j处于激励状态时端口i的实际入射信号；etij描述了当端口j处于源输出状态时，接收端口i测量通道与源输出端口j参考通道的频响偏差。

当被测件是具有相同类型端口连接器的n端口非插入式器件，本发明提出的校准方法包括以下步骤：

步骤(1)，进行反射校准，确定源匹配误差esi、方向性误差edi和反射跟踪误差eri(其中i＝1：n)共3n项误差项，具体过程如下：

在每个测量端口分别连接开路器、短路器和负载三个反射标准，设连接的开路器、短路器和负载的已知反射系数分别为：γo、γs、γl＝0，校准过程中某一端口i连接反射标准后对应的反射测量值分别为：γmoi、γmsi、γmli，可以确定端口i反射误差项分别为：

edi＝γmli(11)

通过n次反射校准，可以确定全部的3n项反射误差。

步骤(2)，进行额外的一次反射校准，具体为：

在某校准端口i连接直通适配器改变校准端口i的连接器阴阳类型，例如：如果原来校准端口i的连接器为阴头，则在校准端口i连接阳/阳适配器，反之则连接阴/阴适配器。在端口i上进行反射校准，根据等式(11)、等式(12)和等式(13)，可确定eisi、eidi和eiri三项反射误差。因为此时端口i连接有适配器，校准和测量的状态不同，因此这3项误差并不是误差模型中的误差项，而是中间误差项。

步骤(3)，在步骤(2)提到的端口i和其他n-1个端口间进行(n-1)次零直通校准，可确定除端口i外的其他(n-1)个端口间的(n-1)(n-2)项传输跟踪误差和(n-1)个端口的(n-1)²项负载匹配误差，方法如下：

端口i和端口k间进行直通校准，可以求解出如下4项系统误差：

eitik＝sikm(1-eilikesk)(16)

eitki＝skim(1-eilkieisi)(17)

等式(14)～等式(17)中，esk、edk和erk在步骤(1)时确定，eisi、eidi和eiri在步骤(2)时确定，sijm表示直通校准时未经误差修正的直接测量所得的s参数值，下标i和j代表端口号，m表示测量值。在端口i和其他n-1个测量端口间重复进行n-1次直通校准，共可以确定4(n-1)项误差。

同理，因为端口i连接有适配器，校准和实际测量时端口状态不同，上面确定的误差也是中间误差，并不是图4所示误差模型中的实际误差，还需要在以上中间误差项的基础上再进行一系列计算才能获取误差模型中的实际误差，过程如下：

因端口的负载匹配为接收端口的固有特性，与源输出端口无关，因此基于等式(15)可以确定除端口i外其他n-1个端口处于接收状态时所对应的图4所示误差模型中(n-1)²项负载匹配误差：

elkj|＝eilki(k＝1：n，j＝1：n，i≠j，k≠i)(18)

等式(18)中的eilki已在步骤(3)中所有测量端口和端口i间进行零直通校准时确定，因此通过n-1次直通校准共确定除端口i外其他n-1端口处于接收状态所对应的共(n-1)²项负载匹配误差。基于步骤(2)和步骤(3)确定的中间误差项，以端口i为中间过渡端口，通过如下计算可确定除端口i外其他n-1个端口间共(n-2)(n-1)项传输跟踪误差：

步骤(4)，再进行额外一次反射校准和两次直通校准，确定端口i处于接收状态时和其他的(n-1)个端口间的(n-1)项负载匹配误差，及端口i和其他n-1个端口间2(n-1)项传输跟踪误差，具体步骤如下：

取下端口i连接的适配器连接到其他n-1个端口中任意端口n，在端口n进行反射校准，根据等式(11)、等式(12)和等式(13)，可确定端口n对应的eisn、eidn和eirn3项中间反射误差项，在端口n和端口i，及端口n和其他任意端口m间共进行两次直通校准，根据等式(14)～等式(17)，可确定eilni、eilin、eilnm、eilmn4项负载匹配中间误差项，及eitni、eitin、eitnm、eitmn4项传输跟踪中间误差项。

如上所述，某端口的负载匹配误差是该端口的固有匹配特性，与源输出端口无关，因此通过在端口n和端口i间进行直通校准可确定端口i处于接收状态时共n-1项负载匹配误差：

elij＝eilin|(j＝1：n，j≠i)(20)

以端口n为中间过渡端口，端口i和端口m间的2项传输跟踪误差通过以下等式确定：

以端口m为中间过渡端口，端口i和除端口m外其他n-2个端口间的2(n-2)项传输跟踪误差通过如下等式确定：

等式(23)和等式(24)中的etjm和etmj已在上面介绍的步骤(3)中通过等式(19)确定，而etim和etmi在步骤(4)中通过等式(21)和等式(22)确定。

通过上面的4个步骤，就可以确定图4所示误差模型中全部2n²+n项误差。

本发明提出的校准方法对于矢量网络分析仪的硬件实现方案无特殊要求，同时由于基于具有最高模型精度的零直通校准标准求解误差模型，相比未知直通校准方法，可提高非插入式校准和测量精度。

同时本发明提出的校准方法对测量条件的设置无特殊要求，因此降低了对测量人员的要求，因此本发明的校准精度更高，并且具有更好的普适性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。