网络分析仪TRL校准实践

1. 前言

本文阐述8510C网络分析仪的TRL校准实践过程,供入门者参考。我们将重点描述如何准备网分所需的校准文件(也就是校准件的定义)并给出实际测试结果。作为一种验证校准效果的方法,本文对cross波导进行了实测,并与CST仿真结果对比。本文所用到的波导包括WR-42和WR-28,后者已然工作于毫米波频段。

2. TRL校准文件的准备

a) 为完成本文实践,读者应当具有如下软/硬件:VNA、校准件器件(一个波导短路器、一个波导垫片、两个波导同轴转换器)、生成校准文件的软件(该软件用于定义校准件并将数据发送给VNA)。为完成后续验证测试,读者还需一个额外的波导垫片和直波导)。

b) 本文所用的校准文件生成软件为VNA Cal Kit Manager 2 (其下载网址:点击下方二维码即时连接);

需要注意的是:该软件仅支持如下所示的VNA(读者还可从下载诸如CalKitEditor这样的软件完成类似的工作)。

c) 使用该软件打开已有的校准件文件42CLKA1.ckm后可以看到如下所示的校准件定义(如果没有该文件,亦可用软件的创建功能自行生成;例如,8510系列的VNA,其WR42校准件定义可参照:(点击下方二维码即时连接);

主要的技术参数是standard definitions和class assignments):

d) 还可看到class assignments参数如下(该表中,第一列数字对应着所用的standard,例如:TRL Line选项对应数字为7,表示Line校准件定义为standard definitions中的第7号器件):

e) 对于本文情形而言,关键参数是Line所对应的延迟。从“class assignments”表中可知我们所用的Line standard为7#,这意味着我们应依据实际使用的波导垫片来定义“standard definitions”表中第7行的延迟参数。在本文的后面,当我们以WR-42的校准文件为基础来生成WR-28的校准文件时,仅需更改Line的延迟参数14.85 ps(当然,其它显而易见的参数仍然需要修改,比如频率范围及相关名称等)。下图为经过修改后得到的WR-28校准件定义:

f) 这里,我们说明如何依据波导垫片尺寸来计算延迟参数。首先,我们需要获取波导垫片的厚度(最好的方法是实际测量;另一种方法是从供应商那里获得波导垫片厚度,通常可在其官网或产品数据手册里查到)。当获取到波导垫片厚度后,延迟=厚度/光速。下表给出了一些波导垫片的计算结果,并与CalKitEditor中的参数进行了对比(该软件下载地址: 点击下方二维码即时连接)。二者吻合良好。

需要注意:实测厚度与标称厚度可能略有误差(这是加工过程导致的不可避免误差)。如果读者想自制波导校准件,可参照主流供应商提供的器件尺寸。

g) 在完成校准件定义后,我们使用VNA Cal Kit Manager中的“send the kit to VNA”功能(在 GPIB菜单下)将校准文件发送给VNA(前提是所用PC已经通过GPIB与VNA连接)。至此,已经可以开始执行TRL校准了(基本过程与同轴端口校准测量过程类似,不再赘述)。

3. 测量结果

a) WR-42波导

首先,我们展示一些现场连接图片。下图为测量波导垫片的现场图(方便起见,用夹子来辅助固定波导)。

下图为cross波导实物图(为了验证网分校准结果,将波导垫片绕轴旋转90°以后接入,以此获得一定量的插损效果;这是因为网分的测量不确定度与插损息息相关)。严格来讲,VNA在校准完成后,应执行验证件的测试工作。但是实际中,往往通过观察校准后VNA是否达到如下指标来判断:直通条件下,插损和相依是否都接近0,回损是否大于40dB等。

在下图中,我们展示了cross波导的测量结果及其不确定度(重复执行10次装配/测试过程,取均值为测试结果,取标准方差为不确定度)。结论是:幅度的不确定度约为 0.1 至 0.5 dB。

类似地,下图为相位测量结果及其不确定度:相位的不确定度约为 1 至 3 deg。

为评估测量误差,我们用CST软件仿真了cross波导,其模型如下所示:

仿真结果与实测结果对比如下所示:在默认仿真结果准确的前提下,评估幅度测量位差约为1 dB,相位测量误差约为3 to 8 deg。

b) WR-28波导

同样地,我们对WR-28波导包括毫米波在内的频率范围内进行了测试。需要说明的是,受客观条件限制,我们所用的WR-28波导同轴转换器所配的同轴连接器为2.92mm连接器,而我们所用的网分电缆连接器为3.5mm连接器,二者可以实现配合,但在毫米波频率范围内,其性能通常是难以保证的。VNA校准完成后,首先测量了如下连接情形:“thru” (亦即波导同轴转接器直接相连),“one shim” (在转接器之间插入了一个波导垫片),“two shim” (在转接器之间插入了两个波导垫片),“shim-wg-shim” (在转接器之间插入了“垫片-直波导-垫片”)。显然,随着转接器之间插入的器件数增加,所测插损也应增加。下图所得测量结果在一定程度上符合这个趋势(由于插入的各器件自身损耗小,所以各曲线区分度不高)。而且还观察到在个别频点处,响应异常(S21高于0dB许多)。

下图给出了与上图对应的相位测试结果。对于thru情形,所测相位接近于零。这表面校准性能较佳。另一方面,当插入器件数目增加时,相位也随之增加,符合预期。

接着,我们测量了如下两种连接方式:shim-crossed waveguide-shim以及 shim-crossed shim-waveguide,前者即“垫片-旋转90°直波导-垫片”,后者即“垫片-旋转90°垫片-直波导”。由于直波导长度远大于波导垫片厚度,所以预计前者插损显著大于后者。下图所得测试结果符合这一预期。实际上,下图所示的第一种连接情形已经达到系统极限,所得数据并不能表示实际器件结果。

对于shim-crossed shim-waveguide情形,我们重复装配并测量了三次,结果如下所示(具有较好的可重复性):

为评估测量误差,我们进行了CST仿真并与测试结果对比。WR-28波导的宽度/高度为 7.11/3.56 mm。“shim-cross_shim-waveguide” 连接情形的模型如下所示(仿真中,垫片厚度为3 mm,直波导长度为50.2 mm,波导电导率设置为金电导率 41 MS/m):

对比结果如下图所示:(黑色表示实测结果,红色表示仿真结果;除个别点以外,二者吻合良好)。

以下为shim-crossed waveguide-shim情形的对比结果,如前所述,此时器件的实际插损过大,导致超出了网分测量范围。反过来,也可以由此对VNA的本底噪声有一个评估。

4. 后记

网络分析仪的使用是射频/微波工程师或研发人员的基本功,然而不少人对于网分的校准以及测量误差及不确定度缺乏足够的认识。笔者也是抱着入门学习的态度进行实践,请同行多多指教。