网络分析仪误差校准和修正方法

1.校准和修正的概念

很长时间以来，高精度的网络分析仪一直要求细致的设计和昂贵的硬件电路，以获得尽可能准确的测量结果。然而由于微处理器的应用，通过数学运算来修正测量中的系统误差已成为可能，提高仪器精度的任务由此从电路转移到了校准（Calibration）技术上，因为校准可以通过数学运算来弥补硬件上的局限。

误差修正及校准技术是现代网络分析仪的核心技术之一，它通过校准测量和误差修正，使仪器的测量精度主要取决于所使用的校准件的精度和校准方法。采用软件进行误差修正，最大限度地减小了测量中的系统误差，提高了测量精度，因此被称为“精度增强技术”。正如一些专家所言，“没有误差分析和修正理论，就没有新一代矢量网络分析仪的诞生”。

简单地说，误差“修正”（Correction）是根据测量值和误差模型，求出各项误差并将它们的影响从测量值中扣除。“校准”则是通过测量一系列S参数已知的器件，对包含有器件的真实S参数值和网络分析仪的实际S参数测量值的方程组联立求解，以获得系统误差的过程。校准所用的已知S参数的器件被称为“校准件”。在微波测量中，同轴系统一般选用开路器、短路器和匹配负载Z₀作为校准件，而微带线系统则选用开路器、短路器和偏离短路器作校准件。

误差修正及校准主要有4大步骤：①建立误差模型；②使用校准件作为DUT进行校准测量；③联立方程，提取误差模型中的误差参数；④用已知的误差参数对所有实测的S参数进行修正计算。

以反射参数测量的误差修正和校准为例，使用三个反射系数已知的校准件依次作为DUT进行反射参数测量，分别得到三个以误差为未知数的方程。联立方程组，求解D、T_R、M_S三项系统误差并储存。在对真实的DUT进行测量之后，将实测的反射参数代入误差模型公式中，利用已知系统误差进行修正计算。需要特别指出，传输参数的测量误差与其他网络参数有关，无法采用与反射参数误差处理方法相同的过程实现校准和修正，而必须将所有的S参数全部测出，然后对所有误差进行统一修正。

2.误差校准和修正过程

（1）反射参数误差校准和修正

反射参数的误差模型中有三项误差，需要分别接入三种校准件进行测量，并联立方程组进行求解。常用开路-短路-负载（Open-Short-Load，OSL）方法进行校准。

第一步：接入开路校准件作为DUT。开路器的反射系数为1，即此时S_11A=1。记测量值为S_M1，有

第二步：接入短路校准件作为DUT。短路器的反射系数为-1，即此时S_11A=-1。记测量值为S_M2，有

第三步：接入匹配负载校准件作为DUT。匹配负载的反射系数为0，即此时S_11A=0。记测量值为S_M3，有S_M3=D。

联立解得三项系统误差为

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最后，将DUT重新接入测量，并将测量值与校准所得的误差代入前面的式（12-9），即为求出真实的反射参数的误差修正公式。经误差修正的反射参数已经扣除了系统误差的影响，其精度仅取决于校准件的精度。

（2）12项误差的校准和修正

随着测量的需要和精度要求，各种校准方法层出不穷，目前较常见的校准方法主要有：短路-开路-负载-直通法（Short-Open-Load-Thru，SOLT）、短路-开路-负载-反射法（Short-Open-Load-Reflect，SOLR）等，大多数校准方法都基于12项误差模型。

通常认为同轴SOLT是标准方法，通过使用短路、开路-负载和直通4种校准件进行校准测量，如图12-30所示。

图12-30 SOLT校准测量示意图

当两端口分别接开路、短路、端接匹配负载和直通时，网络分析仪两个端口之间相当于连接了一个双端口网络，这些双端口网络的真实S参数分别为

式中，Γ表征反射系数；γ是传输系数；l为传输线校准件长度。如果校准件是理想的，且与频率无关，则有Γ₀=1+j0，Γ_s=-1+j0，Γ_L=0，e^-γl=1。

当校准件只有反射特性时，网络分析仪测得的双端口S参数为

分别接开路、短路和匹配负载校准件进行校准测量，根据上面两式可得6个方程，可求得D_F、D_R、M_SF、M_SR、T_RF及T_RR；泄漏项C_F、C_R可通过下式求解匹配负载校准件的传输系数得到：C_F=S_21M、C_R=S_12M；连接直通校准件进行校准测量并求解方程，可求得余4项误差M_LF、M_LR、T_TF及T_TR。由此得到全部12个误差项。

经过校准和修正所得的测量精度被大大提高，仅剩下由接口和开关的重复性、系统噪声、温度漂移以及校准件本身精度所引起的随机误差。

需要强调的是，S参数是频率的复函数，意味着误差校准和修正工作必须针对频点进行才有意义。也就是说，一个双端口网络有4个S参数，它们所有12项误差的校准测量都应该在每个测量频点上依次进行，然后在每个点上进行大量的复数运算以实现修正。这项庞大复杂的工作一般由网络分析仪内含的微处理器完成，或借助计算机控制的自动测试系统。