VNA 校准方法和标准件

VNA 校准的重要性

测量校准是为了减小测量系统的系统误差。将专门设计的校准标准件连接到参考面（将连接被测设备 (DUT) 的测量点）后，VNA 可以测量测试装置的影响，并据此对后续测量进行校正。

任何测量系统都存在固有误差，VNA 也不例外。这些误差主要有三类：

• 漂移误差：校准后由环境变化（尤其是温度变化）引起。
• 随机误差：由噪声、电缆连接不匹配或用户操作等测试装置相关因素引起。
• 系统误差：可预测的持续性误差，由 VNA 或测试装置组件的缺陷（例如电缆损耗或阻抗失配）引起。

漂移误差和随机误差只能通过环境控制和正确操作来尽可能降到最小，而系统误差可以通过校准几乎完全消除。

需要注意的是，测量校准不同于仪器校准，后者是为了验证仪器是否按照其规格正常运行。服务中心会定期进行仪器校准，而测量校准则由用户在每次测量时执行。

VNA 校准标准件

VNA 校准需要使用校准标准件，也就是具有精确的已知幅度和相位响应的端接器或耦合器。这些校准标准件在校准过程中可以测量并校正 VNA 和测试装置引起的误差。

这些标准件一般作为校准套件的组件提供，每个标准件的数据都会存储在校准套件的定义文件中，这些文件可以预加载或导入到 VNA。

有四种常见的标准件：

• 直通 (T)：在两个端口之间建立直接、理想的连接，为传输测量提供基线。
• 开路 (O)：表示参考面上的开路。但是，这种标准件在高频下会产生电容，校准时必须考虑这一点。
• 短路 (S)：表示短路，也是反射测量中使用的一种标准件。和开路一样，也必须考虑短路标准件的非理想状态以保证精度。
• 匹配 (M)，也称为“负载”：提供与特性阻抗（例如 50 Ω）匹配的终端，最大限度地减少参考面的反射。

使用标准件的校准可以分为手动校准和自动校准。

在手动校准中，需要按正确的顺序在参考面上手动连接和断开每个标准件。这种方法准确，但是很耗时，还容易出现人为错误。

在自动校准 (autocal) 中，标准件内置于自动校准单元中，由 VNA 控制。自动校准单元会在校准过程中适时自动切换标准件，大大加快了校准速度，还减少了人为错误。这在多端口系统的校准中尤为有用，而手动校准的工作量会非常大。

VNA 校准类型

矢量网络分析的校准类型决定了具体要使用哪些标准件，以及在校准过程中如何连接这些标准件。

单端口校准可用于反射测量，主要分为两类：

• 全单端口校准：需要在参考面上依次连接开路、短路和匹配标准件。这是最准确的单端口校准方法，但需要连接多个标准件，因此很耗时。
• 反射归一化：使用单个开路或短路标准件将反射响应归一化。这比全单端口校准更快，但精度有所降低。

双端口校准适用于传输测量，过程更加复杂，需要考虑会影响两个端口的误差因素。双端口校准主要有三类：

• 传输归一化：只要使用一个直通标准件来测量传输。校准可以是单向，也可以是双向。这种校准速度快，但是无法消除端口的反射误差，因此精度有限。
• 单向双端口校准：在一个端口上进行全单端口校准，同时在两个端口之间进行传输归一化校准。这是一种混合校准方法，能够平衡好速度和精度。
• 全双端口校准：全面的校准方法，可为双端口测量提供最准确的结果，并校正两个端口的所有反射和传输误差。

全双端口校准又可以分为两类：

• 直通-开路-短路-匹配 (TOSM) 方法
• 未知直通-开路-短路-匹配 (UOSM) 方法

TOSM 是标准的全双端口校准方法，应用也最为广泛。这需要在两个端口上进行单端口校准（开路、短路和匹配），然后在两个端口之间连接直通标准件并进行双向测量，总共需要进行八次扫描。这种方法可以准确测量所有 S 参数，但需要连接多个标准件，因此工作量较大，也比较耗时。

UOSM 是 TOSM 的一种变体，将已知的直通标准件替换为未知的耦合器，后者必须具有双向对称的特性。这种校准非常适合具有不同类型连接器的 DUT（例如一端为 SMA，另一端为 N 型），为无法使用直通标准件的情况提供了一种实用的替代方案。