网络分析仪校准验证的常见误区
正确的校准是保证矢量网络分析仪VNA正确测量的前提，现代商用矢量网络分析仪已经提供很多智能的校准方法保证校准的正确性。使用者通常在校准之后，直接测量校准件，来验证校准的结果，这是一种常见的验证方法，但是由于历史原因和对一些细节的认识不够深入，使用者对验证结果的认识有一定误区。本文针对同轴系统的VNA校准的验证做了深入分析和解释，让使用者对验证结果有了进一步的正确的认识。
一、概述
所谓校准，就是测量一组已知器件（即校准件或称标准件），根据仪器接收机实际测试的结果和已知校准件的特性比较，联列方程组，解出的误差项，从而为后续的测量提供修正。
这里需要对校准件做进一步说明，在同轴系统中，校准件通常是开路、短路、匹配和直通，但是由于现实中无法实现理想的开路、短路、匹配和直通，因此需要正确的标定校准件的“特征数据(characteristic data)”。例如开路应该表征为一个寄生电容和一段传输线（损耗和延时）；短路表征为寄生电感和一段传输线，匹配一般表征为一个理想50欧姆，现代网络分析仪也可以对匹配的不理想性进行表征。对于直通校准件，必须精确的表征（或者说“告诉”网络分析仪）其插损和电长度，严格来讲还需要知道其S11和S22，但是目前网络分析的模型都是把直通当一个理想50欧姆的有损传输线来处理的，如图1所示。
图1
一般在校准件的附带的存储设备里面（优盘或软盘），都以文件形式定义，对于低频的同轴校准件，其差异性不是很大，所以大部分商用网络分析仪都内置了常见型号的校准件“特征数据”的典型值（typical）。例如鼎阳科技的F503xx， F603xx。
图2
二、使用校准验证
1、开路、短路、负载校准件的验证
首先要强调，用校准件去验证，实际测试的结果不是“理想”参数，而是校准件“特征数据”。
因此直接测试Open，并不是在史密斯圆图最右端开路位置的一圈点，而是一个沿等驻波比圆，向源（generator）方向的一条曲线。这是因为如图1中的开路校准件实际上是一个寄生电容串联一段有损传输线，对于不同频率传输线引起的相移（包括损耗）是不一样的，因此聚在一起的数百个扫频点，每个点的频率是不一样的，相移各不相同，就显示成一个曲线了，如果看S11的相位，也不是0度，原因同上。
以Silent F603FE这个3.5mm的母头校准件为例，为了简答起见，取1GHz这个点计算。
同理如果测试Short校准件的S11，看到的也是在史密斯圆图左端短路点附近，沿等驻波比圆，向源（generator）方向的一条线，曲线的长度和扫频范围有关。
至于Match，由于目前的网络分析仪一般把它当作理想50欧姆匹配来处理的。所以校准完再次接上Match校准件，其反射系数非常低，一般能达到-60dB左右，这个值可以理解为“有效系统数据”即补偿后的剩余误差。值得注意的是，对于Match会有一个特殊的所谓“记忆（re-recognition）”现象，也就是说用某套校准件校准，如果还是测刚刚校准用的那个Match，反射系数可以到-60dB左右，如果换任何其他一套校准件中的Match，都不可能达到-60dB，一般只能达到-30dB左右。这主要是因为，低频段的网络分析仪都把Match当作理想50欧姆，校准算法仅仅根据当前测试的这个Match的结果来补偿，而实际上每个Match的物理特性都是略有差别的，因此换上另外的Match就不可能达到-60dB左右的反射系数。当然理想的50欧姆也是不可能实现的，这也是影响测量不确定度的一个因素，目前商用网络分析仪在测试反射系数，特别是反射系数特别小的器件的时候（-25dB到-35dB），不确定度一般都能达到2-3dB。
因此有必要再次强调，任何匹配校准件真实的S11（反射系数）达不到－60dB，一般只有-30到-40dB左右。在校准时，系统将它当作理想的匹配，就得到了－60dB这样低的结果。
现代网络分析仪也支持用S参数包来定义校准件，如果采用S参数包文件定义，校准后再测量Open，Short和Match，测量的结果就和S参数定义包里面的数据完全一样。值得注意的是，目前的商用校准件通常只是对Open、Short、Match使用S参数包，对Through还是使用有损传输线的模型。这主要是由于传输线模型已经能比较精确的描述其特性了，由于Through是2端口器件，必须是有S2P文件，而如果用了S2P文件，文件的参数必须和校准件的连接的方向有关，而实际中也不方便规定校准的时候Through的连接方向。
2、直通校准件的验证
同轴校准件最常见的校准方法主要有两种：
SOLT-Short, Open, Load, Through（又称TOSM- Through, Short, Open, Match,）
SOLR- Short, Open, Load, unknown Reciprocal through（又称UOSM- Unknown reciprocal through, Open, Short, Match,）
无论是SOLT还是SOLR校准方法，最后一个接的校准件就是Through。因此校准完之后直接看Through的结果也是最方便和最常用的简单验证方法。下面对在SOLT和SOLR两种方法下Through测量的结果进行详细分析。
和上面类似，使用SOLT校准之后，直接测量Through的结果就是校准件模型中对应的“特征数据”，有一定的插损和相位。这一点是需要注意的，很多使用者一直有一个认识的误区，认为这时候的插损应该是0，相位也是0，这是不正确的。
对于SOLR校准，校准后直接测量Through校准件，这时网络分析仪就把Through直接当成一个被测件来处理，测到的插损和相位就是这个校准件实际的测试结果。值得一提的是，SOLR校准非常适合两端为不同接头类型的器件的测试。例如一个被测件的输入是N型接头，输出是SMA接头。在测试这种器件时，可以在网分的一端使用N型电缆，另一端使用SMA型电缆，校准的时候，可以在N型接头这边使用N型的Open、Short、Match校准件校准，在SMA型接头这边使用SMA的Open、Short、Match校准件。在校准Through的时候，使用任意一个质量较好的N-SMA转接头即可，校准完之后，参考面就是电缆的N型接头和SMA型接头的末端。因此SOLR校准方法也可以用于测试一些接头适配器和射频电缆。
SOLT校准完之后，Through校准件不拿掉，直接测试S11或S22，此时测得的是有效负载匹配（可以当做接近理想50欧姆）串联一段有损传输线的结果，如图5所示，是在史密斯原图中心匹配点附近的一个小圆圈，随着频率的变化呈现一定的复数阻抗特性，逐步偏离50欧姆原点。由于如图3，Through校准件是当作理想50欧姆的有损传输线来处理的，没有考虑Through本身的S11反射，这个值换算成反射系数用dB表示仍然很小，一般网络分析仪在8GHz以下，仍然有-50dB左右。
TOSM校准在测量直通时，仍然要测试S11和S22，并对其补偿，因此校准之后，对当前使用的这个Through校准件也有所谓“记忆（re-recognition）”现象，此时换成另外任何一个Through之后，都不可能达到-50dB的回波损耗的，甚至仅仅把当前这个Through换一个方向连接，也达不到-50dB这个量级。
三、举例
本文以Siglent F603FE校准件为例，做过全一端口校准（Open、Short、Load）后再接上刚刚用的Open校准件，为了计算简单，取1GHz即10^9Hz这个点。
电容计算方法：
公式1
本例中，频率为1GHz即10^9：
公式2
图4
用仿真软件计算49.1fF（软件由于显示原因只能显示0.05pF）并联电容加一段29.243ps（在1GHz的时候对应10.53°）传输线之后的阻抗为0.00-j247.67，如下图，使用Siglent SNA5000测试的实际结果是0.047-j247.99，基本一致。
图5
当然还有另外一种方法，校准完接上Open校准件之后，再“端口延伸”功能中，把端口延伸29.243ps，这时在史密斯原图上读到1GHz的电对应的电容是49.22fF和校准件的给定值49.1pF接近。
图6
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