矢量网络分析仪的校准技术

50 年代后期，开始出现了对射频和微波频段的可靠的测量以及随之而来的有关可靠测量标准的要求。这便引入了用精确的同轴空气传输线作为阻抗的最基本的标准参考件[ 1 ] ，[ 2 ] ;见图1 。这些传输线使用了具有极高导电性的金属来作为导体材料，使用空气作为电介质，这归因于空气在射频和微波频段内简单的和可预测的电磁特性（例如，磁导率和介电常数）[ 3 ] 。这便保证了这些传输线的特性与理想传输线的特性是非常接近的[4 ]。

 

图1 一个具有不同长度的高精度参考同轴空气传输线的例子。

同样在50 年代末期和整个60 年代，人们做了大量的工作来开发高精度同轴连接器以保证在微波频段所进行的测量具有很好的重复性和可再现性[ 5 ] [ 6 ] 。为了集中精力进行这项工作，便成立了若干个委员会（包括符合IEEE 高精度同轴连接器子委员会[ 7 ] ），任务是为这些高精度连接器制定标准。在60 年代后期，具有高精度测量能力的第一台全自动矢量网络分析仪（VNA）终于问世了（见[ 8 ][ 9 ] ）。接下来这个阶段则设定为要开始采用可靠的技术来确保VNA 的测量工作（图2 ）。

 

图2 基于Agilent 8510 型VNA 基础上的同轴毫米波测量台。多年来，这台分析仪一直是微波测量工业的参考。

然而，在70 年代，80 年代和90 年代所进行的其它关键性的开发工作则大大地改善了VNA 的测量条件。

这些工作包括引入了：
• 较小尺寸的高精度同轴连接器（从3.5mm 连接器开始[10]，到1mm连接器结束[11]），使得测量可以在更宽的频段内进行
• 适用于校准和/或验证VNA 性能的VNA 校准和验证工具套件
• 可靠的VNA 校准技术[包括直通-反射-线段（T R L）[ 1 2 ]，线段-反射-线段（L RL ）[13 ] ，等等]
• 由国家测量标准实验室所采用的6-端口VNA [14][ 例如美国的国家标准和技术研究院局（NIST）和英国的国家物理实验室（NPL）等]来提供一种独立的测量方法以验证商业化的VNA 的性能。

最后，同样是在80 年代末和90 年代初，为了支持迅速发展的微电子工业，国家测量标准实验室（即NIST 和NPL 等）开始将它们的注意力转向了使用VNA 对平面电路进行测量的可靠性的论证。NIST 和NPL 均生产制造了含有与同轴空气传输线等效的平面电路的标准圆芯片[15]，[16] – 即高精度的共面波导段和/或微带传输线。这些传输线为进行在片测量的VNA 的校准提供了参考标准。

以上所有这些工作极大地改善了VNA 用户和专业人员的测量条件。除此之外，工业界，学术界和政府实验室的测量专家们还做了大量的工作，为VNA 的测量制定了可追溯性和其它质量保证方面的机理。

一、系统测量误差

什么是校准和误差修正？

校准被定义为"在特定条件下进行一套操作以建立起由测量仪器或测量系统所显示的数值，或被测材料或参考材料所代表的数值，与其对应的标准值之间的关系"[ 17 ] 。因此，从传统意义上讲，校准是把仪器或组件定期送到标准和/或校准实验室，在那儿完成校准过程。

这个校准过程的结果是通常会出具一份关于仪器已被校准过的证书，该证书证明了仪器或组件的现有状态。

然而，对于VNA 来说，校准这个词至少有两种不同的意义。首先，仍然可以采用传统的校准概念，将VNA 送出去校准，通常是每年一次。（或者，有些公司会指派校准专家前来，提供现场校准服务。）然而，与本文更贴切的是另一种在本地进行的校准方式，通常是在每次要进行一系列测量之前，在进行仪器准备和配置时进行的校准。第二种校准形式的目的是在要求的测量频率上去除来自于仪器硬件的系统误差（并且要将在特定的实验中所需加入的附件考虑进来）。例如，可能会要求是在片测量环境。在这种情况下，首先要将电缆连接到VNA 前面板的连接器上，随后是同轴适配器，最后是在片测试探头（图3 ）。第二种校准形式既要修正这些附加组件的误差，也要修正VNA 系统误差。这便是为什么将这类校准称为误差修正，本文将要讨论这种类型的校准。

 

图3 （a）最先进的300-mm 射频和微波在片测量系统。系统包括：EMI-屏蔽和防光自动探头系统，还集成有散热处理和自动射频校准，一台VNA，射频电缆和射频圆芯片探头。（b）用于系统校准的一套共面校准标准件（一个校准基片）。

日益提高的VNA 测量精度的要求可以通过下列几个方面来达到，改善硬件性能，改进用来表示误差的模型，改进用于计算这些误差的校准方法，以及改进校准标准件。对于S -参数测量来说，系统误差是通过被称为测量系统（即VNA）的误差模型来表示的。在误差模型中所包含的误差系数的数量以及误