天馈线测试仪的嵌入式电子校准
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【摘要】本文介绍一种应用于天馈线测试仪的嵌入式电子校准方法，提出了一种对内置电子标准进行定值的特殊方法，解决了校准端面和测试端面不一致的问题。文章详细论述了该方法的理论模型和相关公式推导。最后给出了嵌入式校准与常规机械校准的实际测试结果对比。
【关键词】天馈线测试仪；嵌入式；电子标准；定值
1.引言
天馈线测试仪本质是一台单端口的矢量网络分析仪，为实现高精度的测量，需要在测量前进行校准，校准质量直接决定测量精度。现在广泛使用的校准方法是在仪器外部连接校准件来实现，在测试时移除校准件再连接被测件进行测试。这使得测量结果引入了操作者的人为因数，增加了测量风险，也增加了操作者的负担。
本文介绍的嵌入式校准是在电子校准技术基础之上实现的一种自动校准技术，操作者不需要进行额外的校准连接即可完成校准，校准速度快、效率高、一致性好。
2.嵌入式校准的实现方法
实现嵌入式校准的原理框图如图1所示。天馈线测试仪与端口之间嵌入一个电子校准模块。电子校准模块由微波电子开关、多个反射标准、一个直通传输线组成。
校准时，天馈线测试仪通过微波电子开关分别连接到电子标准模块的不同标准进行测试，通过测试值和标称值的一系列运算，获取仪器的系统误差系数。测量时，电子开关到直通，利用校准时获取的系统误差系数对测量值进行修正，从而得到被测件的精确参数。
该方法存在的问题是，校准端面为图1中的参考面A，而测试端面为图1中的参考面B，最后的测试结果ΓA实际是网络S（包括电子开关、直通传输线）的参数和被测件参数ΓB的合成。其信号流图如图2所示。
在图1中，从参考面A看天馈线测试仪，其误差模型图[1]如图3a所示，其三个系统误差项分别为方向性误差，源匹配误差，和反射跟踪误差；从参考面B看天馈线测试仪，其误差模型如图3b所示，其三个系统误差项分别为方向性误差，源匹配误差，和反射跟踪误差。
通过对电子标准模块重新定值，使其定值的参数包含了网络S的相关信息，利用这种经过偏移定值的电子标准模块对天馈线测试进行校准和误差修正，修正后得到的被测件参数移除了网络S的参数，得到被测件的真实参数ΓB。
定义如下矩阵：
为参考面B的系统误差系数矩阵，为参考面A的系统误差系数矩阵，为电子校准模块电子开关和直通传输线造成的误差系数矩阵。
参考图2并根据S参数级联公式可以得到：
要进行正确的误差修正，需要知道误差系数矩阵，而直接利用电子标准模块的真实定值参数进行的校准只能得到误差系数矩阵。
采用一种参考面转移定值方法：对仪器在参考面B进行误差修正，在参考面A对电子标准进行定值，从而实现电子标准从参考面A到参考面B的转移定值。
假设电子标准1到标准N其在参考面A处真实参数为：
仪器对电子标准测量得到的值为：
先在参考面B处对仪器进行校准，得到整个仪器的误差系数。将测量值（6）使用误差系数进行修正，得到参考面转移定值表示如下：
公式（5）和公式（9）比较可以看出，电子标准的偏移定标值与其真实定标值之间相差一个矩阵系数。
参考面转移定值完成后，进行嵌入式校准的过程如下：
测量电子标准模块，得到公式（6），利用公式（8）对整个仪器进行校准，求解误差系数矩阵E：
可得到系统误差系数矩阵，解决了校准参考面A和测量参考面B的不一致问题。
3.验证与结论
我们使用同一台安装了嵌入式电子标准的天馈线测试仪，分别使用机械校准和嵌入式电子校准获取仪器本身的误差系数。两种校准获得的仪器误差系数的比较如图4。
通过比较我们看出，使用机械校准和嵌入式校准所得误差系数基本一致，可达到同一级别的校准精度。
嵌入式电子校准方法的校准速度快，无需操作者额外的连接，具有校准效率高、校准风险小、人员要求低的特点。
参考文献
[1]D. Rytting，“VNA error models and calibration methods，”in Proc.ARFTG/NIST Short Course on RF Measurements for a Wireless World，San Diego， CA， Nov. 27， 2001.
[2]David Blackham， Ken Wong.“Latest Advances In VNA Accuracy Enhancements，”Microwave Journal， Volume 48， July 2005.
[3]Agilent Technologies White Paper，“AgilentUser Characterization：Electronic CalibrationFeature Allows Users toCustomize to Specific Needs”.