CN109239634A

CN109239634A - 基于岭回归的二端口矢量网络分析仪校准的方法

Info

Publication number: CN109239634A
Application number: CN201811054067.8A
Authority: CN
Inventors: 周斌; 林禹全; 方广有
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2018-09-10
Filing date: 2018-09-10
Publication date: 2019-01-18
Anticipated expiration: 2038-09-10
Also published as: CN109239634B

Abstract

本发明提供一种基于岭回归的二端口矢量网络分析仪校准的方法，包括如下步骤：S1，建立12项误差模型，得到二端口矢量网络分析仪的散射参数的真实值与12项误差和散射参数的测量值之间的第一解析式；S2，建立单端口误差模型，得到二端口矢量网络分析仪的散射参数的真实值与所述12项误差和散射参数的测量值之间的第二解析式，对两个端口分别采用岭回归算法进行校准，得到全部12项误差的值；S3，将得到的12项误差的值和散射参数的测量值代入所述第一解析式中，得到散射参数的真实值，12项误差是指有效方向性前、后向误差，隔离度前、后向误差，等效源失配前、后向误差，等效匹配负载失配前、后向误差，传输跟踪前、后向误差，反射跟踪前、后向误差。

Description

基于岭回归的二端口矢量网络分析仪校准的方法

技术领域

本发明涉及矢量网络分析仪领域，尤其涉及一种二端口矢量网络分析仪校准的方法。

背景技术

矢量网络分析仪是一种用于全面测定微波网络参数的仪器，其广泛用于元件制造、航空航天、微波通信以及实验教学等领域，被称为是射频微波领域界的万用表。但是，由于矢量网络分析仪自身结构以及测量特性的原因，在测量过程中产生误差是不可避免的，若想得到真实准确的测量数据，必须对其误差进行分析并校准。

目前存在的对于双端口矢量网络分析仪的主流校准方法是基于12项误差的SOLT经典校准方法，但是这种方法在双端口网络的实际测量中仍会产生问题，尤其对于反射参数的测量误差较大，通过12项误差的SOLT校准方法后的测量值与通过电子校准件校准后对于同一待测件的测量值有一定的差异，效果不尽人意。通过带入引入更复杂的微波网络模型虽然可以提升校准效果，但算法复杂，计算耗时长，不利于实际应用。

发明内容

为了克服上述问题的至少一个方面，本发明实施例提供一种基于岭回归的二端口矢量网络分析仪校准的方法，包括如下步骤：S1，建立12项误差模型，得到二端口矢量网络分析仪的散射参数的真实值与12项误差和散射参数的测量值之间的第一解析式；S2，建立单端口误差模型，得到二端口矢量网络分析仪的散射参数的真实值与所述12项误差和散射参数的测量值之间的第二解析式，对两个端口分别采用岭回归算法进行校准，得到全部12项误差的值；S3，将得到的12项误差的值和散射参数的测量值代入所述第一解析式中，得到散射参数的真实值，其中，所述12项误差是指有效方向性前向误差、有效方向性后向误差、隔离度前向误差、隔离度后向误差、等效源失配前向误差、等效源失配后向误差、等效匹配负载失配前向误差、等效匹配负载失配后向误差、传输跟踪前向误差、传输跟踪后向误差、反射跟踪前向误差和反射跟踪后向误差。

根据一些实施例，所述第一解析式如下：

其中，S_11X、S_22X、S_21X、S_12X分别表示散射参数S₁₁、S₂₂、S₂₁、S₁₂的真实值，S_11M、S_22M、S_21M、S_12M分别表示散射参数S₁₁、S₂₂、S₂₁、S₁₂的测量值，E_DF表示有效方向性前向误差、E_DR表示有效方向性后向误差、E_XF表示隔离度前向误差、E_XR表示隔离度后向误差、E_SF表示等效源失配前向误差、E_SR表示等效源失配后向误差、E_LF表示等效匹配负载失配前向误差、E_LR表示等效匹配负载失配后向误差、E_TF表示传输跟踪前向误差、E_TR表示传输跟踪后向误差、E_RF表示反射跟踪前向误差以及E_RR表示反射跟踪后向误差。

根据一些实施例，步骤S2包括S21，建立单端口误差模型，得到二端口矢量网络分析仪的散射参数的真实值与12项误差和散射参数的测量值之间的第二解析式；S22，对第一端口分别接入开路校准件、短路校准件和负载校准件，得到三组数据，对所述三组数据运用岭回归算法进行拟合；S23，对第二端口重复步骤S22，得到所述12项误差中反射误差的值；S24，通过测量所述第一端口和所述第二端口之间的传输与隔离参数，结合所述反射误差的值确定所述12项误差中传输误差的值。

根据一些实施例，步骤S24包括S241，移开低通滤波器，接匹配负载测传输参数S₂₁和S₁₂，分别得到测量值M1和M4；S242，所述第一端口和所述第二端口连通，分别测传输参数S₂₁、S₁₂和反射参数S₁₁、S₂₂，分别得到测量值M2、M5和M3、M6；S243，结合所述测量值和所述12项误差中的反射误差得到所述12项误差中剩余误差的值。

根据一些实施例，岭回归算法运用如下公式进行拟合：

其中，λ为略大于0.1的常数，S_X1、S_X2和S_X3均为真实值，S_M1、S_M2和S_M3分别为接入开路校准件、短路校准件和匹配负载校准件的测量值，接入开路校准件时S_X1＝1，接入短路校准件时S_X2＝-1，接入匹配负载校准件时S_X3＝0，E_DF表示有效方向性前向误差，E_SF表示等效源失配前向误差，E_RF表示反射跟踪前向误差，i为虚数单位。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明将岭回归算法引入校准过程中，并未明显增加算法复杂度，相比传统12项误差算法达到了更为精确的校准效果。本发明与引入复杂的网络算法相比，具有相当的精确度，但更加精简实用。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1是本发明一个实施例的工作流程图；

图2是本发明一个实施例的双端口12项误差模型示意图；

图3是本发明一个实施例的单端口误差模型示意图；

图4A是本发明实施例与电子校准件针对图2中1端口发射的散射参数S₁₁的校准效果对比图；

图4B是本发明实施例与电子校准件针对图2中1端口发射的散射参数S₂₁的校准效果对比图；

图4C是本发明实施例与电子校准件针对图2中1端口发射的散射参数S₁₂的校准效果对比图；

图4D是本发明实施例与电子校准件针对图2中1端口发射的散射参数S₂₂的校准效果对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本发明提供一种基于岭回归的二端口矢量网络分析仪校准的方法，该方法通过岭回归的最小二乘法结合传统的12项误差的SOLT校准方法，在未明显增加算法复杂度的情况下，大大提高了校准的精确度。

图1是根据本发明一个实施例的工作流程图。如图1所示，本发明实施例包括如下步骤：

S1，建立12项误差模型，得到二端口矢量网络分析仪的散射参数的真实值与12项误差和散射参数的测量值之间的第一解析式。

激励端口不同时，误差模型分为前向误差模型和后向误差模型。因此，12项误差分别为有效方向性前向误差E_DF、有效方向性后向误差E_DR、隔离度前向误差E_XF、隔离度后向误差E_XR、等效源失配前向误差E_SF、等效源失配后向误差E_SR、等效匹配负载失配前向误差E_LF、等效匹配负载失配后向误差E_LR、传输跟踪前向误差E_TF、传输跟踪后向误差E_TR、反射跟踪前向误差E_RF和反射跟踪后向误差E_RR。12项误差还可以分为反射误差和传输误差。反射误差可以是有效方向性误差、等效源失配误差和反射跟踪误差；传输误差可以是隔离度误差、等效匹配负载失配误差和传输跟踪误差。

散射参数包括S₁₁、S₂₂、S₁₂和S₂₁，S₁₁为输入反射系数，即输入回波损耗；S₂₂为输出反射系数，即输出回波损耗；S₁₂为反向传输系数，即隔离；S₂₁为正向传输系数，即增益。S_11X、S_22X、S_12X和S_21X为散射参数的真实值，S_11M、S_22M、S_12M和S_21M为散射参数未经校准的直接测量值。

图2是根据本发明一个实施例的双端口12项误差模型示意图。根据图2所示，以及结合Mason法则，可以得出二端口矢量网络分析仪的散射参数的真实值与12项误差和散射参数的测量值之间的第一解析式，第一解析式如下所示：

其中，

S2，建立单端口误差模型，得到二端口矢量网络分析仪的散射参数的真实值与所述12项误差和散射参数的测量值之间的第二解析式，对两个端口分别采用岭回归算法进行校准，得到全部12项误差的值。

图3是根据本发明一个实施例的单端口误差模型示意图。如图3所示，以第一端口前向传播为例，E_D为有效方向性误差，E_S为等效源失配误差，E_R为反射跟踪误差。根据图3和Mason公式，可以确定二端口矢量网络分析仪的散射参数的真实值与所述12项误差和散射参数的测量值之间的第二解析式，这里方向性误差记为E_DF，反射跟踪误差记为E_RF，源失配误差记为E_SF。第二解析式中的其中一个如下所示：

为了便于之后的计算，可以将其变形为下式：

S_11M＝E_DF-(E_DFE_SF-E_RF)S_11X+E_SFS_11MS_11X

类似的，可以得到S_22M、S_12M和S_21M的解析式。

然后，对单端口的反射误差进行校准，分别接入开路校准件、短路校准件和负载校准件，可以得到三组数据，对这三组数据采用岭回归算法进行拟合。在某些实施例中，可以采用下式对三组数据进行岭回归的拟合：

其中，λ为大于0.1的常数，一般情况下λ略大于0.1，不同仪器的具体数值可能不同，例如可以取λ＝0.101；S_X1、S_X2和S_X3均为真实值，S_M1、S_M2和S_M3分别为接入开路校准件、短路校准件和匹配负载校准件的测量值，接入开路校准件时S_X1＝1，接入短路校准件时S_X2＝-1，接入匹配负载校准件时S_X3＝0，E_DF、E_SF和E_RF均属于所述12项误差，i为虚数单位，i²＝-1。

分别对第一端口和第二端口进行操作，根据两组拟合的结果，可以解出有效方向性前向误差E_DF、有效方向性后向误差E_DR、等效源失配前向误差E_SF、等效源失配后向误差E_SR、反射跟踪前向误差E_RF和反射跟踪后向误差E_RR。

然后，可以对传输误差进行校准，也即是对传输过程中的误差进行校准。通过测量第一端口和第二端口之间传输与隔离参数确定传输过程中的误差，具体过程如下：

(1)移开低通滤波器，接匹配负载测传输参数S₂₁和S₁₂，分别得到测量值M1和M4。本实施例中的低通滤波器可以是575M低通滤波器(DUT)，当然，在其他的实施例中，低通滤波器可以是其他型号。

因为S_11x＝S_22X＝S_12X＝S_21X＝0，所以M1＝E_XF；M4＝E_XR。

(2)所述第一端口和所述第二端口连通，分别测传输参数S₂₁、S₁₂和反射参数S₁₁、S₂₂，分别得到测量值M2、M5和M3、M6。

因为S_11X＝S_22X＝0，S_12X＝S_21X＝1；所以

联立以上解析式，可以得到：

E_XF＝M₁

E_TF＝(M₂-M₁)(1-E_SFE_LF)

E_XR＝M₄

E_TR＝(M₅-M₄)(1-E_SRE_LR)

6个测量值M1、M2、M3、M4、M5和M6和有效方向性前向误差E_DF、有效方向性后向误差E_DR、等效源失配前向误差E_SF、等效源失配后向误差E_SR、反射跟踪前向误差E_RF和反射跟踪后向误差E_RR均为已知，至此，即可求得全部12项误差。

S3，将得到的12项误差的值和散射参数的测量值代入所述第一解析式中，得到散射参数的真实值。

将通过上式得到的E_XF、E_LF、E_TF、E_XR、E_LR和E_TR以及之前得到的E_DF、E_DR、E_SF、E_SR、E_RF和E_RR全部代如入第一解析式中，即可得到经过校准的真实值。本实施例中以575M低通滤波器为例，图4A、图4B、图4C和图4D分别展示了本发明实施例与电子校准件针对图2中1端口发射的散射参数S₁₁、S₂₁、S₁₂和S₂₂的校准效果对比，图中的E-cal精确校准即是电子校准件校准。图4A、图4B、图4C和图4D中横坐标都表示频率，纵坐标分别表示散射参数S₁₁、S₂₁、S₁₂和S₂₂的值，散射参数S₁₁、S₂₁、S₁₂和S₂₂的值均在[-1，1]之间。从图中可以看出，本实施例与精准的电子校准件校准的结果几乎一致，说明本实施例可以达到很好的校准效果。

本发明将基于岭回归的最小二乘法引入校准过程中，在未明显增加算法复杂度的情况下，大大提高了二端口矢量网络分析仪的散射参数的校准结果。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种基于岭回归的二端口矢量网络分析仪校准的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，建立12项误差模型，得到二端口矢量网络分析仪的散射参数的真实值与12项误差和散射参数的测量值之间的第一解析式；

S2，建立单端口误差模型，得到二端口矢量网络分析仪的散射参数的真实值与所述12项误差和散射参数的测量值之间的第二解析式，对两个端口分别采用岭回归算法进行校准，得到全部12项误差的值；

S3，将得到的12项误差的值和散射参数的测量值代入所述第一解析式中，得到散射参数的真实值，

其中，所述12项误差是指有效方向性前向误差、有效方向性后向误差、隔离度前向误差、隔离度后向误差、等效源失配前向误差、等效源失配后向误差、等效匹配负载失配前向误差、等效匹配负载失配后向误差、传输跟踪前向误差、传输跟踪后向误差、反射跟踪前向误差和反射跟踪后向误差。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一解析式如下：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2包括：

S21，建立单端口误差模型，得到二端口矢量网络分析仪的散射参数的真实值与12项误差和散射参数的测量值之间的第二解析式；

S22，对第一端口分别接入开路校准件、短路校准件和负载校准件，得到三组数据，对所述三组数据运用岭回归算法进行拟合；

S23，对第二端口重复步骤S22，得到所述12项误差中反射误差的值；

S24，通过测量所述第一端口和所述第二端口之间的传输与隔离参数，结合所述反射误差的值确定所述12项误差中传输误差的值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S24包括：

S241，移开低通滤波器，接匹配负载测传输参数S₂₁和S₁₂，分别得到测量值M1和M4；

S242，所述第一端口和所述第二端口连通，分别测传输参数S₂₁、S₁₂和反射参数S₁₁、S₂₂，分别得到测量值M2、M5和M3、M6；

S243，结合所述测量值和所述12项误差中的反射误差得到所述12项误差中剩余误差的值。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述岭回归算法运用如下公式进行拟合：

其中，λ为大于0.1的常数，S_X1、S_X2和S_X3均为真实值，S_M1、S_M2和S_M3分别为接入开路校准件、短路校准件和匹配负载校准件的测量值，接入开路校准件时S_X1＝1，接入短路校准件时S_X2＝-1，接入匹配负载校准件时S_X3＝0，E_DF表示有效方向性前向误差，E_SF表示等效源失配前向误差，E_RF表示反射跟踪前向误差，i为虚数单位。