DE102005058429A1

DE102005058429A1 - Verfahren zum Implementieren einer TRL-Kalibrierung bei einem VNA

Info

Publication number: DE102005058429A1
Application number: DE102005058429A
Authority: DE
Inventors: Kenneth H. Santa Rosa Wong; David V. Santa Rosa Blackham; James C. Santa Rosa Liu; Keith F. Santa Rosa Anderson
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2005-01-03
Filing date: 2005-12-07
Publication date: 2006-07-27
Also published as: GB2421802B; GB2421802A; US7124049B2; GB0524680D0; US20060161369A1

Abstract

Bei einem Ausführungsbeispiel weist ein Verfahren ein Speichern von Parametern, die auf Schaltfehlerkorrekturausdrücke eines Vektornetzwerkanalysators (VNA) bezogen sind, und ein Anwenden eines Kalibrierungsprozesses einer TRL-Gruppe von Kalibrierungsprozessen auf den VNA auf, um Kalibrierungsmessungen zu erzeugen, wobei der Kalibrierungsprozess Kalibrierungsmessungen erzeugt, eine Schaltfehlerkorrekturmatrix unter Verwendung der gespeicherten Parameter und eines Teilsatzes der Kalibrierungsmessungen berechnet und die Schaltfehlerkorrekturmatrix vor einem Lösen nach acht systematischen Fehlerausdrücken, die dem Kalibrierungsprozess zugeordnet sind, auf Kalibrierungsmessungen anwendet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Kalibrieren eines Vektornetzwerkanalysators (VNA = vector network analyzer).

1 zeigt einen VNA 100 gemäß einem herkömmlichen Entwurf. Wie es in 1 gezeigt ist, weist der VNA 100 einen Schalter 101 auf, um zwischen VNA-Toren (VNA-Ports) A bis D umzuschalten, um einen Weg zu einem einzigen Referenzempfänger 102 einzurichten. Wenn der HF-Signalwegschalter 101 eine Stellung verändert, verändert sich auch der Abschluss des Testtors. Die Veränderung bei einem Abschluss bewirkt, dass der Quellanpassungsausdruck von dem Lastanpassungsausdruck unterschiedlich ist. Bei einem Mehrfachtor-VNA (mehr als zwei Testtore) ist es möglich, dass jedes Testtor mehrere unterschiedliche Lastanpassungsausdrücke aufweist. Während einer Kalibrierung muss jeder der Lastanpassungsausdrücke in der gleichen Weise wie ein Zweitor-VNA gekennzeichnet und behandelt werden. Der Unterschied zwischen einer Quell- und einer Lastanpassung wird als der „Schaltfehler" bezeichnet. Das standardmäßige Zwölf-Ausdruck-VDA-Fehlermodell (oder Mehrfachtoräquivalent) leitet den Lastanpassungsausdruck von der Durchgangsverbindung ab.

Die TRL-Familie oder -Gruppe von Kalibrierungen basiert auf dem Acht-Ausdruck-Fehlermodell, das lediglich einen einzigen Anpassungsausdruck bei jedem Testtor einfaktorisiert. Die TRL-Familie benötigt gewöhnlich zwei Empfänger für jedes Testtor, um eine jegliche Toranpassungsvariation durch zusätzliche Messungen auszufaktorisieren und um die notwendigen Daten zu erhalten, um die systematischen Fehlerausdrücke des VNA zu bestimmen. Die TRL-Familie von Kalibrierungen umfasst alle Kalibrierungsalgorithmen, die darauf basieren, unabhängig von einem Schalten für jedes Testtor eine konstante Anpassung definiert zu haben. Die TRL-Familie umfasst TRL, TRM, LRL, LRM und „Unknown-Thru"-Algorithmen, aber ist nicht begrenzt darauf. Nachfolgende Bezugnahmen auf eine TRL-Kalibrierung, wie dieselbe hierin verwendet ist, gelten für die gesamte Familie einer Kalibrierung und nicht für einen spezifischen Algorithmus. Weil zwei Empfänger erforderlich sind, kann das herkömmliche TRL-Kalibrierungsverfahren nicht auf den VNA 100 angewandt werden. Um dieses Problem anzusprechen, wurde ein zweistufiger Kalibrierungsprozess entwickelt. Bei dem zweistufigen Prozess wird anfänglich das SOLT-Kalibrierungsverfahren (SOLT = short, open, load, through = Kurzschluss, Leerlauf, Last, Durchgang) durchgeführt, um die Schaltfehlerkorrekturausdrücke zu erhalten. Nach der anfänglichen Kalibrierung und wenn eine Fehlerkorrektur „ein"-geschaltet ist, wird durch ein Anwenden des TRL-Kalibrierungsprozess die zweite Stufe durchgeführt. Die mehrstufige Kalibrierung verdoppelt im Wesentlichen die Zeitdauer, die erforderlich ist, um einen VNA zu kalibrieren, verglichen mit der Kalibrierungszeit, die einem VNA zugeordnet ist, der einen Referenzempfänger für jedes Tor aufweist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Vektornetzwerkanalysator und ein Verfahren mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen Vektornetzwerkanalysator gemäß Anspruch 1 und Anspruch 14 und ein Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst.

Einige darstellende Ausführungsbeispiele ermöglichen, dass Kalibrierungsprozeduren in effizienter Weise auf einen VNA angewandt werden, der lediglich einen einzigen Referenzempfänger besitzt. Bei einigen darstellenden Ausführungsbeispielen wird eine SOLT-Kalibrierung als eine anfängliche Kalibrierungsstufe durchgeführt. Die SOLT-Kalibrierung wird verwendet, um Parameter zu berechnen, die den Schaltfehler korrekturausdrücken des VNA zugeordnet sind. Die berechneten Parameter werden gespeichert. Auf eine nachfolgende Rekalibrierung des VNA hin lassen einige darstellende Ausführungsbeispiele die Notwendigkeit eines Wiederholens der SOLT-Kalibrierungsstufe weg. Insbesondere gehen einige darstellende Ausführungsbeispiele direkt zu dem TRL-Kalibrierungsprozess über. Eine Schaltfehlerkorrekturmatrix wird unter Verwendung der gespeicherten Parameter und der Messungsdaten aus dem TRL-Kalibrierungsprozess berechnet. Die Schaltfehlerkorrekturmatrix wird auf die Messungsdaten angewandt und die Fehlerausdrücke werden berechnet.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen VNA mit einzigem Referenzempfänger gemäß einem herkömmlichen Entwurf;
2 und 3 Vorwärts- und Rückwärts-Acht-Fehlerausdruck-Modelle;
4 ein Flussdiagramm, das Kalibrierungsoperationen umfasst, die an einem VNA durchgeführt werden, der lediglich einen Referenzempfänger aufweist, gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel; und
5 einen VNA gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel.
Um die Erörterung der mathematischen Basis, die einigen darstellenden Ausführungsbeispielen zugeordnet ist, zu erleichtern, ist das Acht-Ausdruck-Fehlermodell 200 in 2 gezeigt. Einen VNA mit zwei Empfängern pro Testtor, der die eingehenden und reflektierten Signale messen kann, wenn der Schalter in die Vorwärtsstellung platziert ist und eine Leitung an die Tor-1-Seite angelegt ist, vorrausgesetzt, werden die folgenden Gleichungen erhalten: bf0 = S11maf0 + S12maf3 bf3 = S21maf0 + S22maf3 (1)
3 zeigt das Acht-Ausdruck-Fehlermodell 300, bei dem eine Leistung an die Tor-2-Seite angelegt ist. Wenn der Schalter in die Rückwärtsseite platziert ist und eine Leistung an die Tor-2-Seite angelegt ist, werden die folgenden Gleichungen erhalten: br3 = S21mar0 + S22mar3 br0 = S11mar0 + S12mar3 (2)
Weil das System nicht vollkommen ist, bewirkt durch L₁ und L₂, sind die Ausdrücke a₃ ^f und a₀ ^r nicht Null und müssen angesprochen werden. Die Gleichungen (1) und (2) werden in die folgende Form neu angeordnet:
Wenn
dann [SR] = [Sm]·[Msc] und [Sm] – [SR]·[Msc ]–1 (5)
Lösen von Gleichung (5) ergibt Folgendes:
Es ist zu beachten, dass zwei zusätzliche Messungen a₃ ^f und a₀ ^r verwendet werden, um [S_m] zu lösen. Bei einem VNA mit lediglich einem Referenzempfänger jedoch können diese Ausdrücke nicht bestimmt werden.
Um die Schaltfehlerkorrekturausdrücke aus einer unterschiedlichen Perspektive zu lösen, können die Ausdrücke L_f und L_r wie folgt umgeschrieben werden:
Gleichung (7) kann wie folgt zurück zu Gleichung (6) substituiert werden (dieses Verfahren ist äquivalent zu einem Hinzufügen eines unvollkommenen Abschusses zu dem jeweiligen Fehlerkasten):
Falls L₁ und L₂ bestimmt und gesichert werden können, können die Werte wiedererlangt und in Gleichung (6) verwendet werden. Aus 2 und 3 können die folgenden Gleichungen abgeleitet werden:
Ein Auflösen nach L₂ und L₁ ergibt:
Wenn man Gleichung (8) mit Gleichung (6) vergleicht, ist zu erkennen, dass: af3 = bf3 L2 und ar0 = br0 L1 (11)
Basierend auf den vorhergehenden mathematischen Ableitungen wird beobachtet, dass die Parameter L₁ und L₂ unter Verwen dung eines Kalibrierungsprozesses basierend auf dem Zwölf-Ausdruck-Fehlermodell (z. B. dem SOLT-Verfahren) bestimmt werden können. Bei VNAs mit Dualreflektometern an jedem Tor werden a₃ ^f und a₀ ^r direkt gemessen. Bei VNA-Systemen ohne Dualreflektometer können die Ausdrücke a₃ ^f und a₀ ^r nicht direkt durch Kalibrierungsverfahren bestimmt werden, die das Acht-Ausdruck-Fehlermodell verwenden. Falls jedoch ein VNA in Zeit und Temperatur ausreichend stabil ist, kann angenommen werden, dass die Parameter L₁ und L₂ (zumindest „kurz"-fristig) relativ konstant bleiben. Anstelle eines direkten Messens der Ausdrücke a₃ ^f und a₀ ^r auf jede Kalibrierung hin können diese Ausdrücke folglich aus den Ausdrücken b₃ ^f und b₀ ^r und den Parametern L₁ und L₂ berechnet werden.
Angesichts der Fähigkeit, die Ausdrücke a₃ ^f und a₀ ^r unter Verwendung gespeicherter Parameter genau zu schätzen, kann ein effizientes Verfahren zum Kalibrieren eines VNA, der lediglich einen Referenzempfänger aufweist, erreicht werden, wie es in 4 gezeigt ist. Die Abschnitte des Flussdiagramms von 4 können unter Verwendung einer geeigneten Logik (z. B. einer Software oder einer integrierten Schaltungsanordnung) an einem VNA oder einer zugeordneten Verarbeitungsplattform (z. B. einem Personalcomputer) implementiert werden. Dies ist ebenfalls auf einen VNA mit mehr als einem Referenzempfänger anwendbar. Einige Referenzempfängerentwürfe messen die Ausdrücke a₃ ^f und a₀ ^r nicht korrekt.
Bei einem Schritt 401 wird ein Kalibrierungsverfahren (z. B. das SOLT-Verfahren) basierend auf dem 12-Fehler-Ausdruck-Modell auf einen VNA angewandt. Bei einem Schritt 402 werden die Parameter L₁ und L₂, wie dieselben oben definiert sind, berechnet und gespeichert.
Bei einem Schritt 403 wird eine TRL-Kalibrierung durchgeführt, um Kalibrierungsdaten zu erzeugen. Bei einem Schritt 404 wird eine Schaltfehlerkorrekturmatrix unter Verwendung der berechneten Ausdrücke a₃ ^f und a₀ ^r gebildet. Bei einem Schritt 405 wird die Schaltfehlerkorrekturmatrix gebildet und bei einem Schritt 406 wird die Schaltfehlerkorrekturmatrix auf die Kalibrierungsdaten angewandt. Bei einem Schritt 407 werden die korrigierten Kalibrierungsdaten dann verwendet, um die acht systematischen Fehlerausdrücke unter Verwendung von standardmäßigen TRL-Techniken zu berechnen. Bei einem Schritt 408 tritt ein Vorrichtungstesten unter Verwendung des kalibrierten VNA auf.
Bei einigen Ausführungsbeispielen wird der SOLT-Kalibrierungsprozess von Zeit zu Zeit wiederholt, um eine Langzeitgenauigkeit der gespeicherten Parameter L₁ und L₂ beizubehalten. Zusätzlich umfassen die gespeicherten Parameter L₁ und L₂ vorzugsweise ausreichende Datenpunkte, um Interpolierungsfehler zu reduzieren.
5 zeigt einen VNA 300 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. Der VNA 500 umfasst mindestens einen Referenzempfänger. Der VNA 500 weist eine SOLT-Kalibrierungssoftware 502 auf, die Parameter L₁ und L₂ berechnet und die Parameter in einer Datendatei 501 speichert. Der VNA 500 umfasst ferner eine TRL-Kalibrierungssoftware 304, die Ausdrücke a₃ ^f und a₀ ^r unter Verwendung der Datendatei 501 berechnet, eine Schaltfehlerkorrekturmatrix erzeugt und acht systematische Fehlerausdrücke unter Verwendung von schaltfehlerkorrigierten Kalibrierungsdaten berechnet. Die TRL-Kalibrierungssoftware 304 führt vorzugsweise eine Interpolierung der Parameter L₁ und L₂ für Frequenzen durch, die in der Datendatei 501 nicht explizit dargestellt sind. Obwohl in 5 gezeigt ist, dass die Software Kalibrierungsoperationen durchführt, könnte alternativ eine andere geeignete Logik verwendet werden, wie beispielsweise eine integrierte Schaltungsanordnung.

Claims

Vektornetzwerkanalysator (VNA), der folgende Merkmale aufweist: eine Logik zum Berechnen (502) von Parametern, die auf Schaltfehlerkorrekturausdrücke des VNA bezogen sind, aus Daten, die während eines ersten Kalibrierungsprozesses erhalten werden, der ein Zwölf-Ausdruck-Fehlermodell verwendet; eine Datendatei zum Speichern (501) der Parameter; und eine Logik zum Berechnen (504) von acht systematischen Fehlerausdrücken des VNA unter Verwendung eines zweiten Kalibrierungsprozesses einer TRL-Gruppe von Kalibrierungen, wobei der zweite Kalibrierungsprozess Kalibrierungsmessungen erzeugt, eine Schaltfehlerkorrekturmatrix unter Verwendung der gespeicherten Parameter und eines Teilsatzes der Kalibrierungsmessungen berechnet und die Schaltfehlerkorrekturmatrix vor einer Berechnung der acht systematischen Fehlerausdrücke auf Kalibrierungsmessungen anwendet.
VNA gemäß Anspruch 1, bei dem die Parameter aus dem SOLT-Kalibrierungsprozess (SOLT = short, open, load, through = Kurzschluss, Leerlauf, Last, Durchgang) abgeleitet sind.
VNA gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Teilsatz der Kalibrierungsmessungen eine b₃ ^f-Messung eines Acht-Ausdruck-Fehlermodells umfasst.
VNA gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Teilsatz der Kalibrierungsmessungen eine b₀ ^r-Messung eines Acht-Ausdruck-Fehlermodells umfasst.
VNA gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine Berechnung der Schaltfehlerkorrekturmatrix ein Interpolieren von Punkten aufweist, die Frequenzen zugeordnet sind, die nicht in den gespeicherten Parametern dargestellt sind.
VNA gemäß eine der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Lösen nach acht systematischen Fehlerausdrücken ein Bestimmen einer ersten Fehlermatrix, die einem ersten Tor des VNA zugeordnet ist, und einer zweiten Fehlermatrix aufweist, die einem zweiten Tor des VNA zugeordnet ist.
Verfahren, das folgende Schritte aufweist: Speichern (402) von Parametern, die auf Schaltfehlerkorrekturausdrücke eines Vektornetzwerkanalysators (VNA) bezogen sind; und Anwenden (403) eines Kalibrierungsprozesses einer TRL-Gruppe von Kalibrierungen auf den VNA, um Kalibrierungsmessungen zu erzeugen, wobei der Kalibrierungsprozess Kalibrierungsmessungen erzeugt, eine Schaltfehlerkorrekturmatrix unter Verwendung der gespeicherten Parameter und eines Teilsatzes der Kalibrierungsmessungen berechnet (405) und die Schaltfehlerkorrekturmatrix vor einem Lösen (407) nach acht systematischen Fehlerausdrücken, die dem Kalibrierungsprozess zugeordnet sind, auf Kalibrierungsmessungen anwendet (406).
Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem die Parameter aus einem Kalibrierungsprozess basierend auf einem Zwölf-Ausdruck-Fehlermodell abgeleitet sind.
Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, bei dem die Parameter aus dem SOLT-Kalibrierungsprozess (SOLT = short, open, load, through = Kurzschluss, Leerlauf, Last, Durchgang) abgeleitet sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem der Teilsatz der Kalibrierungsmessungen eine b₃ ^f-Messung eines Acht-Ausdruck-Fehlermodells umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem der Teilsatz der Kalibrierungsmessungen eine b₀ ^r-Messung eines Acht-Ausdruck-Fehlermodells umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem eine Berechnung der Schaltfehlerkorrekturmatrix ein Interpolieren von Punkten aufweist, die Frequenzen zugeordnet sind, die nicht in den gespeicherten Parametern dargestellt sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12, bei dem das Lösen nach acht systematischen Fehlerausdrücken ein Bestimmen einer ersten Fehlermatrix, die einem ersten Tor des VNA zugeordnet ist, und einer zweiten Fehlermatrix aufweist, die einem zweiten Tor des VNA zugeordnet ist.
Vektornetzwerkanalysator (VNA), der folgende Merkmale aufweist: eine Einrichtung zum Berechnen (502) von Parametern, die auf Schaltfehlerkorrekturausdrücke des VNA bezogen sind, aus Daten, die während eines ersten Kalibrierungsprozesses erhalten werden, der ein Zwölf-Ausdruck-Fehlermodell verwendet; eine Einrichtung zum Speichern (501) der Parameter; und eine Einrichtung zum Erzeugen von Kalibrierungsmessungen unter Verwendung eines zweiten Kalibrierungspro zesses aus einer TRL-Gruppe von Kalibrierungsprozessen; eine Einrichtung zum Berechnen einer Schaltfehlerkorrekturmatrix unter Verwendung der gespeicherten Parameter und eines Teilsatzes der Kalibrierungsmessungen; eine Einrichtung zum Anwenden der Schaltfehlerkorrekturmatrix auf die Kalibrierungsmessungen; und eine Einrichtung zum Berechnen (504) von acht systematischen Fehlerausdrücken des VNA unter Verwendung der schaltfehlerkorrigierten Kalibrierungsmessungen.
VNA gemäß Anspruch 14, bei dem die Parameter aus dem SOLT-Kalibrierungsprozess (SOLT = short, open, load, through = Kurzschluss, Leerlauf, Last, Durchgang) abgeleitet sind.
VNA gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem der Teilsatz der Kalibrierungsmessungen eine b₃ ^f-Messung eines Acht-Ausdruck-Fehlermodells umfasst.
VNA gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem der Teilsatz der Kalibrierungsmessungen eine b₀ ^r-Messung eines Acht-Ausdruck-Fehlermodells umfasst.
VNA gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem die Einrichtung zum Berechnen der Schaltfehlerkorrekturmatrix Punkte interpoliert, die Frequenzen zugeordnet sind, die nicht in den gespeicherten Parametern dargestellt sind.
VNA gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, bei dem die Einrichtung zum Berechnen von acht systematischen Fehlerausdrücken eine erste Fehlermatrix, die einem ersten Tor des VNA zugeordnet ist, und eine zweite Feh lermatrix bestimmt, die einem zweiten Tor des VNA zugeordnet ist.