本發(fā)明涉及測試技術領域，特別涉及一種基于理想零直通的多端口非插入式精確校準方法。

背景技術：

隨著人們對電子設備性能、體積和功耗等方面要求的不斷提高，設計人員必須不斷提高射頻微波部分電路的集成度，將各種不同的分立功能模塊集成到一個多功能模塊中。這種多功能模塊通常具有多個相同類型連接器的輸入輸出端口。使用矢量網(wǎng)絡分析儀對這些多端口多功能射頻微波模塊的性能指標進行測量前，必須對矢量網(wǎng)絡分析儀進行校準，以確定測量系統(tǒng)本身存在的各種矢量系統(tǒng)誤差大小，然后在測量時通過采用誤差修正算法去除這些系統(tǒng)誤差對測量精度的影響，才能得到被測件真實的性能指標。

矢量網(wǎng)絡分析儀的校準就是通過對一組特性已知的校準標準進行測量，通過比較測量值和已知值，確定測量系統(tǒng)本身各種系統(tǒng)誤差的過程。目前，使用比較廣泛的校準方法是solt校準，校準標準包括短路器(s)、開路器(o)和負載(l)三個反射標準和一個直通標準(t)，校準標準數(shù)據(jù)模型和實際特性之間的符合性是決定校準精度的重要因素，二者之間的差異是校準誤差的重要來源。默認情況下直通標準是通過將兩個測量端口直接連接到一起實現(xiàn)的，是一個理想的零直通標準，并不需要使用一個真實的物理直通標準。

直通標準的默認數(shù)據(jù)模型將直通標準看成理想的零長度直通件，即端口1和端口2的反射s11＝s22＝0，信號在直通標準中傳輸時不引入任何損耗和延遲，即s21＝s12＝1，在所有的校準標準中，直通標準的數(shù)據(jù)模型和實際特性的符合性是最好的，因此使用理想的直通標準有利于提高校準精度，進一步也提高了測量精度。

對于具有相同測量端口連接器類型的同軸被測件，在直通校準時，兩個測量端口無法直接連接到一起進行理想的零直通校準，直通校準時需要在兩個端口間連接一個適配器，不可避免的引入失配、延時和損耗。此時如果不采取額外的處理過程，因直通標準的實際特性和數(shù)據(jù)模型存在巨大差異，將會引入非常大的校準誤差。

對無法進行理想零直通校準的被測件統(tǒng)稱為非插入式被測件，對這類器件測量前進行的校準過程統(tǒng)稱為非插入式校準，校準難點主要在直通校準階段，目前主要有4種方法解決這個難題：

(1)第一種方法是修改直通標準數(shù)據(jù)模型的定義，根據(jù)所使用的直通適配器的實際特性修改直通標準數(shù)據(jù)模型中損耗和延時的定義，因為所使用的直通適配器本身也是一個非插入式器件，特性數(shù)據(jù)的獲取存在一定難度，即使得到了直通適配器的特性數(shù)據(jù)，還需再進行一系列計算才能獲取校準標準的模型數(shù)據(jù)，對測量人員的專業(yè)技術要求很高。此外直通標準的數(shù)據(jù)模型中認為直通標準是互易的，即前反向的傳輸特性是一致的，而且沒有考慮直通標準的端口失配特性，認為直通標準的端口阻抗是理想匹配的，這些誤差都會影響校準精度。

(2)第二種方法是使用一種稱為適配器去除的校準方法，這種方法的限制和缺點包括：同樣要求適配器是互易的、端口是理想匹配的，對測量點間的頻率間隔設置有一定限制，而且校準過程非常繁瑣，現(xiàn)在很少使用這種校準方法。

(3)另外還有一種稱為等效適配器交換的校準方法，這種校準方法技巧性很高，實際校準中很少使用。

(4)目前使用最多的是未知直通校準方法，在直通校準時同樣需要連接一個特性未知的適配器，但校準程序會根據(jù)冗余的誤差項確定直通適配器的延時特性，進而確定測量系統(tǒng)中的全部誤差項，簡化了校準過程，與solt校準過程基本相似，但正確進行未知直通校準同樣存在一些特殊限制和要求，具體如下：

(a)要求矢量網(wǎng)絡分析儀必須采用雙反射計接收結(jié)構，即每個測量端口包括一個獨立的測量接收通道和參考接收通道，而低成本的矢量網(wǎng)絡分析儀多采用每個端口有獨立的測量接收通道而所有端口共用參考接收通道的接收結(jié)構，因此雙反射計結(jié)構多端口矢量網(wǎng)絡分析儀的接收通道數(shù)量近似增加一倍，整機成本較高，價格昂貴。

(b)矢量網(wǎng)絡分析儀需要通過一個自校準過程確定出直通適配器的傳輸延時值，因此對測量點間的頻率間隔設置有一定限制，不能丟失直通適配器的相位信息，否則通過自校準過程確定的直通適配器的延時值是錯誤的，從而導致依據(jù)直通適配器延時確定的系統(tǒng)誤差是錯誤的，因此要求校準時必須根據(jù)所使用直通適配器大概傳輸延時評估測量點數(shù)的設置是否合理，對測量人員提出了額外的要求。

(c)同樣要求直通適配器是互易的，其前反向的傳輸特性應完全一致，任何實際特性的偏差都將產(chǎn)生殘余校準誤差，影響測量精度。

多端口是指端口數(shù)大于等于3的情況，目前的各種多端口非插入校準方法都存在各種缺點，即使是目前使用最普遍的未知直通校準方法也對矢量網(wǎng)絡分析儀的硬件結(jié)構方案、測量條件設置、直通適配器的性能指標和測量人員的專業(yè)技術知識有一些特殊要求。

下面結(jié)合附圖介紹上述未知直通校準的一個具體實現(xiàn)方案：

可進行未知直通校準的矢量網(wǎng)絡分析儀必須具有雙反射計接收結(jié)構，圖1示出了一種兩端口雙反射計接收結(jié)構矢量網(wǎng)絡分析儀的實現(xiàn)方案，這種矢量網(wǎng)絡分析儀的特點是每個端口都有一個獨立的測量接收通道和參考接收通道，多端口矢量網(wǎng)絡分析儀的接收結(jié)構只是對兩端口接收結(jié)構的重復擴展，即如果測量端口數(shù)n，則接收通道數(shù)為2n，因此這種結(jié)構也稱為2n接收結(jié)構，這種結(jié)構矢量網(wǎng)絡分析儀的誤差模型如圖2所示，其中ei⁰⁰描述了端口i參考通道到測量通道的泄漏誤差，ei⁰¹描述了端口i接收通道的頻響誤差，ei¹⁰描述了端口i的源輸出通道與參考通道的頻響偏差，ei¹¹為端口i的源匹配誤差，描述了端口i的入射信號ai中由于源端口失配所產(chǎn)生的額外入射信號的大小。

對應的誤差修正公式如等式(1)所示：

s＝d(i+e11d)^-1(1)

式(1)中，i為n階單位陣，s是經(jīng)過誤差修正的被測件的n階s參數(shù)矩陣，矩陣d和e11的具體取值如下：

式(2)中，sijm(i＝1：n，j＝1：n)表示直接測量所得未經(jīng)修正的s參數(shù)，tij通過如下等式確定：

tij＝ei⁰¹ej¹⁰(4)

ei⁰⁰(i＝1：n)、ei¹¹(i＝1：n)、tij(i＝1：n，j＝1：n)為圖2所示的誤差模型中需要通過校準確定的誤差項，對于具有n個測量端口的矢量網(wǎng)絡分析儀，需要確定的誤差項個數(shù)為n²+2n，下面介紹通過未知直通校準確定上面提到的全部n²+2n項系統(tǒng)誤差的校準過程，整個校準可以分為反射校準和未知直通校準兩個步驟：

步驟(1)，進行反射校準，此時在每個測量端口分別連接開路器、短路器和負載，設開路器、短路器和負載反射系數(shù)的真實值分別為：γo、γs、γl＝0，在端口i連接對應反射標準的測量值分別為：γmoi、γmsi、γmli，可以確定端口i的3項反射誤差如下：

ei⁰⁰＝γmli(5)

在所有端口進行反射校準后，可確定誤差模型中的3n項系統(tǒng)誤差。

步驟(2)，進行未知直通校準，校準時在一個固定測量端口i和其他n-1個測量端口間分別連接一個互易的特性未知的直通適配器進行直通校準，假設在端口i和端口j之間進行未知直通校準，可確定兩個端口間的兩項傳輸誤差項tij和tji如下：

在等式(8)和等式(9)中，每個誤差項都有兩個可能的取值，這兩個值幅度相等，相位相差180°，但是只有一個值是正確的，還需要一個額外的步驟確定誤差項的正確取值。

在直通校準時，如果使測量點的頻率間隔設置合理，保證測量時不丟失直通適配器的相位信息，校準程序可以通過一個額外的自校準過程確定出直通適配器的群延時值，再根據(jù)此群延時值即可確定等式(8)和等式(9)中誤差項的正確取值，這樣通過進行直通校準可確定端口i和其他n-1個端口間共2(n-1)項傳輸誤差項。其他剩余(n-1)(n-2)項傳輸誤差通過等式(10)確定

至此，通過進行反射校準和直通校準，確定了進行誤差修正時需要確定的全部n²+2n項系統(tǒng)誤差。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術方案存在的缺點，本發(fā)明提出了一種全新的基于理想零直通的多端口非插入校準方法，通過在一個端口連接適配器將非插入式直通校準配置成理想零直通校準，并通過額外增加兩次零直通校準和兩次反射校準，并采用本發(fā)明提出的系統(tǒng)誤差項提取方法，精確提取出全部的系統(tǒng)誤差，解決目前使用的各種多端口非插入式校準存在的諸多限制和不足。

本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的：

一種基于理想零直通的多端口非插入式精確校準方法，每個測量端口都有一個獨立的測量接收機，所有端口共用一個參考接收機，校準方法包括以下步驟：

步驟(1)，進行反射校準，確定源匹配誤差esi、方向性誤差edi和反射跟蹤誤差eri(其中i＝1：n)共3n項誤差項；

步驟(2)，進行額外的一次反射校準；

步驟(3)，在端口i和其他n-1個端口間進行(n-1)次零直通校準，確定除端口i外的其他(n-1)個端口間的(n-1)(n-2)項傳輸跟蹤誤差和(n-1)個端口的(n-1)²項負載匹配誤差；

步驟(4)，再進行額外一次反射校準和兩次直通校準，確定端口i處于接收狀態(tài)時和其他的(n-1)個端口間的(n-1)項負載匹配誤差，及端口i和其他n-1個端口間2(n-1)項傳輸跟蹤誤差。

可選地，所述步驟(1)具體過程如下：

在每個測量端口分別連接開路器、短路器和負載三個反射標準，連接的開路器、短路器和負載的已知反射系數(shù)分別為：γo、γs、γl＝0，校準過程中某一端口i連接反射標準后對應的反射測量值分別為：γmoi、γmsi、γmli，確定端口i反射誤差項分別為：

edi＝γmli(11)

其中，edi為源端口i的方向性誤差，eri為源端口i的反射跟蹤誤差，esi為源端口i的源匹配誤差；

通過n次反射校準，確定全部的3n項反射誤差。

可選地，所述步驟(2)的具體步驟如下：

在校準端口i連接直通適配器改變校準端口i的連接器陰陽類型，在端口i上進行反射校準，根據(jù)等式(11)、等式(12)和等式(13)，確定eisi、eidi和eiri三項反射誤差的中間誤差項。

可選地，所述步驟(3)具體包括：

端口i和端口k間進行直通校準，求解出如下4項系統(tǒng)誤差：

eitik＝sikm(1-eilikesk)(16)

eitki＝skim(1-eilkieisi)(17)

等式(14)～等式(17)中，esk、edk和erk在步驟(1)時確定，eisi、eidi和eiri在步驟(2)時確定，sijm表示直通校準時未經(jīng)誤差修正的直接測量所得的s參數(shù)值，下標i和j代表端口號，m表示測量值；在端口i和其他n-1個測量端口間重復進行n-1次直通校準，共確定4(n-1)項誤差；

因為端口i連接有適配器，校準和實際測量時端口狀態(tài)不同，上面確定的4項系統(tǒng)誤差也是中間誤差，獲取誤差模型中的實際誤差的過程如下：

基于等式(15)確定除端口i外其他n-1個端口處于接收狀態(tài)時所對應的誤差模型中(n-1)²項負載匹配誤差：

elkj|＝eilki(k＝1：n，j＝1：n，i≠j，k≠i)(18)

等式(18)中的eilki已在步驟(3)中所有測量端口和端口i間進行零直通校準時確定，通過n-1次直通校準共確定除端口i外其他n-1端口處于接收狀態(tài)所對應的共(n-1)²項負載匹配誤差；基于步驟(2)和步驟(3)確定的中間誤差項，以端口i為中間過渡端口，通過如下計算確定除端口i外其他n-1個端口間共(n-2)(n-1)項傳輸跟蹤誤差：

可選地，所述步驟(4)具體步驟如下：

取下端口i連接的適配器連接到其他n-1個端口中任意端口n，在端口n進行反射校準，根據(jù)等式(11)、等式(12)和等式(13)，確定端口n對應的eisn、eidn和eirn3項中間反射誤差項，在端口n和端口i，及端口n和其他任意端口m間共進行兩次直通校準，根據(jù)等式(14)～等式(17)，確定eilni、eilin、eilnm、eilmn4項負載匹配中間誤差項，及eitni、eitin、eitnm、eitmn4項傳輸跟蹤中間誤差項；

某端口的負載匹配誤差是該端口的固有匹配特性，與源輸出端口無關，因此通過在端口n和端口i間進行直通校準確定端口i處于接收狀態(tài)時共n-1項負載匹配誤差：

elij＝eilin|(j＝1：n，j≠i)(20)

以端口n為中間過渡端口，端口i和端口m間的2項傳輸跟蹤誤差通過以下等式確定：

以端口m為中間過渡端口，端口i和除端口m外其他n-2個端口間的2(n-2)項傳輸跟蹤誤差通過如下等式確定：

等式(23)和等式(24)中的etjm和etmj已在步驟(3)中通過等式(19)確定，而etim和etmi在步驟(4)中通過等式(21)和等式(22)確定。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明的校準方法對于矢量網(wǎng)絡分析儀的硬件實現(xiàn)方案無特殊要求，同時由于基于具有最高模型精度的零直通校準標準求解誤差模型，相比未知直通校準方法，可提高非插入式校準和測量精度。

(2)本發(fā)明提出的校準方法對測量條件的設置無特殊要求，因此降低了對測量人員的要求，因此本發(fā)明的校準精度更高，并且具有更好的普適性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為現(xiàn)有的一種兩端口雙反射計接收結(jié)構矢量網(wǎng)絡分析儀的實現(xiàn)方案的原理圖；

圖2為圖1所示結(jié)構矢量網(wǎng)絡分析儀的誤差模型圖；

圖3為本發(fā)明的n+1接收結(jié)構矢量網(wǎng)絡分析儀原理圖；

圖4為圖3所示n+1接收結(jié)構矢量網(wǎng)絡分析誤差模型圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明的校準方法適用于通用的n+1結(jié)構矢量網(wǎng)絡分析儀，這種矢量網(wǎng)絡分析儀的方案如圖3所示，每個測量端口都有一個獨立的測量接收機，所有端口共用一個參考接收機，當然本發(fā)明的校準方法也適用于圖1所示的特殊的2n接收結(jié)構的矢量網(wǎng)絡分析儀。

具有n個測量端口的n+1接收結(jié)構矢量網(wǎng)絡分析儀的誤差模型如圖4所示，其中端口i處于源輸出狀態(tài)，其他n-1端口處于接收狀態(tài)，圖4所示的模型中包括2n+1項誤差，當不同的端口分別處于源輸出狀態(tài)時，共有n個與圖4所示類似的誤差模型，對矢量網(wǎng)絡分析儀在不同源輸出狀態(tài)下整機存在的誤差進行建模，所有的誤差模型中共包含2n²+n項誤差。

在圖4所示的誤差模型中，edi為源端口i的方向性誤差，其描述了源端口i參考通道到測量通道泄漏誤差信號的大小；eri為源端口i的反射跟蹤誤差，其描述了源端口i接收通道與參考通道的頻響偏差；esi為源端口i的源匹配誤差，其描述了源輸出端口i的匹配狀況，描述了源輸出端口i的實際入射信號aii中，除參考激勵信號amii外，由于源端口失配所產(chǎn)生的額外入射信號的大??；elij為源端口j處于激勵狀態(tài)時端口i的負載匹配誤差，等于aij/bij，其中aij為矢量網(wǎng)絡分析儀源端口j處于激勵狀態(tài)時其端口i實際輸出的入射信號，bij為矢量網(wǎng)絡分析儀源端口j處于激勵狀態(tài)時端口i的實際入射信號；etij描述了當端口j處于源輸出狀態(tài)時，接收端口i測量通道與源輸出端口j參考通道的頻響偏差。

當被測件是具有相同類型端口連接器的n端口非插入式器件，本發(fā)明提出的校準方法包括以下步驟：

步驟(1)，進行反射校準，確定源匹配誤差esi、方向性誤差edi和反射跟蹤誤差eri(其中i＝1：n)共3n項誤差項，具體過程如下：

在每個測量端口分別連接開路器、短路器和負載三個反射標準，設連接的開路器、短路器和負載的已知反射系數(shù)分別為：γo、γs、γl＝0，校準過程中某一端口i連接反射標準后對應的反射測量值分別為：γmoi、γmsi、γmli，可以確定端口i反射誤差項分別為：

edi＝γmli(11)

通過n次反射校準，可以確定全部的3n項反射誤差。

步驟(2)，進行額外的一次反射校準，具體為：

在某校準端口i連接直通適配器改變校準端口i的連接器陰陽類型，例如：如果原來校準端口i的連接器為陰頭，則在校準端口i連接陽/陽適配器，反之則連接陰/陰適配器。在端口i上進行反射校準，根據(jù)等式(11)、等式(12)和等式(13)，可確定eisi、eidi和eiri三項反射誤差。因為此時端口i連接有適配器，校準和測量的狀態(tài)不同，因此這3項誤差并不是誤差模型中的誤差項，而是中間誤差項。

步驟(3)，在步驟(2)提到的端口i和其他n-1個端口間進行(n-1)次零直通校準，可確定除端口i外的其他(n-1)個端口間的(n-1)(n-2)項傳輸跟蹤誤差和(n-1)個端口的(n-1)²項負載匹配誤差，方法如下：

端口i和端口k間進行直通校準，可以求解出如下4項系統(tǒng)誤差：

eitik＝sikm(1-eilikesk)(16)

eitki＝skim(1-eilkieisi)(17)

等式(14)～等式(17)中，esk、edk和erk在步驟(1)時確定，eisi、eidi和eiri在步驟(2)時確定，sijm表示直通校準時未經(jīng)誤差修正的直接測量所得的s參數(shù)值，下標i和j代表端口號，m表示測量值。在端口i和其他n-1個測量端口間重復進行n-1次直通校準，共可以確定4(n-1)項誤差。

同理，因為端口i連接有適配器，校準和實際測量時端口狀態(tài)不同，上面確定的誤差也是中間誤差，并不是圖4所示誤差模型中的實際誤差，還需要在以上中間誤差項的基礎上再進行一系列計算才能獲取誤差模型中的實際誤差，過程如下：

因端口的負載匹配為接收端口的固有特性，與源輸出端口無關，因此基于等式(15)可以確定除端口i外其他n-1個端口處于接收狀態(tài)時所對應的圖4所示誤差模型中(n-1)²項負載匹配誤差：

elkj|＝eilki(k＝1：n，j＝1：n，i≠j，k≠i)(18)

等式(18)中的eilki已在步驟(3)中所有測量端口和端口i間進行零直通校準時確定，因此通過n-1次直通校準共確定除端口i外其他n-1端口處于接收狀態(tài)所對應的共(n-1)²項負載匹配誤差?；诓襟E(2)和步驟(3)確定的中間誤差項，以端口i為中間過渡端口，通過如下計算可確定除端口i外其他n-1個端口間共(n-2)(n-1)項傳輸跟蹤誤差：

步驟(4)，再進行額外一次反射校準和兩次直通校準，確定端口i處于接收狀態(tài)時和其他的(n-1)個端口間的(n-1)項負載匹配誤差，及端口i和其他n-1個端口間2(n-1)項傳輸跟蹤誤差，具體步驟如下：

取下端口i連接的適配器連接到其他n-1個端口中任意端口n，在端口n進行反射校準，根據(jù)等式(11)、等式(12)和等式(13)，可確定端口n對應的eisn、eidn和eirn3項中間反射誤差項，在端口n和端口i，及端口n和其他任意端口m間共進行兩次直通校準，根據(jù)等式(14)～等式(17)，可確定eilni、eilin、eilnm、eilmn4項負載匹配中間誤差項，及eitni、eitin、eitnm、eitmn4項傳輸跟蹤中間誤差項。

如上所述，某端口的負載匹配誤差是該端口的固有匹配特性，與源輸出端口無關，因此通過在端口n和端口i間進行直通校準可確定端口i處于接收狀態(tài)時共n-1項負載匹配誤差：

elij＝eilin|(j＝1：n，j≠i)(20)

以端口n為中間過渡端口，端口i和端口m間的2項傳輸跟蹤誤差通過以下等式確定：

以端口m為中間過渡端口，端口i和除端口m外其他n-2個端口間的2(n-2)項傳輸跟蹤誤差通過如下等式確定：

等式(23)和等式(24)中的etjm和etmj已在上面介紹的步驟(3)中通過等式(19)確定，而etim和etmi在步驟(4)中通過等式(21)和等式(22)確定。

通過上面的4個步驟，就可以確定圖4所示誤差模型中全部2n²+n項誤差。

本發(fā)明提出的校準方法對于矢量網(wǎng)絡分析儀的硬件實現(xiàn)方案無特殊要求，同時由于基于具有最高模型精度的零直通校準標準求解誤差模型，相比未知直通校準方法，可提高非插入式校準和測量精度。

同時本發(fā)明提出的校準方法對測量條件的設置無特殊要求，因此降低了對測量人員的要求，因此本發(fā)明的校準精度更高，并且具有更好的普適性。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。