Методы калибровки векторных анализаторов цепей и калибровочные меры

Важное значение калибровки векторных анализаторов цепей

Калибровка измерений представляет собой процесс устранения систематических ошибок в измерительной системе. За счет подключения специальных калибровочных мер к опорной плоскости (точка подключения испытуемого устройства) векторный анализатор цепей количественно определяет влияния измерительной системы и вносит коррекции в дальнейшие измерения.

Ошибки (погрешности) имеются в любой измерительной системе, и векторные анализаторы цепей не являются исключением. Ошибки разделяются на три основные категории:

• Ошибки дрейфа: возникают по причине изменения условий окружающей среды после калибровки, особенно это касается перепадов температуры.
• Случайные ошибки: возникают по причине переменных факторов измерительной установки, таких как шум, непостоянные подключения кабелей или действия пользователей.
• Систематические ошибки: предсказуемые и последовательные ошибки по причине неоптимальных параметров векторного анализатора цепей или компонентов измерительной установки (например, потери в кабелях или рассогласование импедансов).

Ошибки дрейфа и случайные ошибки можно сводить к минимуму только путем контроля условий окружающей среды и применения оптимальных методов работы, тогда как систематические ошибки можно почти полностью устранять с помощью калибровки.

Важно учитывать, что калибровка измерений отличается от калибровки прибора, которая необходима для обеспечения работы прибора с надлежащими техническими характеристиками. Калибровка прибора регулярно проводится в сервисном центре, тогда как калибровка измерений выполняется пользователем каждый раз перед началом измерений.

Калибровочные меры для векторных анализаторов цепей

Для калибровки векторных анализаторов цепей применяются калибровочные меры, которые представляют собой оконечные или соединительные элементы с точно заданными амплитудно- и фазо-частотными характеристиками. Калибровочные меры служат для количественного определения и коррекции ошибок векторного анализатора цепей и измерительной установки.

Как правило, калибровочные меры поставляются в виде комплекта для калибровки, а данные каждой калибровочной меры сохраняются в файлах определений комплекта для калибровки, которые зачастую уже загружены в векторный анализатор цепей или могут быть импортированы пользователем.

Четыре вида калибровочных мер:

• Сквозное соединение (T): устанавливает идеальное прямое соединение между двумя портами, обеспечивая основу для измерения параметров передачи.
• Разомкнутая цепь (O): имитирует разомкнутую цепь в опорной плоскости. Однако на высоких частотах эта калибровочная мера приобретает емкость, что необходимо учитывать в процессе калибровки.
• Короткое замыкание (S): имитирует короткое замыкание для измерения параметров отражения. По аналогии с разомкнутой цепью неидеальные характеристики оказывают влияние на точность измерений.
• Согласованная нагрузка (M): имитирует оконечное сопротивление в соответствии с характеристическим импедансом (например, 50 Ом), сводит к минимуму отражения на опорной плоскости.

С помощью калибровочных мер можно проводить ручную и автоматическую калибровку.

При ручной калибровке каждая калибровочная мера на опорной плоскости подключается и отсоединяется вручную в соответствии с заданной последовательностью. Это точный, но трудоемкий метод, в котором возможны человеческие ошибки.

При автоматической калибровке калибровочные меры объединяются в модуль, которым управляет векторный анализатор цепей. Модуль автоматически переключает калибровочные меры в заданных точках процедуры, что существенно повышает скорость калибровки и снижает риск человеческих ошибок. Данный метод особенно хорошо подходит для многопортовых систем, где ручная калибровка может быть очень трудоемким процессом.

Типы калибровки векторных анализаторов цепей

Типы калибровки векторных анализаторов цепей определяют необходимый набор калибровочных мер и порядок их подключения в процессе калибровки.

Однопортовая калибровка используется для измерений параметров отражения и разделяется на две основные категории:

• Полная однопортовая калибровка: здесь требуется последовательное подключение калибровочных мер «разомкнутая цепь», «короткое замыкание» и «согласованная нагрузка» к опорной плоскости. Несмотря на свою максимальную точность однопортовая калибровка связана с большими затратами времени на подключение различных мер.
• Нормализация отражений: здесь применяется только одна калибровочная мера («разомкнутая цепь» или «короткое замыкание») в целях нормализации характеристики отражений. Эта калибровка проводится быстрее, чем полная однопортовая калибровка, но с меньшей точностью.

Двухпортовая калибровка используется для измерений параметров передачи и предусматривает более сложные процедуры, чтобы учитывать ошибки, влияющие на оба порта. Двухпортовая калибровка разделяется на три основные категории:

• Нормализация передачи: здесь требуется только одна калибровочная мера «сквозное соединение» для измерений параметров передачи. Калибровка может выполняться в одном или двух направлениях. Эта быстрая процедура отличается меньшей точностью, т. к. она не учитывает ошибки отражений на портах.
• Двухпортовая калибровка в одном направлении: здесь объединяются полная однопортовая калибровка на одном порте и нормализация передачи между двумя портами. Этот гибридный метод калибровки позволяет сбалансировать скорость и точность.
• Полная двухпортовая калибровка: этот всеобъемлющий метод калибровки дает наиболее точные результаты двухпортовых измерений с коррекцией всех ошибок отражений и передачи на обоих портах.

Полная двухпортовая калибровка разделяется на две категории:

• Метод TOSM (сквозное соединение, разомкнутая цепь, короткое замыкание, согласованная нагрузка)
• Метод UOSM (неизвестный элемент, разомкнутая цепь, короткое замыкание, согласованная нагрузка)

Метод TOSM является общепринятым методом полной двухпортовой калибровки. Сначала здесь проводится однопортовая калибровка (разомкнутая цепь, короткое замыкание, согласованная нагрузка) на обоих портах, а затем между двумя портами подключается калибровочная мера «сквозное соединение» и выполняются измерения в обоих направлениях. В общей сложности требуются восемь циклов. Данный метод обеспечивает точные измерения всех коэффициентов рассеяния, однако он связан с большими затратами времени и сил ввиду необходимости подключения разнообразных калибровочных мер.

Метод UOSM аналогичен методу TOSM, однако здесь известная калибровочная мера «сквозное соединение» заменяется на неизвестный соединительный элемент, который должен иметь одинаковые характеристики в обоих направлениях. Это особенно удобно в том случае, если испытуемое устройство оснащено различными типами разъемов (например, SMA на одном конце и N-тип на другом конце), а также при отсутствии калибровочной меры «сквозное соединение».