Méthodes de calibration VNA et étalons

Importance de la calibration VNA

La calibration de mesure est le processus de suppression des erreurs systématiques d'un système de mesure. En reliant des étalons de calibration conçus spécialement au plan de référence – le point où le dispositif sous test (DUT) sera relié – les VNA quantifient l'influence de la configuration de test et corrigent les mesures suivantes.

Les erreurs sont inhérentes à tout système de mesure, et les VNA ne font pas exception. Ces erreurs se retrouvent dans trois catégories principales :

• Erreurs de dérive : Causées par des modifications environnementales, en particulier des variations de température, après une calibration.
• Erreurs aléatoires : Résultant de variables de la configuration de test telles que le bruit, des connexions de câbles incompatibles ou d'actions de l'utilisateur.
• Erreurs systématiques : Erreurs constantes et prévisibles du fait des imperfections dans le VNA ou dans les composants de la configuration de test, comme les pertes de câbles ou des incompatibilités d'impédance.

Alors que des erreurs de dérive et aléatoires ne peuvent être réduites que par un contrôle environnemental et de bonnes pratiques, les erreurs systématiques peuvent quasiment être entièrement supprimées à l'aide de la calibration.

Il est important de noter qu'une calibration de mesure n'est pas la même chose qu'une calibration d'instrument, qui vérifie qu'un instrument fonctionne au sein de ses spécifications. La calibration d'instrument est effectuée périodiquement par un centre de service, tandis qu'une calibration de mesure est réalisée par l'utilisateur à chaque fois que des mesures sont effectuées.

Étalons de calibration VNA

La calibration VNA repose sur des étalons de calibration, qui sont des terminaisons ou coupleurs dotés de magnitude et de réponses de phase connues précisément. Ils sont utilisés au cours du processus de calibration afin de quantifier et corriger les erreurs introduites par le VNA et la configuration de test.

Ces étalons font généralement partie d'un kit de calibration, et les données de chaque étalon sont stockées dans les fichiers de définition du kit de calibration, qui sont souvent préchargés sur le VNA ou peuvent être importés.

Il existe quatre étalons classiques :

• Through (T) ("Traversé") : Établit une connexion idéale directe entre deux ports, fournissant une ligne de base pour des mesures de transmission.
• Open (O) ("Ouvert") : Représente un circuit ouvert sur le plan de référence. Cependant, à des fréquences plus élevées, cet étalon développe une capacitance, et ce comportement doit être pris en compte dans le processus de calibration.
• Short (S) ("Court-circuit") : Représente un court-circuit et est un autre étalon pour des mesures de réflexion. Comme l'étalon "ouvert", son imperfection doit être définie pour la précision.
• Match (M), parfois appelé “Charge” : Fournit une terminaison adaptée à l'impédance caractéristique (par exemple, 50 ohms), minimisant les réflexions sur le plan de référence.

La calibration avec des étalons peut être divisée en calibration manuelle et calibration automatique.

En calibration manuelle, chaque étalon est connecté et déconnecté manuellement au plan de référence dans la séquence correcte. Cette méthode est précise mais chronophage et sujette aux erreurs de l'opérateur.

En calibration automatique ou autocal, les étalons sont intégrés à l'unité autocal, qui est contrôlée par le VNA. L'unité commute automatiquement les étalons aux points appropriés dans la routine, accélérant significativement le processus et réduisant les erreurs humaines. Cela est particulièrement avantageux pour des systèmes multi-ports, où une calibration manuelle peut être très fastidieuse.

Types de calibration VNA

Les types de calibration dans l'analyse de réseaux vectoriels détermine les étalons spécifiques utilisés et leur processus de connexion au cours de la routine de calibration.

Une calibration à un port est utilisée pour des mesures de réflexion et peut être catégorisée en deux types principaux :

• Calibration à un port complète : Nécessite la connexion séquentielle d'un étalon ouvert, court-circuit et charge au plan de référence. Il s'agit de la méthode de calibration à un port la plus précise mais qui est également chronophage du fait des multiples connexions d'étalons.
• Normalisation de réflexion : Utilise un seul étalon, soit ouvert soit court-circuit, afin de normaliser la réponse de réflexion. Cela est plus rapide qu'une calibration à un port complète, mais également moins précis.

Une calibration à deux ports est utilisée pour des mesures de transmission et implique des procédures plus complexes afin de prendre en compte les erreurs affectant les deux ports. Il existe trois principaux types de calibration à deux ports :

• Normalisation de transmission : Nécessite un seul étalon "traversé" pour mesurer la transmission. La calibration peut être effectuée dans une direction ou les deux. Elle est rapide mais limitée en termes de précision car elle ne s'adresse pas aux erreurs de réflexion sur les ports.
• Calibration à deux ports sur un trajet : Combine une calibration à un port complète avec une normalisation de transmission entre deux ports. Il s'agit d'une méthode de calibration hybride qui trouve un équilibre entre vitesse et précision.
• Calibration à deux ports complète : Méthode de calibration complète qui fournit les résultats les plus précis pour des mesures sur deux ports, corrigeant toutes les erreurs de réflexion et de transmission pour les deux ports.

La calibration à deux ports complète peut encore être divisée en deux types :

• Méthode Through-open-short-match (TOSM)
• Méthode Unknown-open-short-match (UOSM)

TOSM est l'étalon et la méthode la plus largement utilisée pour une calibration à deux ports complète. Le processus implique la réalisation d'une calibration à un port (ouvert, court-circuit et charge) sur les deux ports, puis la connexion d'un étalon "traversé" entre les deux ports et la mesure dans les deux directions – un total de huit balayages est nécessaire. Cette méthode permet des mesures précises de tous les paramètres S; cependant, elle peut être très fastidieuse et chronophage du fait de la connexion de multiples étalons.

UOSM est une variation du TOSM où l'étalon "traversé" connu est remplacé par un coupleur inconnu, qui doit avoir des caractéristiques symétriques dans les deux directions. Elle est particulièrement pratique lorsque le DUT a des types de connecteurs différents (par exemple, SMA sur une terminaison et type N sur l'autre) et fournit une alternative pratique dans des situations où aucun étalon "traversé" n'est disponible.