VNA矢量网络分析仪校准

1. SOLT和TRL校准之间有什么差别?

矢量网络分析仪要求在误差校正测量前执行测量校准。对于二端口测量，确定响应校准套件的校准算法为SOLT或TRL/TRL*。
传统的二端口校准通常用3个阻抗标准和1个传输标准定义校准参考平面。这些标准一般为短路、开路、负载和馈通，这就就构成了SOLT校准套件。

另一种二端口校准用最少的3个标准定义校准参考平面。TRL/TRL*校准套件中的馈通、反射和线路标准测量参数提供与使用不同算法SOLT校准同样的信息。

根据所拥有的标准和网络分析仪的功能，您可使用任一种校准套件。

在许多非同轴应用中，难以制作SOLT校准标准，如果不是不可能的话。而TRL/TRL*校准法能够适应专门的或特定的同轴连接器校准标准。

SOLT、TRL和LRM有哪些优缺点? 参看校准方法比较表

2. 怎样设计和验证 TRL校准件

TRL校准原理

TRL校准是一种非常精确的校准方式，尤其适用于网络分析仪的非同轴测量。下面您将了解有关 TRL校准的整个环节，从设计 TRL标准件的要求，到设计TRL校准件参数的确定，以及TRL校准件设计后的验证。

我们大家都知道传统的 SOLT校准，即短路-开路-负载-直通校准，SOLT校准操作方便，测量准确度跟标准件的精度有很大关系，一般只适合于同轴环境测量。

而 TRL(Thru, Reflect, Line)校准是准确度比 SOLT校准更高的校准方式，尤其适合于非同轴环境测量，例如 PCB 上表贴器件，波导，夹具，片上晶圆测量。SOLT校准通过测量1个传输标准件和三个反射标准件来决定 12项误差模型，而TRL校准是通过测量2个传输标准件和一个反射标准件来决定 10项误差模型或者 8项误差模型，取决于所用网络分析仪的接收机结构。

TRL 校准极其准确

TRL 校准极其准确，在大多数的场合中比 SOLT 校准准确多了。但是，很少有直接的TRL校准件存在，一般要求用广根据所用夹具的材料及物理尺寸，工作频率，来设计制造出相应的 TRL 校准件。

用户使用网络分析仪测量元器件时，采用不同的夹具，就要设计不同的 TRL校准件，因此，对于用户来说，有一定的难度和挑战性。但事实上，由于TRL校准的标准件不需要制作的像 SOLT校准的标准件那么精确，TRL 校准的精度只是跟TRL标准件的质量，重复性部分相关，而不是完全由标准件决定，因此，TRL校准的标准件跟 SOLT相比更容易制作，它们的特性也更容易描述。

1.TRL标准件的要求

1.1 TRL标准件的要求

通常来说，TRL 标准件的要求如下：

(1）直通标准件

电气长度为0时，无损耗，无反射，传输系数为 1：电气长度不为0时，直通标准什的特性阻抗必须和延迟线标准件相同，无须知道损耗，如果用作设为参考测量面，电气长度具体值必须知道，同时，如果此时群时延设为0的话，参考测量面位于直通标准件的中问。

（2）反射标准件

反射系数的相位必须在正负 90度以内，反射系数最好接近1，所有端口上的反射系数必须相同，如果用作参考测量面的话，相位响应必须知道。

(3）延迟线/匹配负载

延迟线的特性阻抗作为测量时的参考阻抗，系统阻抗定义为和延迟线特性阻抗一致。延迟线和直通之问的插入相位差值必须在 20 度至 160 度之间(或-20 度至160度)，如果相位差值接近0或者 180 度时，由于正切西数的特性，很容易造成相位模糊。另外，最优的相位差值般取 1/4波长或 90度。

当工作频率范围大于81时，，即频率跨度与起始频率比值大于8时，必须使用1条以上的延长线，以使覆盖整个频率范围。当工作频率太高时，1/4波长的延迟线物理尺才很短，不好制作，这时候，最好是选拌非0长度的直通，利用两者差值，来增大延迟线的物理尺寸匹配的阻抗同样确立测量时的参考阻抗，同时，匹配负载在各个测试端口的反射系数必须相同。

1.2 TRL 标准件设计时的考虑

以上都是对 TRL校准件的通常要求，具体设计时，一般有以下考虑：

(1) PCB 上连接头的—致性越好，损耗越低，TRL 校准件的效果就越理想。

(2) 直通标准件设定了参考测量面，如果是测量多端口器件时，直通标准件尽量长些，以减少连接头之问的串扰，但是也不用太长，以免浪费空问。

(3）参考测量面最好定在直通标准件的中间，这样的话电磁场相对参考测量面是对称的。

(4）开路标准件实现起来最容易，但是由于开路标准件存在边缘电容效应，所以我们必须通过测量或者 3D-EM 仿真来获得开路标准件的边缘电容。

(5) 短路标准件实现起来要麻烦些，因为要确切的知道放置短路标准件过孔的位置，保证过孔的边缘刚好放置在短路标准件的末端。同时，短路标准件的好坏还取决于过孔的钻孔技术,般说来激光打孔比普通的机械钻孔技术要好很多

（6）负载标准件通过2个100ohm 的表贴阻抗来实现，般来说，设计一个低频下的负载要比高频下容易的多，这也是为什么高频下设计校准标准件时要采用多条延迟线标准化的原因之

(7) 延迟线的相位跟信号传播时的相速，对应频率，有效介电常数有关。微带线由于没有一个固定的介电常数，所以必须使用有效介电常数来考虑空气和 PCB板材混合后带来的影响。

(8）设计时，多条延迟线的频率范围最好有重叠，这样能够保证多条延迟线能够覆盖我们要求的频率范围。

2 TRL标准件的设计

2.1 具体参数的确定

考虑设计一个基于 Rogers 4350 板材的 TRL 校准件，工作频率范围从 10 MHz 到20 GHz， Rogers 4350 板材的介电常数为 3.48+0.05，直通设计为非0长度，则各个标准件的具体参数如下图所示：

TRL校准件中各个标准件的具体参数

从上表中我们可以知道各个标准件的实际物理尺寸，然后就可以开始在 PCB 上布局，布线，最后进行制板了，大致的效果如下图所示。

TRL校准件PCB上布局效果图

3 TRL标准件设计后的验证

TRL校准件做好之后，我们就要开始验证我们制作的 TRL校准件到底好不好。对于短路和开路校准件，我们只要保证短路或开路标准件在各个测试端口的反射系数相等就好了，至于开路标准件的边缘电容，短路标准件的驻留电感，可以都设为 0；至于负载标准件，只要保证终止频率时，阻抗能为 50 欧姆或者接近 50 欧姆就可以了；而对于直通标准件，就没什么具体要求了。

TRI标准件设计后最重要的验证是对延迟线频率范围的确定，由于要求延迟线标准件与直通标准件的相位差位手 20度到160度，所以我们可以通过 memorytrace 来测量出延迟线标准件与直通标准件的相位差，根据相位差从20度到 160度，我们可以确定相应的频率范围，如下图所示，从图了我们可以知道，Linel 的频率范围是从 101MHz 到 820MHz，满足我们最初设计时对 Linel 的要求。同样的，Line2 也是采用相同的方法来确定频率范围。此时，也能够测量出 Line1, Line2 和直通标准件之间的时延差，这将会在新件 TRL校准套件时候用到。

通过网络分析仪验证 Line1 的频率范围

下图是 Line1的时延测量值。

基于网络分析仪验证 Line1 的时延测量值

3. TRI校准的具体过程

TRL 校准

1 创建TRL校准套件

完成了 TRL标准件的验证后，我们就可以开始创建新的 TRL校准套件，创建的过程很简单，总的说来要注意以下几点：

(1) 短路，开路，负载标准件都只需确定频率范围，以及连接头类型。

(2） 直通标准件也只需确定频率范围，连接头类型，同时时延为 0。

(3）延迟线标准件，需要确定频率范围，时延值，多条延迟线时，频率范围最好有交叠，来确保覆盖整个频率范围。

下图是一个创建 TRL校准套件的实例。

一个创建 TRL校准套件的实例

2 TRI校准具体过程

创建好 TRL校准套件后，我们就可以开始进行TRL校准了。具体的过程，网络分析仪的校准向导会一步步指导我们如何操作。下面我们以 4端口校准为例，简单的说明下如何进行TRL校准，下图即 TRL校准向导的一个步骤。

TRI校准向导

TRL校准后的测量结果

被测件是 Display Port 电缆，长度为2米。根据 Display Port 电缆的指标，我们知道频率不超过 300MHz 时，2米长的 Display Port 电缆，其损耗大概为 2dB，基本上是单位长度上的损耗为 1dB。下图即 Display port 电缆测量的设置环境，两块PCB 板，刚好各自对应半个直通长度。

Display port 电缆测量的设置环境

从下图中，我们可以得到 Display Port 电缆测量的最终结果，当频率为300MHz 时，S21=-2.1110dB，接近-2dB，满足相关指标。

基于网络分析仪的 Display Port 电缆测量结果

TRL校准是一种非常精确的校准方式，尤其适用于网络分析仪的非同轴测量。这里我们详细探讨了有关 TRL校准的整个环节，从设计 TRI 标准件的要求，到设计TRI 校准件参数的确定，TRI 校准件设计后的验证，以及 TRI 校准时的具体过程，最后到完成这次非同轴测量，希望能为大家以后进一步研究 TRL校准提供相应的参考。

4. 如何重新定义网络分析仪电子校准件？

您将了解如何重新定义电子校准件。日常矢量网络分析仪的使用中，我们经常遇到电子校准件接口类型或公母头类型和 DUT 不一致，导致需要额外的转接头，使得测试精度降低。或者需要使用转接头移除等复杂操作来去除额外引入的误差。

重新定义电子校准件（ECal User Characterization）的方式，可以根据DUT接口来定义ECal的接口类型，在后续使用中就可以极大简化校准过程，保证校准精度。

问题描述

使用者已有N4693D（2.4mm female- 2.4mm male, 50GHz）的电子校准件，但是使用者的被测件接口是2.92mm(40GHz)，且都是阴头（female），客户的矢网端口已经通过接口转换，电缆接口变换为2.92mm male。

如下示意图，是描述如何对现有的 N4693D（2.4mm female- 2.4mm male , 50GHz）进行"Characterize ECal", 这样做的目的是重新定义ECal，将原有2.4mm接口的电子校准件定义为带有2.4mm-2.92mm转接头的电子校准件（40GHz，2.92mm接口），方便后续校准，不需其它复杂操作，减少误差引入。推荐阅读：

具体过程包含如下3步：

1.在设置矢网后，并对矢网 2.92mm接口用其它 2.92mm机械或电子校准件进行全双端口校准（该 2.92mm校准件只需要使用一次，后续校准过程中不需要，所以可以通过短暂借用别人的 2.92mm校准件来使用）：

 2. 对需要重新描述（定义）参数的 ECal，接口进行转接到目标接口类型，如下所示，ECal校准件左右安装了转接头到2.92mm（female）,这样原有 N4693D和转接头结合在一起，经过重新定义（表述）后就是一个2.92mm接口的 ECal：

 3. 对需要重新描述（定义）参数的ECal（第2步准备好的），使用第1步中准备好的矢网进行测试，最终获得重新定义ECal的数据并尽量保存在矢网的硬盘中（VNA Disk Memory）,不要保存到ECal内的ECal Module Memory（这种操作会对ECal内部存储的数据擦除并重新写入新的数据，有可能会有损坏ECal的风险）；

 如下举例，具体过程如下

(将原有的电子校准件N4691D，3.5mm, Male-Female；定义并描述为N4691D，3.5mm, Female- Female的电子校准件，通过校准后，矢网就可以直接用来测量（3.5mm,SMA,2.92mm，20GHz）Female- Female的被测件了)：

1. 在把N4691D（3.5mm Type , Male-Female）校准件重新定义为N4691D（3.5mm Type, Female- Female）的校准件前，先用机械校准件在3.5mm -male 的测试线缆端面进行2 port校准，这里作为例子，并保存成Cal Set " 85021-2portCal-10MHz-20GHz"。

2. 启动"Characterize ECal"

 3. 选择ECal重新定义数据的保存位置为仪器内部硬盘“Instrument Disk Memory”，这个是要非常重要（否则有可能将N4691D 内部存储的校准数据擦除），然后对重新定义后的校准件添加简单描述；

 4.选件接口类型（这里选择为 APC 3.5 female），如果要定义为2.92mm型接口，则可以选择2.92 mm female。

 5. 选择之前使用机械校准件保存的Cal Set“85021-2portCal-10MHz-20GHz”

 如果有如下提示,选择第一项：

 6. 如下提示,将Port1 和A口，port 2和B口连接，并测量：

 7. 为新定义ECal添加新的描述：

 8. 重新检查，电子校准件测量的描述数据将被写入到PNA(指当前的仪器）硬盘中，点击“Write” Ecal 被重新定义的数据就写入到了硬盘中，并显示总体信息：

 9.使用该重新定义的ECal：启动校准向导：

 选择DUT接口类型，选择新定义的校准件：

 10. 校准后，验证，测试一个3.5mm female-female的转接头性能，该转接头性能之前已经评估过，延时81ps，这里验证也是非常吻合。