射频同轴转接器的S参数测试方法

射频同轴转接器的S参数测试方法
作者：曹刚
来源：《科技风》2017年第26期
摘要：射频同轴转接器具有小驻波、小插损的特性，对测试精度要求非常高。

同时大量的转接器属于非插入式器件，传统的测试方法往往会引起较大的测量误差。

本文总结了对射频同轴转接器测试的几种方法，并介绍和推荐了未知直通校准方法。

关键词：射频同轴转接器；未知直通校准
一、概述
射频同轴转接器是微波领域常用的无源器件，端口组合繁多，具有互易性、小驻波、小插损的特点。

目前对转接器驻波、插损指标的测量，基本采用矢量网络分析仪（矢网）。

矢网是一种S参数测试仪器，其自身存在一定的仪器误差，需要通过有效的误差修正方式，尽量减少仪器误差对测试结果的影响，才能实现对小驻波、小插损产品的准确测量。

矢网的误差可以分成三类：随机误差、漂移误差和系统误差。

随机误差主要由仪器配接的测试电缆组件造成，体现在电缆组件稳幅稳相性能、连接器重复性等，通过选用矢网专用的高性能稳幅稳相测试附件，可以减小随机误差。

漂移误差主要由温度变化造成，这种温度变化包含室温，也包含仪器内部温度变化，所以矢网需要开机预热，仪器温度基本达到稳定后再进行校准测试。

但温度漂移误差是长期存在的，在使用过程中还要根据温漂的变化量决定是否需要重新校准。

系统误差包括被测件的不匹配和泄漏、测试信号通道和参考信号通道的隔离、系统频率响应造成的重复性误差等，这些误差是可以通过校准消除的。

在这三类误差中，系统误差最主要的测量不确定度来源，采用合适的校准方式和测试方法对系统误差进行修正，对测试精确度非常重要。

误差修正一共有两种方法，分别是响应校准和矢量校准。

响应校准比较简单，只对系统误差中的隔离误差、跟踪误差等传输参数误差进行修正，可用于被测件传输参数的测量。

矢量校准又分为单端口校准和双端口校准。

对转接器这类射频同轴产品来说，单端口校准采用OSL校准方法，双端口校准通常采用SOLT校准方法。

二、转接器的传统测试方法
转接器的主要电气性能参数有两个：反射参数（驻波或回波损耗）和传输参数（插损），而且转接器这两个参数指标都非常小，只有选用适宜的校准方法，才能最大程度消除系统误差，获得准确的参数值。

（—）校准方法介绍
1.单端口（OSL）校准
单端口校准顾名思义只对矢网任意一个端口进行校准，通过这个被校准的端口对被测件行S参数测量。

校准采用性能已知的open、short、load分别接入校准端口，消除此端口系统误差。

在测量时，将被测件与校准端口匹配的一端接入仪器，被测件另外一端接上精密负载，即可实现反射参数的测量。

单端口无法直接实现传输参数的测量，一般采用被测件外接short的方式，将传输信号全反射，测量值的一半即为损耗值。

图1为单端口测试框图。

2.双端口（SOLT）校准
在矢网的两个端口分别接开路器、短路器和负载各进行3次测量，就可以计算得到前向和反向的方向性、源匹配、反射跟踪和串扰；然后将两个端口直通连接测量，可以得到前向和反向的传输跟踪和负载匹配。

通过双端口校准，就得到了仪器的全部系统误差，在随后的测量过程中，通过对测量值进行误差修正，就得到了被测件的真实S 参数。

（二）校准方法分析
单端口校准步骤简单，测试快捷。

但测试反射参数时，被测值的不确定度完全依赖所接负载的精度，最好连接校准负载进行测试，但这也加大了校准件的磨损。

接short进行传输参数的测量时，是以short为理想全反射为前提，但实际short产品都有一定的不理想性，加大了失配损耗，而且测试波纹很大，无法满足转接器的小插损测试要求，所以单端口校准只能进行转接器反射参数的测量。

如果需要进行传输参数的测量，一般采用响应校准，配合单端口校准，进行全端口参数的获取。

双端口校准相比单端口校准要复杂一些，但通过SOLT方法，消除了所有系统误差，可以直接测量反射参数和传输参数，具有优异的精度和可重复性。

但无论双端口校准还是响应校准方法，都存在一定的局限性，这些方法需要两个测试端口连接到一起进行零长度直通，也就需要两根测试电缆的测试端口极性分别是阳头和阴头，这样两根电缆才能直接互连，校准后，阳头和阴头的基准面位置为校准基准面，矢网对两个基准面间接入的被测件进行S参数测量。

所以只有两端连接器种类相同，并且一端是阴头一端阳头的被测件，才可以直接接入测试电缆中测试，符合这个特征的被测件叫插入式器件。

但如果被测件两端为同极性，或者两端连接器类型不同，不能直接接入仪器中进行测试，这种称为非插入式器件。

对转接器来说，只有少部分产品属于插入式器件，比如SMAJK、3.5mmJK等才能通
过双端口和响应校准方法直接测试。

而大量的产品属于非插入式器件，比如SMAKK、N/SMA 等转接器就不能直接测量。

（三）非插入式器件的传统测试方法
在使用双端口校准或者响应校准时，为了能进行非插入式器件的测试，传统上通过以下几种方法来实现：
（1）特性未确定直通法——该方法是在校准后，将被测件接入一个特性未确定的转接器，对被测件进行端口转换，共同连接入矢网进行测试。

此方法实际是把被测件增加一个转接器共同组成一个新的被测件，测试出来的S参数是被测件同转接器的组合。

此方法也可以在校准时，选用同被测件匹配的测试电缆，由于这两根测试电缆无法直连，在其中一根测试电缆端口连接一个适合的转接器，再进行SOLT校准，校准后拆除转接器，将被测件接入测试。

具体示意见图2。

无论增加还是减少转接器，引入的这个特性未知转接器带来的失配损耗和相位影响都无法去除，而如果被测件是转接器，那么测试误差与被测指标同一数量级，这样获取的绝对参数误差极大。

（2）特性确定直通法——该方法是在直通校准时，使用了一个特征确定的转接器。

这种方法必须在校准前对矢网中校准件的直通标准的定义进行修改，指定直通标准的损耗、延迟和阻抗，并保存所进行的修改，从而去除非理想直通对测量结果带来的影响。

这种校准方法可以有效地修正传输跟踪误差，但因未考虑转接器本身端口阻抗失配带来的影响，所以不能完全修正前向和反向的阻抗匹配误差，当被测件为转接器这类小驻波、低损耗的产品时，测试的误差也是非常大的。

（3）等效转接器替换法——使用阻抗、插入损耗和电延迟精密匹配的2个转接器，一个用于直通测量，另一个用于校准的反射测量和对被测件的测量。

例如两根测试电缆的测试端口都为3.5mm，一根为阳头，一根为阴头，在校准时，在阴头端口连接一个3.5mmJK的转接器，两根电缆先进行直通校准，然后将3.5mmJK转接器更换为性能一致的3.5mmJJ转接器，再进行反射校准，全部校准后，保持3.5mmJJ的连接，就可以用这个系统直接测试两端都是阴头的3.5mm被测件。

具体示意见图3。

在常用的校准件套装中会提供这种特性一致的转接器系列，该方法相对比较简便，但两只转接器之间必然会存在损耗和失配特性的差异，特别是随着长时间使用磨损，测量误差会越来越大。

在对转接器的测量中，这种误差是不可忽略。

（4）转接器去除法——这种方法需要一个与被测件连接器类型完全相同的转接器和与两个端口连接器类型对应的校准件，同时必须指定转接器的电长度。

在转接器去除校准过程中，分别将转接器连接在两根测试电缆上，进行2次全端口校准，得到2组校准数据。

通过这2 组数据，分析仪可以精确地计算得到转接器的实际参数，并通过数学修正将转接器参数去除，产生第3 组校准数据，这组数据可以完全修正系统误差，对非插入式器件的测量精度与插入式器件相同。

但此校准方法，校准步骤琐碎，同时频繁移动电缆，转接器的多次拆装，都会引起一定的误差。

通过以上分析，传统的测试方法，误差都比较大，或者非常繁琐，都不符合转接器检验中快速、准确的测试要求。

近年，一种新的未知直通校准测试方法逐渐被采用，可以解决以上传统方法存在的不足。

三、未知直通校准介绍
（一）未知直通校准方法
未知直通段校准法，也叫“短路开路负载互易直通”，简称SOLR。

其使用方法是，在校准时使用双端口校准，校准的过程和传统的SOLT校准非常相似，不同之处是选用一个和被测件端口一致的特性未知直通件来进行直通连接，并且需要测试者对直通件的延时或者电长度进行估算，估算误差不能超过最高频率的1/4波长。

在新型矢网中，会根据校准端口的选择自动判断被测件是否为非插入式器件，如果是非插入式器件，则自动跳转为未知直通校准方法，并且能自动估算直通件的延时，虽然这种估算延时有一定误差，但使用转接器作为直通件时，延时误差对应的电长度误差一般不会超过1/4波长。

校准后，仪器会自动判断并去除直通件带来的失配损耗和相位影响，实现对测试电缆端口的精确校准。

去除直通件，可直接接入非插入式器件进行精确测量。

SOLR中引入的直通件，其选用原则是互易器件，即S21=S12，同时插入损耗越小越好，原则上不大于20dB。

转接器产品完全符合直通件的标准，所以可以将被测转接器作为直通件，在校准时用被测转接器进行互通连接，校准之后可直接进行转接器的测量，而不必进行测量电缆的断开与再连接，从而更有效地降低了由于测试电缆的移动而引入的误差。

所以说，未知直通校准是适合转接器测试最优选方案。

（二）对比测试结果
为了验证未知直通校准测试方法，我们以一个3.5mmKK转接器为被测件，分别通过特性未确定直通法和未知直通校准测试方法进行对比测试。

仪器选用Agilent矢量网络分析仪，测试频率范围为10MHz～26.5GHz，中频带宽100Hz，校准件为Agilent 85052D。

测试方法：（1）特性未确定直通法——首先选用测试端口分别为3.5mm阳头和阴头的一对测试电缆，采用SOLT校准，然后将3.5KK转接器接入一个3.5mmJJ转接器，组成
3.5mmJK插入测试结构，直接连入电缆校准端口中测试。

（2）未知直通校准测试法——测试系统选用的是两根测试端口都是阳头的测试电缆，采用未知直通校准，在直通校准时直接接入被测3.5mmKK转接器，校准后，仪器直接显示转接器的测试曲线。

从测试曲线看出，图4（1）和（2）的测试结果有明显差异。

特性未确定直通法引入的一个转接器，直接加大了插损误差和失配误差，从图4（1）看出，曲线1同曲线2有一定差异，这是引入的转接器增加了系统误差造成的，特性未确定直通法无法获得准确的S11参数。

图4（2）中，曲线1明显比曲线2测试值增加了一倍，并且由于失配影响，引起非常明显的测试波纹。

测试试验比较中可以看到未知直通校准方法操作简单，测试结果更接近真实值，测试曲线光滑，在非插入器件测试中具有非常大的优势。

四、小结
本文介绍了测试射频同轴转接器的多种测试方法，通过对各种方法的介绍和比较，可知未知直通校准方法是转接器测试的最佳方案，同传统非插入器件测试方法相比具有巨大的技术优势，不但精度高，而且操作步骤简捷，解决了业界一直存在的非插入测试难题，此方法也可以扩展到其它非插入式器件的测试中。

参考文献：
[1]吴雪华，王庆洲，唐宗魁.提高非插入式微波器件测量精度的研究.2007.
[2]尤嘉，宣银良.矢量网络分析仪校准和验证的常见误区.2016.。