校准标准件

3.3 校准标准件校准过程需要使用特殊的单端口和二端口器件；由于固有的制造限制，其特性与理想标准件 (理想开路端 Γ=1，理想短路端 Γ= –1等)有所差异，校准标准件的实际特性集中以特征数据的形式给出。

测量特征数据的过程称为 特征校准(characterization)。

特征校准过程须基于普遍接受的原则进行，由此得到的特征数据才可以与国家计量研究院1)的原级标准件进行比对，例如德国标准计量机构 PTB(Physikalisch-Technische Bundesanstalt，德国联邦物理技术研究院)，英国国家物理实验室 NPL(National Physical Laboratory)以及美国标准技术研究院 NIST(National Institute of Standards and Tech-nology)等。

定期由国家标准机构认可的测量实验室进行特征校准的审核非常重要。

特征数据通常以数字格式 (例如软盘、优盘或磁带)和测量报告的形式包含在 校准工具箱(calibration kit)内。

用于描述标准件的最好方法是使用特殊的 系数(coefficients)，下面几节将对其详细讨论。

这种描述方法的最大优点在于简洁；即使在很宽的频率范围内，例如从直流到 40GHz，也仅需要最多 7个系数来描述每个标准件。

另外，复 S参数也普遍用于描述标准件。

它可以保存为 Touchstone®格式的文件，其优点是不需要系数的提取，从而避免了提取过程中的精度损失。

S参数的描述包含有大量的数据，因此需要以某种数字存储媒介的形式提供。

图 3.3.1带有软盘的3.5mm校准工具箱(Calibration Kit)R&S®ZV-Z321)不要将NMI(National Metrology Institutes)与气象组织(meteorologic organization)混淆，如美国国家气象局(National Weather Service)。

为了更加快速直接地完成校准过程，多数网络分析仪生产商提供有 自动校准设备 (automatic calibration equipment)；这避免了用户手动切换校准标准件这一耗时且易出错的过程。

校准自动化尤其利于生产应用。

由于自动校准设备内部已存储有特征数据，因此不需要额外的存储媒体来传递数据，从而避免了该过程中存储媒体的混淆。

3.3.1 同轴校准标准件短路器 (Short (S))同轴型设计可以构造近似理想 ( 总反射 |Γ| = 1 ) 的短路器。

标准件的反射系数仅取决于标准件的长度偏移 l ，该偏移来自参考平面与短路器之间的机械长度 l 。

这一长度引起的损耗通常可以忽略。

因此，参考平面处的反射系数计算如下，s e j l 114=−−π/λ (3.3-1)网络分析仪中建立短路器模型一般只需要输入其电长度 l ；特殊情况中该模型也可以通过多项式系数 L 0到 L 3 扩展；L 0 到 L 3 代表了寄图 3.3.2四端口的校准单元(Calibration Unit )R&S®ZV-Z51图 3.3.3短路端生电感，这里假设在 10 GHz 的若干倍频范围内，短路器主要由其感性行为为主导，该感性行为由频率相关的电感 L e (f )表示。

其频率相关性可以近似为一个三阶 (L 3f 3) 的序列展开，L f L L f L f L f e ()=+++012233 (3.3-2)于是式 (3.3.1) 可以写为下式，s j fL f Z j fL f Z e j l 1100422=−+−πππe e /()()λ (3.3-3)表 3.3.1 短路器的典型技术指标开路器 (Open (O))实现一个同轴型开路器标准件时必须使用封闭的设计以避免发生辐射，该封闭设计会在内导体开路端处形成频率相关的 边缘电容 (fringing capacitance)，其频率相关性可用以下三次方程近似表示，C f C C f C f C f e ()=+++012233 (3.3-4)由此计算参考平面处的开路端反射系数如下，s j fZ C f j fZ C f e j l 110041212=−+−πππe e /()()λ (3.3-5)可见，即使能够制造长度 l =0 的开路器标准件，边缘电容也会在高频范围内产生 s 11 的负虚部。

其典型的技术指标如下，图 3.3.4 开路器匹配器 (Match (M)) 或负载 (Load)匹配器是一个与系统阻抗相等的精确宽频带阻抗。

图 3.3.5 显示了匹配器的实现方法，其内导体连于一块带有阻性涂层的衬底。

使用激光插入的修正孔可以优化匹配器的阻抗值，从而得到例如 45 dB 的回波损耗 (上至 4 GHz 的频率范围内)。

过去的校准过程中通常假设理想匹配器 ( Γ=0 )，因此无法对其更详细地建模。

近来，网络分析仪也允许输入匹配器的非理想特性。

表 3.3.3 匹配器的典型技术特性滑动匹配器 (Sliding Match) (或滑动负载 (Sliding Load)、滑动终端 (Sliding Termination))࿷፺ಠ໮ჹ图 3.3.5 终端阻抗图 3.3.6滑动负载的设计图解特征阻抗指定的空气线能够制造得比图 3.3.5 中的匹配器更加精准。

空气线的特征阻抗 Z C可以由内导体直径 a 和外导体内径 b 计算如下1)，Z b a b a C ⎛⎝⎜⎜⎜⎜⎞⎠⎟⎟⎟⎟≈⋅⎛⎝⎜⎜⎜⎜⎞⎠⎟60Ωln ⎟⎟⎟ (3.3-6)由于式 (3.3-6) 需要的是 a 与 b 的比值而非它们各自的绝对值，因此可以任意调整空气线的尺寸以使其机械比例与所用的接头系统相匹配，从而得到接头到空气线处尽可能连续地过渡。

空气线内可以引入一个圆柱形铁氧体磁棒，该磁棒能够吸收大约 2 GHz 频率以上的大部分电磁场能量 (见图 3.3.6 )。

由于铁氧体磁棒可以在空气线内滑动，该装置称为滑动负载；其输入处可以测得大约 20 dB 的回波损耗。

沿空气线移动铁氧体磁棒时，长度偏移和空气线输入处的反射系数相位都会发生变化。

对于某固定频率，滑动负载的反射系数对应位于图 3.3.7 中的绿色1) 作为近似，此处假设使用空气相对介电常数 εr =1。

其精确值为，在压强 101.325 kPa 和温度 23°C 的条件下，εr =1.000649。

作频率范围内选择滑动负载上的 6 个位置。

测量过程中并不需要精确接近 Smith 圆图中的某一位置，只需将滑动负载调至标记处即可(见图 3.3.8 ➊ 到 ➏ )。

使用探针和紧固螺帽 ➐ 和 ➑ 可以调整内导体相对于接头参考平面 ➒ 的偏移，用来进行调整的仪表称为探针测深规 ➓ ；使用之前，探针测深规通常需要通过合适的调校螺母调零。

如果不经过探针测深规的调整，会使滑动负载的内导体过长或者过短；过于突出的滑动负载内导体会在连接滑动负载和测试端口时损坏接头；而内导体过短则会产生不必要的空气间隙。

这类内导体柱状收缩的影响可以参考[MS66]。

对于工作在 18 GHz 频率上的 N 型接头系统以及产生 0.15 mm 空气间隙的情况，[BS98] 进行了详细说明，该间隙导致了大小为 0.023 ( 33 dB ) 的寄生反射系数；当空气间隙减小到 0.067 mm 时，计算得到 40 dB 的反射。

寄生反射会影响图 3.3.7 中的 ΓC，从而影响校准精度。

因此应尽可能地减小该空气间隙。

图 3.3.8 滑动负载和探针测深规另外，滑动负载不能用于 2 GHz 以下；但是几乎所有已知的校准技术都使用滑动负载与固定匹配器的组合来克服该低频限制；而在高于 8 GHz 的频率范围内，滑动负载要比匹配器精确很多。

需要注意的是，第 3.4.4 节描述的 TOM-X 技术不能使用滑动负载。

直通 (Through (T))直通是一个二端口标准件，它建立两个测试端口之间的低损耗直连。

使用类型相同而阴阳性不同的接头 (或者类型相同而无阴阳性的接头) 可以直接互连两个测试端口来构造直通连接。

根据定义，这种特殊的直通具有 0 mm 的插入电长度。

如果使用同一类型相同阴阳性的接头，直通将为一条短传输线，它在两个测量端口之间构造适当的电气连接；用于构造该直通的理想传输线是无内导体支撑物的短空气线。

但是为了便于使用，通常首选带有固定内导体 (图 3.3.9 的内导体支撑物) 的空气线。

直通的特性阻抗应当与参考阻抗尽可能匹配；其特征量为插入损耗和插入电长度，多数常用校准技术中都会假设直通是理想匹配的。

表 3.3.4 直通的典型技术指标下列校准标准件将会用于第 3.4.2 节讨论的“7 项 (7-term)”技术。

所有这些标准件的 S 参数仅为部分已知。

反射标准件 (Reflect Standard (R))反射标准件是反射系数 |Γ| > 0 的单端口标准件；当用于 3.4.2 节描述的 TRL 技术时，不需要知道其精确反射值；然而该反射值必须在两个测试端口完全相同。

反射标准件一般用在 自校准技术 (self- calibration techniques) 中；这类技术通过标准件的已知参数测定其未知特性。

为了确定参数的符号，反射标准件的相位需要明确到 ± 90° 。

标准件的低频特性通常描述为 偏容性 (more capacitive) 或者 偏感性 (more inductive)。

如果标准件的长度偏移使相位落在 0° 到 − 90° 或 0° 到 + 90° 之外，则还须已知长度偏移的近似值。

图 3.3.9直通传输线标准件(Line standard(L))传输线标准件是一个二端口标准件。

同轴系统中，它使用 空气线(air line)实现。

传输线标准件的关键参量是其特性阻抗；可以通过精确的机械设计 (见式 (3.3-6))使其尽可能与参考阻抗相匹配。

传输线标准件与所用的直通标准件必须具有不同的电长度，并且其长度差不能等于半波长的整数倍，否则校准技术的计算中会产生奇异点。

因此，使用传输线标准件进行校准的频率范围受到下述限制：直通与传输线之间的相位差必须远离 0°和 180°(例如，相位差必须在 20°和 160°之间或者终止频率与起始频率的比值具有 8:1的最大值)。

为了扩展频率范围，可以测量两条不等长的传输线。

由两者中较长的一条决定的频率下限可以通过测量固定的匹配器扩展到 0Hz。

由于空气线内没有支撑物，使用较长空气线时应将其垂直放置；否则，空气线自重会使内导体偏离中心位置。