RU2753828C1 - Method for calibration and determination of inherent systematic errors of vector network analyser - Google Patents
Method for calibration and determination of inherent systematic errors of vector network analyser Download PDFInfo
- Publication number
- RU2753828C1 RU2753828C1 RU2020131557A RU2020131557A RU2753828C1 RU 2753828 C1 RU2753828 C1 RU 2753828C1 RU 2020131557 A RU2020131557 A RU 2020131557A RU 2020131557 A RU2020131557 A RU 2020131557A RU 2753828 C1 RU2753828 C1 RU 2753828C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- loads
- values
- parameters
- reflection coefficients
- mvs
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
- G01R27/28—Measuring attenuation, gain, phase shift or derived characteristics of electric four pole networks, i.e. two-port networks; Measuring transient response
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для калибровки измерителей комплексных коэффициентов передачи и отражения устройств - векторных анализаторов цепей (ВАЦ).The invention relates to radio measuring equipment and can be used to calibrate meters of complex transmission and reflection coefficients of devices - vector network analyzers (VNA).
Известен способ калибровки ВАЦ, основанный на использовании трех эталонных нагрузок: холостого хода (XX), короткого замыкания (КЗ), согласованной нагрузки (СН), называемый в литературе SOL (от англ. Short, Open, Load) (В.Г. Губа, А.А. Ладур, А.А. Савин Классификация и анализ методов калибровки векторных анализаторов цепей // Доклады ТУСУРа - №2 (24) - ч. 1 - 2011). Способ заключается в следующем. С помощью ВАЦ, порты которого требуется откалибровать, проводят измерения комплексных коэффициентов отражения трех эталонных нагрузок - КЗ, XX и СН, присоединяя их по очереди к каждому из калибруемых портов. Сравнивая измеренные комплексные коэффициенты отражения нагрузок КЗ, XX и СН с их эталонными значениями, которые известны заранее, определяют собственные S-параметры порта ВАЦ. Эту операцию проводят с каждым портом ВАЦ.There is a known method of VAC calibration, based on the use of three reference loads: no-load (XX), short circuit (SC), matched load (CH), referred to in the literature as SOL (from the English. Short, Open, Load) (V.G. Guba , AA Ladur, AA Savin Classification and analysis of calibration methods for vector network analyzers // Reports of TUSUR - №2 (24) - part 1 - 2011). The method is as follows. With the help of the VNA, the ports of which need to be calibrated, measurements of the complex reflection coefficients of three reference loads - SC, XX and CH, are carried out, connecting them in turn to each of the calibrated ports. Comparing the measured complex reflection coefficients of the short-circuit, XX and MV loads with their reference values, which are known in advance, determine the intrinsic S-parameters of the VNA port. This operation is carried out with each VNA port.
Однако данный способ имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что сами значения комплексных коэффициентов отражения эталонных нагрузок КЗ, XX и СН необходимо измерить заранее с помощью ВАЦ более высокого класса точности, что невозможно сделать в случае необходимости откалибровать эталонный ВАЦ. Можно также рассчитать параметры эталонных нагрузок геометрически с необходимой точностью, что достижимо лишь для узкого класса нагрузок, а именно нагрузок короткого замыкания. При этом погрешности определения комплексных коэффициентов отражения эталонных нагрузок полностью входят в погрешность калибровки, в которой эти нагрузки применяются.However, this method has a significant drawback, which is that the values of the complex reflection coefficients of the reference loads SC, XX and CH must be measured in advance using a VNA of a higher accuracy class, which cannot be done if it is necessary to calibrate the reference VNA. It is also possible to calculate the parameters of the reference loads geometrically with the required accuracy, which is achievable only for a narrow class of loads, namely short-circuit loads. In this case, the errors in determining the complex reflection coefficients of the reference loads are fully included in the calibration error in which these loads are applied.
Известен способ калибровки ВАЦ, основанный на применении первой меры волнового сопротивления (МВС), второй МВС и рассогласованной нагрузки, называемый TRL (от англ. Thru, Reflect, Line) (Dunsmore, J. Handbook of Microwave Component Measurements // John Wiley & Sons, 2012, - p. 145,). Способ заключается в следующем. Два порта ВАЦ, которые необходимо откалибровать, сначала соединяют друг с другом с помощью первой МВС и производят измерение комплексных параметров матрицы рассеяния получившейся первой цепи. Затем первую МВС отсоединяют и два порта векторного анализатора цепей соединяют с помощью второй МВС и проводят измерения комплексных параметров матрицы рассеяния получившейся второй цепи. После этого к каждому из двух портов по очереди присоединяют рассогласованную нагрузку и измеряют ее комплексный коэффициент отражения с помощью каждого из портов ВАЦ. В результате этих измерений получают систему уравнений (Pozar, D. Microwave Engineering // John Wiley & Sons, 2005, - pp. 193-196,), решение которой позволяет определить собственные параметры обоих портов ВАЦ. В отличие от способа SOL описанный способ калибровки TRL не основан на использовании известных эталонных нагрузок.The known method of VNA calibration, based on the use of the first measure of wave impedance (MVR), the second MVR and mismatched load, called TRL (from the English.Thru, Reflect, Line) (Dunsmore, J. Handbook of Microwave Component Measurements // John Wiley & Sons , 2012, - p. 145,). The method is as follows. The two VNA ports to be calibrated are first connected to each other using the first MVC and the complex parameters of the scattering matrix of the resulting first circuit are measured. Then the first MVA is disconnected and the two ports of the vector network analyzer are connected using the second MVA and the complex parameters of the scattering matrix of the resulting second circuit are measured. After that, an unmatched load is connected in turn to each of the two ports, and its complex reflection coefficient is measured using each of the VNA ports. As a result of these measurements, a system of equations is obtained (Pozar, D. Microwave Engineering // John Wiley & Sons, 2005, - pp. 193-196,), the solution of which allows one to determine the intrinsic parameters of both VNA ports. Unlike the SOL method, the described TRL calibration method is not based on the use of known reference loads.
Следует отметить, что в способе TRL комплексный коэффициент отражения рассогласованной нагрузки вычисляется в процессе калибровки и поэтому нет необходимости знать этот коэффициент заранее. Недостатком этого способа является то, что для его реализации должна быть известна электрическая длина одной из МВС, которую необходимо либо измерить на каком-то оборудовании более высокого класса точности, либо вычислить, исходя из геометрических размеров этой МВС. Точность этого способа полностью зависит как от качества изготовления МВС, так и от точности соединения измерительных трактов в процессе калибровки. Поскольку в таком способе качество изготовления МВС не может быть проконтролировано в процессе калибровки, то качество соединений измерительных трактов, выполненных оператором, нормируется на максимальный коэффициент погрешности. Этот коэффициент погрешности определяется, исходя из несовершенства способа, примененного для определения электрической длины МВС, и качества ее изготовления.It should be noted that in the TRL method, the complex reflection coefficient of the mismatch load is calculated during the calibration process and therefore it is not necessary to know this coefficient in advance. The disadvantage of this method is that for its implementation, the electrical length of one of the MVS must be known, which must either be measured on some equipment of a higher accuracy class, or calculated based on the geometric dimensions of this MVS. The accuracy of this method depends entirely on both the quality of the MFM manufacturing and the accuracy of the connection of the measuring paths during the calibration process. Since in this method the manufacturing quality of the MCS cannot be controlled during the calibration process, the quality of the connections of the measuring paths made by the operator is normalized to the maximum error factor. This error coefficient is determined based on the imperfection of the method used to determine the electrical length of the MFM and the quality of its manufacture.
Наиболее близким аналогом заявленному способу калибровки и определения собственных систематических погрешностей векторного анализатора цепей является способ аттестации собственных S-параметров устройств для измерения комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ (патент №2482504 РФ, МПК G01R 27/28), заключающийся в том, что дважды измеряют коэффициенты отражений трех эталонных нагрузок: КЗ, XX и СН, присоединяя их один раз непосредственно к аттестуемому измерительному порту, а второй раз присоединяя каждую из них к аттестуемому измерительному порту через линию передачи калиброванной длины - МВС с расчетными модулем и фазой ее коэффициента передачи. Используя измеренные значения коэффициентов отражений трех эталонных нагрузок, присоединяемых непосредственно к аттестуемому измерительному порту и через линию калиброванной длины, а также используя эталонные значения этих нагрузок и расчетное значение коэффициента передачи МВС, получают зависимости остаточных S-параметров, характеризующих эквивалентный четырехполюсник погрешностей, постоянно присутствующий между эталонным измерительным портом и нагрузкой. Путем приведения значений этих остаточных S-параметров к значениям параметров идеально согласованного по входу и выходу четырехполюсника без потерь находят расчетные зависимости величин коэффициентов отражений эталонных нагрузок XX и СН в диапазоне частот измерителя комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ. Выбирают значения коэффициентов отражений эталонных нагрузок в окрестности частот, где электрическая длина МВС кратна четверти длины волны, исключая окрестности особых точек ее кратности половине длины волны, и по выбранным значениям аппроксимируют амплитудно-частотные и фазочастотные зависимости коэффициентов отражений каждой из эталонных нагрузок XX и СН. В результате аппроксимации получают истинные величины коэффициентов отражений эталонных XX и СН, которые затем используют для вычисления истинных собственных S-параметров аттестуемого измерительного порта измерителя комплексных коэффициентов передачи и отражения четырехполюсников СВЧ, которые используют при измерениях испытуемых четырехполюсников СВЧ.The closest analogue to the claimed method of calibration and determination of intrinsic systematic errors of a vector network analyzer is a method of attestation of the intrinsic S-parameters of devices for measuring complex transmission and reflection coefficients of microwave two-port networks (patent No. 2482504 RF, IPC G01R 27/28), which consists in the fact that twice measure the reflection coefficients of three reference loads: SC, XX and CH, connecting them once directly to the certified measuring port, and the second time connecting each of them to the certified measuring port through a calibrated length transmission line - MVS with the calculated module and the phase of its transfer coefficient. Using the measured values of the reflection coefficients of three reference loads connected directly to the certified measuring port and through a line of calibrated length, as well as using the reference values of these loads and the calculated value of the MVS transfer coefficient, the dependences of the residual S-parameters characterizing the equivalent quadrupole of errors are obtained, which is constantly present between reference test port and load. By reducing the values of these residual S-parameters to the values of the parameters of an ideally matched input and output quadripole without loss, the calculated dependences of the values of the reflection coefficients of the reference loads XX and CH are found in the frequency range of the meter of the complex transmission and reflection coefficients of the microwave quadrupoles. The values of the reflection coefficients of the reference loads are selected in the vicinity of the frequencies, where the electric length of the MVS is a multiple of a quarter of the wavelength, excluding the vicinity of the singular points of its multiplicity to half the wavelength, and the amplitude-frequency and phase-frequency dependences of the reflection coefficients of each of the reference loads XX and CH are approximated by the selected values. As a result of the approximation, the true values of the reflection coefficients of the reference XX and CH are obtained, which are then used to calculate the true intrinsic S-parameters of the certified measuring port of the meter of the complex transmission and reflection coefficients of microwave two-port networks, which are used in measurements of the tested microwave two-port networks.
Однако для реализации такого способа необходимо предварительно рассчитать модуль и фазу комплексного коэффициента передачи МВС.Но погрешность воспроизведения единицы волнового сопротивления МВС в виде, например, коаксиальной линии с воздушным заполнением определяется несовершенством расчетных формул и погрешностью средств измерений, с помощью которых осуществляется измерение геометрических размеров меры. К наиболее существенным неисключенным систематическим погрешностям воспроизведения единицы волнового сопротивления МВС на основе коаксиальной воздушной линии относятся погрешности, возникающие из-за неточного измерения и неравномерности значений диаметров внешнего и внутреннего проводников МВС, неопределенности значений соединительного зазора, образованного разностью длин внутреннего и внешнего проводников МВС, а также несоосностью внутреннего и внешнего проводников вдоль длины МВС. Кроме того, в указанном способе необходимо, чтобы были известны эталонные или, по крайней мере, приблизительные значения модуля и фазы комплексного коэффициента отражения нагрузок XX и СН. Эти значения можно рассчитать из геометрических размеров нагрузок, однако для СН погрешность расчета фазы комплексного коэффициента отражения высока.However, to implement such a method, it is necessary to first calculate the modulus and phase of the complex transmission coefficient of the MVS. But the error in reproducing the unit of wave impedance of the MVS in the form, for example, of a coaxial line with air filling is determined by the imperfection of the calculation formulas and the error of the measuring instruments with which the geometric dimensions of the measure are measured ... The most significant non-excluded systematic errors in reproducing the unit of wave impedance of the MVS based on a coaxial overhead line include errors arising from inaccurate measurement and unevenness of the diameters of the external and internal conductors of the MVS, the uncertainty of the values of the connecting gap formed by the difference in the lengths of the internal and external conductors of the MVS, and also misalignment of the inner and outer conductors along the length of the MVS. In addition, in the specified method, it is necessary that the reference or at least approximate values of the modulus and phase of the complex reflection coefficient of the loads XX and CH are known. These values can be calculated from the geometrical dimensions of the loads; however, for MV, the error in calculating the phase of the complex reflection coefficient is high.
Еще одним недостатком указанного способа является его узкополосность, т.к. при увеличении частоты увеличивается собственное затухание в МВС, ее геометрическую длину необходимо уменьшать, но при этом уменьшается число окрестностей частот, где электрическая длина МВС кратна четверти длины волны на низких частотах. Это приводит к увеличению погрешностей аппроксимации модуля и фазы комплексных коэффициентов отражений в диапазоне частот каждой из эталонных нагрузок XX и СН, а в некоторых случаях - к невозможности провести аппроксимацию.Another disadvantage of this method is its narrow band, because with increasing frequency, the intrinsic attenuation in the MFM increases, its geometric length must be reduced, but at the same time the number of frequency neighborhoods decreases, where the MFM electrical length is a multiple of a quarter of the wavelength at low frequencies. This leads to an increase in the errors in the approximation of the modulus and phase of the complex reflection coefficients in the frequency range of each of the reference loads XX and CH, and in some cases - to the impossibility of making an approximation.
В способе, взятом за прототип, измеритель параметров четырехполюсников СВЧ будем называть векторным анализатором цепей. Тем самым подчеркивается, что данный способ может применяться для любого исследуемого диапазона частот, включая оптический (S. Iezekiel, В. Elamaran and R. D. Pollard, "Recent developments in lightwave network analysis," in Engineering Science and Education Journal, 2000. Dec. - vol. 9, - no. 6, - pp. 247-257,).In the method taken as a prototype, the meter of parameters of microwave two-port networks will be called a vector network analyzer. Thus, it is emphasized that this method can be applied to any investigated frequency range, including optical (S. Iezekiel, B. Elamaran and RD Pollard, "Recent developments in lightwave network analysis," in Engineering Science and Education Journal, 2000. Dec. - vol. 9, - no. 6, - pp. 247-257,).
Техническим результатом предлагаемого способа калибровки и определения собственных систематических погрешностей векторного анализатора цепей являются упрощение, расширение функциональных возможностей способа и увеличение точности калибровки.The technical result of the proposed method of calibration and determination of intrinsic systematic errors of the vector network analyzer is to simplify, expand the functionality of the method and increase the accuracy of calibration.
Для достижения технического результата предлагается способ калибровки и определения собственных систематических погрешностей векторного анализатора цепей (ВАЦ), заключающийся в том, что измеряют нагрузку короткого замыкания (КЗ), холостого хода (XX) и согласованную нагрузку (СН), один раз, присоединяя их непосредственно к аттестуемому измерительному порту ВАЦ, получив значения комплексных коэффициентов отражения трех эталонных нагрузок Skx, Sxx, и Ssn соответственно, а второй раз через меру волнового сопротивления (МВС), получив значения S1kz, S1xx и S1sn соответственно, используя измеренные значения комплексных коэффициентов отражения эталонных нагрузок - нагрузки КЗ с известными параметрами и нагрузок XX и СН с неизвестными параметрами и , присоединенных непосредственно к аттестуемому измерительному порту и через МВС, определяют значения комплексного коэффициента передачи МВС Mvs и полных комплексных коэффициентов отражения эталонных нагрузок XX Мхх и СН Msn в окрестностях частот, где электрическая длина МВС кратна четверти длины волны, решая следующую систему уравненийTo achieve the technical result, a method is proposed for calibrating and determining the intrinsic systematic errors of a vector network analyzer (VNA), which consists in measuring the load of short circuit (SC), open circuit (XX) and matched load (CH), once by connecting them directly to the attested measuring port of the VNA, having obtained the values of the complex reflection coefficients of the three reference loads S kx , S xx , and S sn, respectively, and the second time through the measure of wave impedance (MVR), obtaining the values S1 kz , S1 xx and S1 sn, respectively, using the measured values of complex reflection coefficients of reference loads - short circuit loads with known parameters and loads XX and CH with unknown parameters and connected directly to the certified measuring port and through the MVS, determine the values of the complex transfer coefficient MVS M vs and the total complex reflection coefficients of the reference loads XX M xx and CH M sn in the vicinity of frequencies where the electrical length of the MVS is a multiple of a quarter of the wavelength, solving the following system of equations
где M1kz, M1xx, M1sn определены соотношениями:where M1 kz , M1 xx , M1 sn are defined by the relations:
по вычисленным значениям комплексных коэффициентов отражения для нагрузок XX и СН Мхх и Msn в указанных окрестностях частот, в которых длина МВС кратна четверти длины волны, аппроксимируют модуль и фазу комплексных коэффициентов отражения каждой из эталонных нагрузок XX и СН и значения которых затем используют для вычисления собственных S-параметров аттестуемого измерительного порта согласно системе уравнений:according to the calculated values of the complex reflection coefficients for the loads XX and CH M xx and M sn in the indicated frequency vicinity, in which the length of the MVS is a multiple of a quarter of the wavelength, approximate the modulus and phase of the complex reflection coefficients of each of the reference loads XX and CH and whose values are then used to calculate the intrinsic S-parameters of the certified measuring port according to the system of equations:
а затем используют для вычисления случайной и неисключенной систематических погрешностей определения собственных S-параметров аттестуемого измерительного порта в диапазоне частот калибровки, которые используют при вычислении погрешностей измерений испытуемых с помощью ВАЦ устройств.and then used to calculate the random and non-excluded systematic errors in determining the intrinsic S-parameters of the certified measuring port in the calibration frequency range, which are used in calculating the measurement errors of the subjects using VNA devices.
Существенным отличием заявляемого способа от прототипа является то, что для проведения калибровки и определения собственных систематических погрешностей векторного анализатора цепей можно использовать МВС, а также нагрузки XX и СН с неизвестными значениями комплексных коэффициентов отражения, которые рассчитываются после измерений, проведенных предлагаемых способом по найденными соотношениями между измеренными параметрами.A significant difference between the proposed method and the prototype is that to calibrate and determine the intrinsic systematic errors of a vector network analyzer, you can use MVS, as well as XX and CH loads with unknown values of the complex reflection coefficients, which are calculated after measurements carried out by the proposed method according to the found relationships between measured parameters.
На фиг. 1 изображены ВАЦ, МВС, эталонные нагрузки КЗ, XX и СН, с помощью которых может быть реализован предлагаемый способ калибровки. На фиг. 2 и фиг. 3 показаны ориентированные графы присоединения аттестуемого измерительного порта к эталонным нагрузкам непосредственно и через МВС соответственно. На фиг. 4 показан пример вычисленных частотных зависимостей модуля AMxx - а) и фазы ϕMxx - б) комплексного коэффициента отражения нагрузки XX; модуля AMsn - в) и фазы ϕMsn - г) комплексного коэффициента отражения нагрузки СН. На фиг. 5 показан пример вычисленных модуля AMvs - а) и фазы ϕMvs - б) комплексного коэффициента передачи МВС. Пример результатов аппроксимации Mxx и Msn показан на фиг. 6 в виде зависимостей - а), б) и - в), г) соответственно. На фиг. 7 показан пример вычисленных собственных S-параметров аттестуемого измерительного порта. На фиг. 8 показан пример вычисленных параметров Sk - остаточных S-параметров аттестуемого измерительного порта.FIG. 1 shows VAC, MVS, reference loads SC, XX and SN, with the help of which the proposed calibration method can be implemented. FIG. 2 and FIG. 3 shows the oriented graphs of the connection of the certified measuring port to the reference loads directly and through the MVC, respectively. FIG. 4 shows an example of the calculated frequency dependences of the AM xx module - a) and the phase ϕM xx - b) the complex reflection coefficient of the load XX; module AM sn - c) and phase ϕM sn - d) of the complex reflection coefficient of the MV load. FIG. 5 shows an example of the calculated modulus AM vs - a) and the phase ϕM vs - b) of the complex gain of the MBC. An example of the results of the approximation of M xx and M sn is shown in FIG. 6 as dependencies - a), b) and - c), d), respectively. FIG. 7 shows an example of the computed eigen S-parameters of a certified test port. FIG. 8 shows an example of the calculated parameters Sk - the residual S-parameters of the certified test port.
Рассмотрим, как осуществляется предлагаемый способ калибровки и определения собственных систематических погрешностей векторного анализатора цепей векторного анализатора цепей.Let us consider how the proposed method of calibration and determination of intrinsic systematic errors of a vector network analyzer of a vector network analyzer is carried out.
Общий принцип работы и структурная схема ВАЦ известны и описаны (Хибель М. Основы векторного анализа цепей. - М.: Издательский дом МЭИ, - 2009. - c.26).The general principle of operation and the block diagram of the VNA are known and described (Khibel M. Fundamentals of vector circuit analysis. - M .: Publishing house MPEI, - 2009. - p. 26).
Калибровку выполняют следующим образом.Calibration is performed as follows.
Дважды измеряют комплексные коэффициенты отражения трех эталонных нагрузок - КЗ, XX и СН, присоединяя их один раз непосредственно к аттестуемому измерительному порту, как на фиг. 1 а), во второй раз присоединяя каждую из них к аттестуемому измерительному порту через МВС, как на фиг. 1 б).The complex reflection coefficients of the three reference loads - SC, XX and CH are measured twice, connecting them once directly to the certified measuring port, as in Fig. 1 a), connecting each of them for the second time to the certified measurement port through the MCM, as in FIG. 1 b).
Таким образом, для каждого из шести измерений, согласно формуле для входного сопротивления двухполюсника (Pozar, D. Microwave Engineering // John Wiley & Sons, p. 192, 2005) получают системы уравнений (1) и (2):Thus, for each of the six measurements, according to the formula for the input impedance of a two-port network (Pozar, D. Microwave Engineering // John Wiley & Sons, p. 192, 2005), systems of equations (1) and (2) are obtained:
где: S11, S21S12, S22 - собственные S-параметры аттестуемого измерительного порта; Skz, Sxx, Ssn - измеренные комплексные коэффициенты отражения от эталонных нагрузок КЗ, XX и СН соответственно, подключенных непосредственно к аттестуемому измерительному порту; , и - значения комплексных коэффициентов отражения эталонных нагрузок КЗ, XX и СН соответственно; S1kz, S1xx и S1sn - измеренные комплексные коэффициенты отражения эталонных нагрузок КЗ, XX и СН соответственно, подключенных к аттестуемому измерительному порту через МВС; , и - значения комплексных коэффициентов отражения МВС с последовательно присоединенными нагрузками КЗ, XX и СН соответственно.where: S 11 , S 21 S 12 , S 22 - own S-parameters of the certified measuring port; S kz , S xx , S sn - measured complex reflection coefficients from reference loads SC, XX and CH, respectively, connected directly to the certified measuring port; , and - the values of the complex reflection coefficients of the reference loads KZ, XX and SN, respectively; S1 kz , S1 xx and S1 sn are the measured complex reflection coefficients of the reference loads SC, XX and CH, respectively, connected to the certified measuring port through the MVS; , and - the values of the complex reflection coefficients of the MVS with the series connected loads KZ, XX and CH, respectively.
Для значений , и комплексных коэффициентов отражения МВС с последовательно присоединенными нагрузками КЗ, XX и СН согласно ориентированному графу на фиг. 3 записывают:For values , and complex reflection coefficients of the MVS with series connected loads SC, XX and CH according to the oriented graph in FIG. 3 write:
где и - Sм -параметры МВС, рассматриваемой в виде четырехполюсника.where and - S m -parameters of the MVS, considered in the form of a four-port network.
Значения Skx, Sxx, Ssn и S1kz, S1xx, S1sn определяют непосредственно в результате первой (без МВС) и второй (с МВС) серий измерений.The values of S kx , S xx , S sn and S1 kz , S1 xx , S1 sn are determined directly as a result of the first (without MBC) and second (with MBC) series of measurements.
Значения S11, S21S12, S22, , , , , являются неизвестными. Таким образом, совместная система уравнений (1) и (2) с учетом (3) состоит из шести уравнений при восьми неизвестных.The values of S 11 , S 21 S 12 , S 22 , , , , , are unknown. Thus, the joint system of equations (1) and (2), taking into account (3), consists of six equations with eight unknowns.
Вместо обозначения вводят обозначение Mkz, показав тем самым, что значение Mkz является расчетной величиной, полученной с определенной погрешностью.Instead of notation the designation M kz is introduced, thereby showing that the value of M kz is a calculated value obtained with a certain error.
Минимальное влияние коэффициентов отражения и на измеренные величины в левой части системы уравнений (3) наблюдают, когда длина МВС обеспечивает разность фаз между отраженными навстречу друг другу от ее соединителей волн в 180° и они, противофазно складываясь, компенсируют друг друга, что выполняется только для определенных частот. Эти частоты являются опорными для дальнейших расчетов. Поэтому точки различных зависимостей, соответствующих этим частотам, также будем называть опорными.Minimal influence of reflection coefficients and the measured values on the left side of the system of equations (3) are observed when the length of the MVS provides a phase difference between the waves reflected towards each other from its connectors of 180 ° and they, adding in antiphase, cancel each other out, which is performed only for certain frequencies. These frequencies are reference frequencies for further calculations. Therefore, the points of various dependences corresponding to these frequencies will also be called reference points.
Компенсация параметров и математически эквивалентна равенству этих параметров нулю. Для опорных точек принимают , и заменяют и на M1kz, M1xx M1sn соответственно, а , и на Mkz, Мхх и Msn соответственно. При этом вместо (3) получают (4), а вместо (1) и (2) записывают (5):Parameter compensation and is mathematically equivalent to the equality of these parameters to zero. For reference points, take , and replace and on M1 kz , M1 xx M1 sn, respectively, and , and on M kz , M xx and M sn, respectively. In this case, instead of (3), one gets (4), and instead of (1) and (2), write (5):
Использование новых обозначений «М» необходимо для указания на то, что формулы, в которые они входят, справедливы только для окрестностей опорных точек. Учитывая введенные обозначения, получают систему (5) из шести уравнений с шестью неизвестными Мхх, Msn, Mvs, S11, S21S12, S22.The use of the new notation "M" is necessary to indicate that the formulas in which they are included are valid only for the vicinity of the control points. Taking into account the introduced designations, system (5) is obtained from six equations with six unknowns M xx , M sn , M vs , S 11 , S 21 S 12 , S 22 .
Из трех первых уравнений системы (5) выражают собственные S-параметры аттестуемого измерительного порта:Of the first three equations of system (5), they express the intrinsic S-parameters of the certified measuring port:
Из трех последних уравнений системы (5) выражают M1 значения комплексных коэффициентов отражения нагрузок, подключенных совместно с МВС:From the last three equations of system (5), M1 are expressed by the values of the complex reflection coefficients of the loads connected together with the MVS:
Подставив в систему уравнений (7) выражения для собственных S-параметров аттестуемого измерительного порта из системы уравнений (6) получают систему уравнений (8).Substituting into the system of equations (7) the expressions for the eigen S-parameters of the certified measuring port from the system of equations (6), the system of equations (8) is obtained.
В общем случае, при известных во всем диапазоне частот калибровки коэффициентах Mvs и , , правые и левые части уравнений (4) во всем диапазоне частот отличаются на величину остаточных S-параметров аттестуемого измерительного порта - Sk-параметров:In the general case, with the coefficients M vs and , , the right and left sides of equations (4) in the entire frequency range differ by the value of the residual S-parameters of the certified measuring port - Sk-parameters:
Sk -параметры - это параметры, отличающиеся от S-параметров идеально согласованного по входу и выходу четырехполюсника без потерь, у которого в общем виде S11 и S22 равны нулю и произведение S21S12 равно единице, на величину, включающую:Sk-parameters are parameters that differ from the S-parameters of an ideally matched input and output four-port network without loss, in which, in general, S 11 and S 22 are equal to zero and the product of S 21 S 12 is equal to one, by a value including:
1) неисключенные систематические погрешности рассогласований, возникающих в разъемных соединителях нагрузок, МВС и калибруемого измерительного порта.1) non-excluded systematic errors of mismatches arising in detachable connectors of loads, MVS and calibrated measuring port.
2) отличие истинного значения комплексных коэффициентов отражения эталонных нагрузок XX и СН от значения, найденного в результате калибровки2) the difference between the true value of the complex reflection coefficients of the reference loads XX and CH from the value found as a result of calibration
3) отличие истинного комплексного коэффициента передачи МВС от значения, найденного в результате калибровки3) the difference between the true complex transfer coefficient of the MVS from the value found as a result of calibration
При выводе системы (9) без ограничения общности предполагают (Dunsmore, J. Handbook of Microwave Component Measurements // John Wiley & Sons, p. 179, 2012), что четырехполюсник остаточных параметров Sk находится при измерениях между аттестуемым измерительным портом и испытуемым устройством. Из системы (9) выражают остаточные S-параметры:When deriving system (9), it is assumed without loss of generality (Dunsmore, J. Handbook of Microwave Component Measurements // John Wiley & Sons, p. 179, 2012) that the residual parameters Sk is in the measurements between the certified measuring port and the device under test. Residual S-parameters are expressed from system (9):
В опорных частотных точках значения Sk11 и Sk22 стремятся к нулю, а произведение Sk21Sk12 - к единице:At the reference frequency points, the values of Sk 11 and Sk 22 tend to zero, and the product Sk 21 Sk 12 tends to unity:
Применяя соотношения (11) к системе уравнений (10) и учитывая требование к отличию от нуля знаменателя, получают:Applying relations (11) to the system of equations (10) and taking into account the requirement for the denominator to differ from zero, one obtains:
Заменив в (12) M1 выражениями из системы уравнений (8), получают систему (12) всего с двумя неизвестными Мхх и Msn. Аналитически решают систему уравнений (12) относительно Мхх и Msn и получают 12 корней. Каждому корню соответствует значение Mvs согласно (13), а также значения остаточных S-параметров порта Sk согласно системе уравнений (10). Из этого набора корней только один корень является верным, который однозначно определяют, исходя из соответствия найденных величин физическому смыслу.Replacing M1 in (12) by expressions from the system of equations (8), we obtain system (12) with only two unknowns M xx and M sn . The system of equations (12) is analytically solved with respect to M xx and M sn and 12 roots are obtained. Each root corresponds to the value M vs according to (13), as well as the values of the residual S-parameters of the port Sk according to the system of equations (10). Of this set of roots, only one root is correct, which is uniquely determined based on the correspondence of the found values to the physical meaning.
В результате аналитического решения системы (12) относительно Mxx и Ssn, получают частотные зависимости модуля коэффициента отражения AMxx, как на фиг. 4 а), и фазы ϕ-Mxx, как на фиг. 4 б); модуля AMsn, как на фиг. 4 в), и фазы ϕMsn, как на фиг. 4 г).As a result of the analytical solution of the system (12) with respect to M xx and S sn , the frequency dependences of the modulus of the reflection coefficient AM xx are obtained, as in Fig. 4 a), and the phase ϕ-M xx , as in Fig. 4 b); module AM sn , as in FIG. 4c), and the phase ϕM sn , as in Fig. 4 d).
Подставляя найденные Мхх и Msn в формулу (13) находят модуль AMvs, как на фиг. 5 а), и фазу ϕMvs, как на фиг. 5 б), комплексного коэффициента передачи МВС.Substituting the found M xx and M sn into formula (13), the modulus AM vs is found , as in Fig. 5 a), and the phase ϕM vs , as in Fig. 5 b), the complex transmission coefficient of the MVS.
По значениям фазы ϕMvs=±180° комплексного коэффициента передачи МВС находят частоты, соответствующие опорным точкам.The frequencies corresponding to the reference points are found from the phase values ϕM vs = ± 180 ° of the complex transfer coefficient of the MHM.
По значениям функций Мхх и Msn в окрестностях опорных точек вычисляют аппроксимирующие функции - и во всем диапазоне частот калибровки, пример которых приведен на фиг. 6.The values of the functions M xx and M sn in the vicinity of the reference points are used to calculate the approximating functions - and over the entire range of calibration frequencies, an example of which is shown in FIG. 6.
Затем вычисленные значения и подставляют в систему уравнений (1), в результате чего определяют искомые собственные S-параметры аттестуемого измерительного порта, как, например, на фиг. 7, где на фиг. 7 а), в) и д) показаны модули, а на фиг. 7 б), г) и е) - фазы собственных параметров аттестуемого измерительного порта,Then the computed values and are substituted into the system of equations (1), as a result of which the sought-for eigen S-parameters of the certified measuring port are determined, as, for example, in FIG. 7, where in FIG. 7 a), c) and e) modules are shown, and in Fig. 7 b), d) and f) are the phases of the intrinsic parameters of the certified measuring port,
По найденным в процессе аттестации собственным S-параметрам аттестуемого измерительного порта, определяют действительные значения - Ги - коэффициента отражения испытуемого векторным анализатором цепей устройства (Pozar, D. Microwave Engineering // John Wiley & Sons, p. 192, 2005):According to the own S-parameters of the certified measuring port found during the certification process, the actual values - Г and - of the reflection coefficient of the device under test by the vector network analyzer are determined (Pozar, D. Microwave Engineering // John Wiley & Sons, p. 192, 2005):
где Ги - измеренное значение комплексного коэффициента отражения, равного отношению а0 - измеряемого падающего сигнала к b0 - измеряемому отраженному сигналу (см. фиг. 2).where Г and - the measured value of the complex reflection coefficient, equal to the ratio of a 0 - the measured incident signal to b 0 - the measured reflected signal (see Fig. 2).
Ги - истинное значение комплексного коэффициента отражения испытуемого четырехполюсника; S11 - направленность, S22 - рассогласование источника сигнала, S21S12 - неравномерность трактов подаваемого и отраженного сигналов (В.Г. Губа, А.А. Ладур, А.А. Савин Классификация и анализ методов калибровки векторных анализаторов цепей // Доклады ТУСУРа - №2 (24) - ч. 1-2011).Г and - the true value of the complex reflection coefficient of the tested four-port network; S 11 - directivity, S 22 - signal source mismatch, S 21 S 12 - uneven paths of the supplied and reflected signals (V.G. Guba, A.A. / Reports of TUSUR - №2 (24) - part 1-2011).
В соответствии с ГОСТ 8-381 предполагается, что систематическая погрешность, к которой относятся собственные S-параметры порта, при измерениях предварительно исключается.In accordance with GOST 8-381, it is assumed that the systematic error, which includes the port's own S-parameters, is preliminarily excluded during measurements.
Предлагаемый способ позволяет оценить влияние как случайной, так и неисключенной систематической погрешностей измерений на результаты калибровки.The proposed method makes it possible to assess the influence of both random and non-excluded systematic measurement errors on the calibration results.
При этом представленный алгоритм вычислений собственных S-параметров порта рассматривают как функцию известного значения комплексного коэффициента отражения нагрузки КЗ и измеренных при калибровке значений Skz, Sxx, Ssn и S1kz, S1xx, S1sn:In this case, the presented algorithm for calculating the intrinsic S-parameters of the port is considered as a function of the known value of the complex reflection coefficient of the short-circuit load and the values S kz , S xx , S sn and S1 kz , S1 xx , S1 sn measured during calibration:
Случайную погрешность согласно ГОСТ 8.207-76 определяют для рассматриваемого способа статистически, проводя серию измерений и находя среднеквадратические отклонения от средних значений измеренных величин Skz, Sxx, Ssn и S1kz, S1xx, S1sn.The random error according to GOST 8.207-76 is determined statistically for the method under consideration, carrying out a series of measurements and finding the standard deviations from the mean values of the measured values S kz , S xx , S sn and S1 kz , S1 xx , S1 sn .
Методологическую составляющую неисключенной систематической погрешности определяют по значениям Sk - остаточным S-параметрам аттестуемого измерительного порта, пример, результатов определения которых показан на фиг. 8. Эти параметры определяют согласно системе (10), в которой M1 заменяется выражениями из системы (8), а Мхх и Msn заменяется на и соответственно.The methodological component of the non-excluded systematic error is determined by the values of Sk - the residual S-parameters of the certified measuring port, an example, the results of which are shown in Fig. 8. These parameters are determined according to system (10), in which M1 is replaced by expressions from system (8), and M xx and M sn is replaced by and respectively.
Таким образом, составляющую неисключенной систематической погрешности измерения нагрузки Ги, вносимую остаточными S-параметрами порта, вычисляют по формуле (16), исключая слагаемые высших порядков (Douglas K. Rytting, "Improved RF Hardware and Calibration Methods,", p 35, eq. (3). URL: http://na.support.keysight.com/faq/symp.pdf):Thus, the component of the non-excluded systematic error in measuring the load Г and introduced by the residual S-parameters of the port is calculated by the formula (16), excluding the higher-order terms (Douglas K. Rytting, "Improved RF Hardware and Calibration Methods," p 35, eq . (3). Url: http://na.support.keysight.com/faq/symp.pdf):
Другая составляющая неисключенной систематической погрешности измерения нагрузки Ги связана с неисключенной систематической погрешностью определения комплексного коэффициента отражения нагрузки КЗ. Эта составляющая определяется используя выражение (15) в соответствии с ГОСТ 8.381-2009.Another component Residual stress T and the measurement error associated with the non-excluded systematic error determining complex reflection coefficient of a load fault. This component is determined using expression (15) in accordance with GOST 8.381-2009.
В отличие способа, взятого за прототип, в котором требуется предварительно знать расчетный комплексный коэффициент передачи МВС и комплексные коэффициенты отражения нагрузок КЗ, XX и СН, в заявляемом способе необходимо знать только значения модуля и фазы комплексного коэффициента отражения нагрузки КЗ, за счет чего увеличивается точность калибровки.In contrast to the method taken as a prototype, in which it is required to know in advance the calculated complex transmission coefficient of the MVS and the complex reflection coefficients of the short-circuit, XX and CH loads, in the claimed method it is necessary to know only the values of the modulus and phase of the complex reflection coefficient of the short-circuit load, thereby increasing the accuracy calibration.
Калибровка заявляемым способом может проводится с использованием нескольких МВС различной длины, что позволяет получить больше точек для аппроксимации модуля и фазы комплексных коэффициентов отражения эталонных нагрузок XX и СН, за счет чего расширяется диапазон частот калибровки.Calibration by the claimed method can be carried out using several MVS of different lengths, which makes it possible to obtain more points for approximating the modulus and phase of the complex reflection coefficients of the reference loads XX and CH, thereby expanding the range of calibration frequencies.
Помимо этого, предлагаемый способ позволяет определить случайную и неисключенную систематическую погрешности определения собственных S-параметров аттестуемого измерительного порта в диапазоне частот калибровки, которыми обладает откалиброванный предлагаемым способом ВАЦ.In addition, the proposed method allows one to determine the random and non-excluded systematic errors in determining the intrinsic S-parameters of the certified measuring port in the range of calibration frequencies that the VNA calibrated by the proposed method possesses.
Кроме этого, применение методов аппроксимации к определенным с помощью заявляемого способа значениям модуля и фазы комплексных коэффициентов отражения нагрузок XX и СН в опорных точках позволяет определить изначально неизвестные значения модуля и фазы комплексного коэффициента отражения нагрузок XX и СН и значения модуля и фазы комплексного коэффициента передачи МВС.In addition, the application of approximation methods to the values of the modulus and phase of the complex reflection coefficients of XX and CH loads at the reference points, determined using the proposed method, makes it possible to determine the initially unknown values of the modulus and phase of the complex reflection coefficient of the XX and CH loads and the values of the modulus and phase of the complex transmission coefficient of the MVS ...
Наряду с изложенными преимуществами заявляемый способ позволяет контролировать степень влияния качества изготовления МВС и соединителей эталонных нагрузок на погрешность калибровки, за счет определения частотных зависимостей остаточных S-параметров порта. Параметр Sk21Sk12 - остаточная неравномерность трактов подаваемого и отраженного сигналов, сильней всего зависит от качества МВС, а именно ее согласования и затухания по ГОСТ 18238-72. По параметру Sk11 можно оценить остаточную направленность порта анализатора цепей, а по Sk22 можно судить о об остаточном рассогласовании источника сигнала. Это также позволяет обнаруживать ошибки оператора при проведении калибровки ВАЦ.Along with the stated advantages, the inventive method makes it possible to control the degree of influence of the manufacturing quality of the MVS and standard load connectors on the calibration error, by determining the frequency dependences of the residual S-parameters of the port. Parameter Sk 21 Sk 12 - residual unevenness of the paths of the supplied and reflected signals, most of all depends on the quality of the MVS, namely, its matching and attenuation in accordance with GOST 18238-72. The Sk 11 parameter can be used to estimate the residual directivity of the network analyzer port, and Sk 22 can be used to judge the residual mismatch of the signal source. It also allows for the detection of operator errors while calibrating the VNA.
Все вышеизложенное позволяет говорить о существенном расширении функциональных возможностей заявляемого способа по сравнению с прототипом, его упрощении.All of the above allows us to talk about a significant expansion of the functionality of the proposed method in comparison with the prototype, its simplification.
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020131557A RU2753828C1 (en) | 2020-09-24 | 2020-09-24 | Method for calibration and determination of inherent systematic errors of vector network analyser |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020131557A RU2753828C1 (en) | 2020-09-24 | 2020-09-24 | Method for calibration and determination of inherent systematic errors of vector network analyser |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2753828C1 true RU2753828C1 (en) | 2021-08-23 |
Family
ID=77460405
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020131557A RU2753828C1 (en) | 2020-09-24 | 2020-09-24 | Method for calibration and determination of inherent systematic errors of vector network analyser |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2753828C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2782848C1 (en) * | 2021-11-03 | 2022-11-03 | Андрей Александрович Терентьев | Method for measuring s-parameters |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4104583A (en) * | 1977-08-31 | 1978-08-01 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce | Six-port measuring circuit |
RU2361227C2 (en) * | 2007-05-22 | 2009-07-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики" | Method of measuring s-parametres of microwave transistors in linear mode |
RU2377591C1 (en) * | 2008-09-10 | 2009-12-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственная компания "Ритм" | Method of certification of amplitude-phase error of devices for measurement of complex coefficients of transmitting and reflecting of four-pole shf |
RU2482504C2 (en) * | 2011-05-12 | 2013-05-20 | ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ КОМПАНИЯ "РИТМ" (ОАО "Компания "Ритм") | Method for calibration of inherent s-parameters of devices for measuring complex coefficients of transmission and reflection of microwave four-terminal devices |
-
2020
- 2020-09-24 RU RU2020131557A patent/RU2753828C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4104583A (en) * | 1977-08-31 | 1978-08-01 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce | Six-port measuring circuit |
RU2361227C2 (en) * | 2007-05-22 | 2009-07-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики" | Method of measuring s-parametres of microwave transistors in linear mode |
RU2377591C1 (en) * | 2008-09-10 | 2009-12-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственная компания "Ритм" | Method of certification of amplitude-phase error of devices for measurement of complex coefficients of transmitting and reflecting of four-pole shf |
RU2482504C2 (en) * | 2011-05-12 | 2013-05-20 | ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ КОМПАНИЯ "РИТМ" (ОАО "Компания "Ритм") | Method for calibration of inherent s-parameters of devices for measuring complex coefficients of transmission and reflection of microwave four-terminal devices |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
DUNSMORE J. HANDBOOK OF MICROWAVE COMPONENT MEASUREMENTS // JOHN WILEY AND SONS, 2012, - P. 145. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2782848C1 (en) * | 2021-11-03 | 2022-11-03 | Андрей Александрович Терентьев | Method for measuring s-parameters |
RU2789242C1 (en) * | 2022-05-31 | 2023-01-31 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет" (НИУ МГСУ) | Calibration load of the vector circuit analyzer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6499177B2 (en) | Method for calibrating inspection equipment configuration | |
US4853613A (en) | Calibration method for apparatus evaluating microwave/millimeter wave circuits | |
US10042029B2 (en) | Calibration of test instrument over extended operating range | |
US6836743B1 (en) | Compensating for unequal load and source match in vector network analyzer calibration | |
US8504315B2 (en) | Method for the secondary error correction of a multi-port network analyzer | |
US8126670B2 (en) | Method and device for calibrating a network analyzer for measuring at differential connections | |
CN112698257B (en) | Method for analyzing influence of hardware indexes of vector network analyzer on measurement precision | |
RU2687850C1 (en) | Measuring device and method of determining complex transfer coefficients of microwave-mixers | |
EP3574331B1 (en) | An interferometric iq-mixer/dac solution for active, high speed vector network analyser impedance renormalization | |
RU2482504C2 (en) | Method for calibration of inherent s-parameters of devices for measuring complex coefficients of transmission and reflection of microwave four-terminal devices | |
RU2753828C1 (en) | Method for calibration and determination of inherent systematic errors of vector network analyser | |
Stumper et al. | Calibration method for vector network analyzers using one or two known reflection standards | |
JP7153309B2 (en) | Measurement method of reflection coefficient using vector network analyzer | |
US6982561B2 (en) | Scattering parameter travelling-wave magnitude calibration system and method | |
Fezai et al. | Characterization of reflection and attenuation parameters of device under test by vna | |
Fezai et al. | Measure of reflection factor s 11 high frequency | |
Torok et al. | Efficient broadband method for equivalent source reflection coefficient measurements | |
RU2771481C1 (en) | Method for vector calibration taking into account the intrinsic noise parameters of the meter | |
Fezai et al. | Traceability and calibration techniques for vector-network-analyzer | |
Singh et al. | Comparison of Vector Network Analyser (VNA) calibration techniques at microwave frequencies | |
RU2774501C1 (en) | Device for measuring complex transmission and reflection coefficients of microwave quadrupoles | |
Shoaib et al. | Commissioning of the NPL WR-05 waveguide network analyser system for S-parameter measurements from 140 GHz to 220 GHz. | |
Chen et al. | Evaluating uncertainties in net power delivery using dual directional couplers | |
RU2801297C1 (en) | Method for dynamic calibration of mobile measuring stands in a wide frequency band | |
Staudinger | Network analyzer calibration |