是什么让 OSL(开路短负载)校准器如此昂贵/复杂?

电器工程 校准 vna
2022-01-27 13:03:32

一个可以达到 GHZ 的 OSL 可能要花费数百甚至数千美元,是什么让它们如此特别?

我的理论是负载涉及某种特殊的电阻器,并且将 50 欧姆负载保持在 GHz 可能并不容易,同样的短路,一根电线是这些频率下的传输线,电感/电容可以有大作用。但这能证明巨大的成本是合理的吗?

更重要的是,开放呢?是什么让校准器的开路与让线路未端接如此不同?开放就是开放,那么我们为什么需要它呢?

具有烙铁、一些 N 型连接器和一些 RF SMD 电阻器的业余爱好者无法做到的优秀 OSL 校准器背后的技术细节是什么?

1个回答

计量级校准标准被加工成非常严格的公差,以便在执行 SOLT 校准时提供精确且可重复的结果。在较低频率(GHz 或更低频率),这不是什么问题,但随着所需测量移至更高频率,这变得越重要(特别是对于测量的相位精度)。

考虑一下 SOLT 校准的基本作用。如果您不熟悉它,请研究矢量网络测量的 12 项误差模型。SOLT 校准方法允许对这 12 个误差项进行数学推导,假设可以在 DUT 的参考平面测量完美的开路、短路、负载和直通。为了计算出数学,测量每个标准,并将标准的原始测量值与标准的给定特性进行比较(对于开路/短路,这通常被描述为多项式的电容/电感系数)。完美的物理标准将具有多项式所描述的精确响应,并且由于这是已知的,因此可以将原始测量值与已知值进行比较,

假设一切都是完美的,一旦将误差项应用于原始测量,您的参考平面将得到很好的定义,并且您获得的测量结果将在 DUT 参考平面上结束。当然,没有什么是完美的,校准标准也存在公差。对于 SOLT 校准,一组“完美”的开路和短标准将具有完全相同的偏移长度。电缆参考平面与实际开路/短路标准之间距离的任何不精确都会在标准测量中引入不确定性,从而导致参考平面定义不明确。同样,如果负载标准不接近指定的系统阻抗(即匹配不佳),则会引入误差项的不确定性。

特别是对于高频测量,“开就是开就是开”根本不是一个正确的说法。快速示例:考虑一个速度因子为\$0.9\$的空气电介质同轴射频连接器,我们想要测量 DUT 在\$f_0 = 40\mathrm{GHz}\$处的响应。

我们的波长最终是:

$$ \lambda = \frac{c}{f_0} = \frac{0.9\cdot3\mathrm{e}8\ \frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}}{40\mathrm{e }9\ \mathrm{s}^{-1}} = 6.75\ \mathrm{mm}$$

将其除以 360,您会得到每个\$18.75\mathrm{\mu m}\$等于 1 度的相位误差。因此,开放标准的连接器每偏离其指定的偏移长度 20 微米,就会在感兴趣的频率上对校准标准的测量结果增加一定程度的相位误差。这甚至没有考虑电缆和标准连接接口的损耗(这会增加测量幅度的不确定性)。现在考虑短路和负载标准也可能具有不确定性,所有这些不确定性都会加剧。

除了校准精度之外,校准标准具有可重复的结果也很重要。如果 VNA 日复一日地使用相同的标准进行校准,并且每次校准都会导致计算得出的误差项大相径庭,如果目标是准确表征 DUT,那么来自该仪器的测量将不会很有用. 计量级标准除了精确到其指定值外,通常还具有严格的公差,以确保在多次连接/断开循环后具有可重复的特性(假设它们使用正确,即正确拧紧、保持清洁等)。

简而言之,提供准确和可重复的校准标准所需的所有额外加工精度,加上计量级组件的相对较小的市场(即低规模经济)等同于看似非常“简单”的昂贵设备。

一些不错的进一步阅读是 Maury Microwave 的以下演示文稿,该演示文稿描述了计量级连接器的一些重要指标(引脚深度、同心度、可重复性等):https ://www.maurymw.com/Support/pres/connectors -precision_or_not.pdf

正如@mkeith 在对您的问题的评论中提到的那样,当然可以制定自己的标准(负载是最简单的,因为如果它的回波损耗相当不错,它不会对校准产生太大影响)。它实际上归结为需要多少准确性的权衡。用于低频无源设备的史密斯圆图上的球场区域?应该没问题吧 试图在多级功率放大器设计中描述最终使用的高频晶体管的阻抗?不太好。