接續前文:在野外進行精密量測校驗的技巧(上)  

校驗FieldFox測試埠

FieldFox為使用者校驗提供了多種選擇,可消除VNA和待測裝置間的測試纜線和轉接器影響。如前所述,使用者校驗也可修正VNA中的系統誤差,這些類型的使用者校驗由操作員定期進行,與常規年度儀器校驗無關。年度儀器校驗是一個可追溯的過程,由是德科技等經過認證的測試實驗室進行,用於確認儀器的操作是否符合規定的技術規範。

年度儀器校驗應能夠通過NIST、NPL或BIPM等國家計量機構,追溯至國際單位制(SI)的規範。FieldFox透過可完全追溯的儀器校驗,能夠於測試埠上進行非常精準的量測。實際上,不同的測試要求可能會導致各種測試纜線和轉接器連接至FieldFox。量測結果中通常最好不要包含這些纜線和轉接器的影響。FieldFox在這種情況下允許執行使用者校驗(使用或不使用校驗套件),以在測試纜線和轉接器之外建立校驗平面。熟悉VNA操作的操作人員會比較清楚部分類型的使用者校驗,本文會於以下幾節回顧FieldFox上的各種可用校驗類型。

有數種使用者校驗類型可精準量測元件與系統的S參數,前文簡要介紹了CalReady、QuickCal和機械校驗等校驗類型,機械校驗類型是一種傳統的VNA校驗,需使用高品質的校驗套件,創新的CalReady和QuickCal則不需要這類套件。電子校驗(ECal)是一種精準的校驗技術,其對插入式或非插入式元件的所有量測結果皆可追溯至NIST標準,能夠取代傳統的機械校驗。一般對所有校驗類型來說,任何額外的測試纜線和轉接器都應相位穩定、品質可靠並保持良好狀態,以提高量測資料的精準度和可重複性。

CalReady

CalReady是FieldFox上最容易執行的校驗類型。CalReady校驗類型無需使用者操作,在儀器開啟或預設後即可執行。這種內建校驗方式在工廠以FieldFox的完整頻率範圍執行,並可直接應用於FieldFox的測試埠,如圖7a所示。當DUT直接連接至FieldFox的測試埠時,CalReady的量測精準度最高。如圖7b所示,當同軸電纜可直接在FieldFox連接埠1和連接埠2間連接時,CalReady非常適合用來量測電纜效能。

請注意,由於FieldFox測試埠配置有N型母頭連接器或3.5mm公頭連接器(微波26.5GHz型號),因此電纜和FieldFox之間連接的任何轉接器電氣特性也會成為量測的一部分。圖7c說明測試雙埠DUT的典型配置,需使用一小段測試纜線和兩個轉接器來連接至FieldFox。由於校驗平面位於FieldFox的測試埠處,因此測試纜線和轉接器也屬於S參數量測的一部分,其他校驗類型(包括QuickCal和機械校驗)可以消除這些測試元件的影響,本應用說明將會在後續章節進行討論。

20190822TA71P1 圖7 使用FieldFox CalReady進行校驗和測試配置。

CalReady可以設定為全2埠校驗或增強響應校驗。如上篇圖3所示,CalReady和其他全2埠校驗類型透過對DUT進行正向和反向量測,並消除量測S參數中的所有系統誤差,以達最高量測準確度。採用內建增強響應校驗時,CalReady只需進行一次量測掃描,正向或反向均可,可使整體量測時間比全2埠校驗更短。增強響應校驗的缺點是精準度較低,這是因為它只能修正一部分系統誤差,增強響應校驗是FieldFox開啟或預設時的預設校驗類型。

在特定環境下,當DUT為互易性元件並將FieldFox設定為互易增強響應校驗時,可以提升採用增強響應校驗的量測精準度。如前所述,互易性DUT的正向和反向傳輸參數相等(即S21=S12),通常適用於所有被動元件,例如纜線、轉接器、耦合器和濾波器。

圖8為CalReady採用增強響應校驗和全2埠校驗配置的量測比較。DUT為一小段直接連接至FieldFox測試埠的同軸電纜,量測的是S11。上方的黃色軌跡表示在DUT為非互易定義下,採用增強響應校驗的響應,下方的黃色軌跡表示在DUT為互易定義下,採用增強響應校驗的量測,下方藍色軌跡則表示採用全2埠校驗時的量測結果,從圖中可以看出,在互易定義下的增強響應校驗量測結果與採用全2埠校驗者幾乎完全相同。採用非互易定義的增強響應校驗則沒有如此精準。應當注意的是,將實際為非互易性元件(放大器)的DUT定義為具互易性,會導致量測結果不正確。反之,將互易性DUT定義為非互易性會產生正確的量測結果,但準確度比較低,如圖8所示。若不確定,將預設值設定為非互易會比較安全。

20190822TA71P2 圖8 以全2埠校驗類型和增強響應校驗類型對同軸電纜進行S11量測的比較(DUT採用互易和非互易定義)。

簡言之,CalReady增強響應和CalReady全2埠的校驗規則會在工廠內進行特性分析,並儲存在FieldFox內部。非互易和互易定義均為數學技術,用於處理儀器中的系統誤差修正過程。表1說明使用增強響應和全2埠校驗類型的相對準確度和量測時間比較,本表格適用採用增強響應和全2埠校驗的CalReady和其他機械校驗類型。

20190822TA71P8-1 表1 使用CalReady增強響應和CalReady全2埠校驗類型的相對準確度和量測時間比較。

QuickCal

測試配置通常需使用額外測試纜線和轉接器以將VNA連接至DUT,與之前圖7c中的配置類似。為了消除測試纜線和轉接器對量測的影響,必須由使用者進行FieldFox校驗,以在遠離VNA的位置建立校驗平面,並與DUT連線。使用者校驗通常需要包含一組高品質同軸或波導標準件的「校驗套件」,由VNA在校驗過程中量測。FieldFox採用稱為QuickCal的創新使用者校驗技術,無需使用校驗套件。QuickCal透過使用內建CalReady校驗規則,來消除與FieldFox測試埠相連的測試纜線和轉接器相關系統誤差,以提供準確的S參數量測。

QuickCal也可用來修正由儀器、測試纜線及轉接器溫度變化而導致的漂移誤差。當環境條件會快速變化時,修正溫度變化誤差在現場操作中就變得非常重要,因為量測需要在室內和室外進行。QuickCal不支援儀器測試埠和校驗平面間訊號路徑的衰減器與非互易性元件。QuickCal包含兩個簡單步驟,需要分別對開放式測試纜線或轉接器,以及THRU連線進行量測掃描,雙埠量測需進行此兩步驟程序,單埠量測則需開放式掃描一個步驟即可。執行QuickCal無需校驗標準,圖9a以圖示說明於FieldFox執行QuickCal的兩個步驟,如圖所示,第一步是讓所有轉接器及/或測試纜線末端保持開放狀態,無需像機械校驗一樣使用開路校驗標準。QuickCal的第二步是直接連接兩個測試埠,此THRU連線可能需要也可能不需要使用轉接器。校驗中並不一定需要轉接器特性,有時轉接器本身就是DUT。

20190822TA71P3 圖9 測試配置(a)適用FieldFox VNA與相關測試纜線及轉接器快速校驗的QuickCal校驗,和(b)適用QuickCal校驗平面量測的DUT連線。

值得注意的是,測試纜線和轉接器必須具有極高的相位穩定性,否則校驗可能會不準確和/或不穩定。一旦完成QuickCal的兩步驟程序,便可在不考慮任何測試纜線和轉接器的影響下對DUT進行量測,圖9b為典型的雙埠DUT測試連線圖。由於現在校驗平面已移到DUT平面,因此測試纜線和轉接器便不再屬於S參數量測的一部分,請注意,如果預期DUT的S11或S22小於-15dB,則可在執行QuickCal時量測選配的負載標準,以提升DUT量測準確度。理想情況下,負載標準的連接器類型應與DUT相同,而且不一定要是「校驗套件」負載標準。負載可以是任何具有良好回返損耗的終端器,以提高量測的準確度。

可選擇使用單埠或雙埠DUT來執行QuickCal。單埠DUT需對S11或S22進行校驗和量測,單埠元件的QuickCal程序只需進行開放式量測掃描,也可以選配負載來提高準確度;雙埠DUT的QuickCal同樣按照上述步驟進行,但可選擇全2埠校驗或增強響應校驗。建議使用準確度較高的全2埠校驗,但需要較快的量測速度時,可以選擇增強響應校驗選項。如前所述,增強響應校驗只需進行正向或反向量測。全2埠校驗則需要進行正向與反向量測,量測掃描時間相較之下較長。

圖10顯示使用CalReady和QuickCal校驗類型對帶通濾波器進行S21量測的比較。兩種校驗都使用全2埠校驗類型。使用Cal-Ready進行濾波器量測得到的S21dB值較低,這是因為濾波器量測中包含測試纜線的插入損耗(與圖7c所示配置類似)。在這種情況下,測試纜線的額外損耗使濾波器的插入損耗比其實際損耗更高。使用QuickCal進行濾波器量測較能適當量測插入損耗,因為已從量測中去除測試纜線的插入損耗(與圖9b中的配置類似)。

20190822TA71P4 圖10 使用CalReady和QuickCal校驗類型進行帶通濾波器S21量測的比較。

校驗插入式元件雙埠DUT可歸類為「插入式」元件或「非插入式」元件。插入式元件採用類型相同但屬性不同的連接器,例如,DUT在連接埠1上使用N型公頭連接器,而在連接埠2上使用N型母頭連接器。在這種情況下,FieldFox及相關測試纜線也會在測試埠上採用相反屬性的連接器,無需任何轉接器便可將DUT直接連接至FieldFox。此配置也允許FieldFox測試埠在校驗過程的THRU步驟中直接連線。圖11說明使用N型連接器校驗和測試插入式元件的配置,圖11a顯示使用FieldFox VNA和採用屬性相反N型連接器的單一測試纜線時,校驗平面的位置,校驗平面的位置在QuickCal需開放式連接器的所處位置。選擇機械校驗時,校驗平面位於校驗套件標準的連接位置,通常與QuickCal中使用的位置相同。任何校驗類型的THRU連線都不需要使用轉接器,且校驗平面理想上會建立在DUT連接埠處,圖11b顯示插入式DUT到FieldFox測試設定的連線。

20190822TA71P5 圖11 量測「插入式」元件的(a)校驗和(b)量測配置。

在FieldFox分析儀中,QSOLT是建議用於插入式元件的2埠校驗演算法。其只需四次連接(單埠校驗和直通量測),且精準度非常高。

使用未知直通技術對非插入式元件進行校驗。非插入式元件具備相同類型、相同屬性的連接器或不同類型的連接器,例如在一個連接埠上使用同軸連接器,另一個連接埠上使用波導連接器(此時QuickCal不支援波導連接器)。

非插入式元件進行全2埠校驗時,需在過程中的THRU步驟使用額外轉接器。理想情況下,轉接器的連接器類型和屬性應與DUT相同。傳統上在使用VNA對非插入式元件進行量測時,需準確定義全2埠校驗中THRU轉接器的電氣延遲,否則需要透過多個校驗進行複雜的校驗。幸運的是,FieldFox VNA可以提供「未知THRU」校驗,且在校驗過程步驟中,可使用任何纜線或轉接器來連接測試埠。未知THRU適用QuickCal和全2埠校驗類型,未知THRU可為具備與DUT相同連接器配置的任何元件,未知THRU的電氣長度也可能較長,例如較長的同軸電纜,如果量測頻率範圍內的插入損耗低於40dB且DUT為互易性元件,未知THRU本身也可作為DUT。

圖12a說明以未知THRU對FieldFox VNA進行校驗的配置。在本範例中,轉接器在兩個連接埠上均採用N型母頭連接器,與非插入式DUT的連接器相符。FieldFox提供N型母頭連接器,因此在本範例中,必須使用測試纜線和轉接器將FieldFox測試埠轉換為N型公頭連接器。如圖所示,校驗平面透過QuickCal中的「開路」或機械校驗中的校驗套件標準,建立在N型公頭連接器的末端。未知THRU校驗完成後,即可準確量測非插入式DUT,而不受THRU轉接器影響。

20190822TA71P6 圖12 校驗分析儀並使用未知THRU量測「非插入式」元件的測試配置範例。

圖13為一量測範例,說明波導至同軸轉接器的VSWR量測。由於此非插入式DUT採用不同的連接器類型,因此使用未知THRU的全2埠校驗可提供最高的量測精準度。本範例於7~13.8GHz的頻率範圍內,對採用選配012X頻段同軸波導轉接器的Keysight X281C進行量測。全2埠校驗以N型和波導機械校驗標準來執行,在校驗過程中,插入DUT做為未知THRU用,FieldFox支援X頻段、P頻段和K頻段校驗套件。

20190822TA71P7 圖13 將轉接器用做未知THRU所量測到的X頻段同軸波導轉接器VSWR。

機械校驗

在FieldFox執行校驗時,採用CalReady和QuickCal的主要優勢是無需校驗套件,此優點讓現場儀器校驗變得相當簡單而快速。需要最高量測準確度時,建議使用傳統機械校驗類型。機械校驗以高品質校驗套件中包含的離散校驗標準進行,校驗套件標準的特性定義明確,這些標準的量測讓VNA可用數學方式決定分析儀、測試纜線和轉接器等測試系統中的系統誤差。是德科技一系列連接器產品都有提供校驗套件,包括N型(50歐姆和75歐姆)、7/16、3.5mm、F型、7mm、TNC和X頻段、P頻段和K頻段等幾種波導套件。

校驗套件中的標準通常包括開路、短路和負載(O、S、L)。每個連接器系列和屬性的O、S、L定義皆為獨一無二。這些定義內建於FieldFox中,每個測試埠的連接器類型和屬性會在導引式校驗過程中進行選擇。FieldFox會根據選擇的S參數和DUT連接器配置,推薦速度和準確度最佳化的校驗類型。使用者可以根據自己對較高準確度和較短量測時間的偏好,變更校驗類型。表2列出FieldFox提供的機械校驗類型,該表也為每種類型的相對準確度和校驗速度進行匯整。由於部分量測只需要進行正向或反向掃描(例如增強響應和正規化),另一些量測需進行正向和反向掃描(例如全2埠和QSOLT),因此量測速度也與校驗速度相關。

20190822TA71P13-1 表2 使用FieldFox VNA機械校驗類型的相對準確度和校驗時間比較。

ECal

ECal是一種完整的固態校驗解決方案。每個ECal模組均包含可在量測校驗過程中自動切換到位的電子標準。這些電子標準已在工廠進行量測,資料儲存在ECal模組的記憶體內,分析儀利用儲存資料及量測資料來計算量測校驗誤差。ECal可取代使用機械標準的傳統校驗技術,使用機械標準時,需在單一校驗中建立多個與測試埠的連線。傳統機械校驗需要由操作人員完成大量的操作,非常容易出錯,採用ECal時,只需要一個到ECal模組的連線即可完成一次完整的單到雙埠校驗,並將操作員互動降到最低。如此一來便可提高校驗速度,並可重複進行。

全2埠校驗

全2埠校驗是最全面的機械校驗。圖14a說明使用傳統全2埠校驗類型對FieldFox進行校驗所需的步驟,此方式需在每個測試埠連接開路、短路和負載標準。如圖所示,全2埠校驗程序的第一步需建立六個連線,每個測試埠需要三個標準。每個標準都需進行一次正向或反向掃描。第二個步驟是THRU,將兩個測試埠連接在一起,THRU需要正向和反向掃描。建立這七個連線後,便完成校驗作業,校驗平面設定在測試埠末端。圖14b說明連接至兩個測試埠的DUT量測配置。

20190822TA71P8 圖14 測試配置(a)需要開路、短路和負載(O、S、L)校驗標準的全2埠校驗和(b)在校驗平面進行量測的DUT連線。

FieldFox採用兩種創新技術來提高機械全2埠校驗的準確度和校驗速度。第一種技術在前文中已討論過,即在機械校驗過程中應用未知THRU,如前所述,未知THRU大幅降低了非插入式DUT的校驗複雜度,第二種技術是全2埠QSOLT。相較於傳統的全2校驗,QSOLT的執行速度更快,同時仍然能夠保持高準確度,QSOLT無需在測試埠2量測O、S、L標準,因此可以減少校驗套件標準的量測步驟。QSOLT的唯一要求是測試埠纜線必須能夠相互匹配,無需使用轉接器,換言之,DUT必須為插入式元件。

圖15a顯示使用全2埠QSOLT校驗類型對FieldFox進行量測時需要的步驟。如圖所示,QSOLT校驗程序的第一步是將開路、短路和負載標準連接至測試埠1,每個標準都需進行一次掃描。第二步是THRU,此時會將兩個測試埠連接在一起;此校驗類型不能使用轉接器,THRU需要進行正向和反向掃描,測試埠2的校驗平面會在量測THRU後建立。完成這些步驟後校驗便已完成,校驗平面設定在測試埠末端,其量測準確度和傳統全2埠校驗類似。圖15b顯示了連接至兩個測試埠的DUT量測配置。DUT量測需要進行正向和反向掃描,以從量測到的S參數中完全消除所有系統誤差。

20190822TA71P9 圖15 測試配置(a)需要開路、短路和負載(O、S、L)校驗標準的全2埠QSOLT和正向增強響應校驗,與(b)在校驗平面進行量測的DUT連線。

增強響應校驗

當使用者可以接受較低的量測準確度並需要較快的量測速度時,增強響應機械校驗是一個不錯的選擇,可以用來量測正向響應(S11、S21)或反向響應(S12、S22)。增強響應機械校驗類型的功能和之前提到的CalReady類似,不同的是,前者需對O、S、L校驗標準進行量測。CalReady將校驗平面設在FieldFox連接器處,而增強響應機械校驗將校驗平面設在DUT的介面處,從而提高量測精準度。增強響應的校驗過程和圖15a顯示的QSOLT相同,使用增強響應主要的不同點是僅在一個方向進行校驗和量測,正向或反向均可,它會提高量測速度,但由於沒有在兩個方向量測,部分系統誤差得不到修正,從而降低總體量測準確度。

增強響應校驗類型有正向增強響應和反向增強響應兩種選擇。顧名思義,正向校驗類型只會對S11和S21進行量測,而反向校驗則只對S12和S22進行量測,要注意的是,非互易性和互易性元件的選項對於這種機械校驗仍然有效。這些選項先前在本應用說明的CalReady章節已討論過,圖16比較了使用QSOLT校驗(上方黃色軌跡)和正向增牆響應校驗(下方藍色軌跡)對寬頻2~18GHz低雜訊放大器進行的增益量測。

20190822TA71P10 圖16 使用全2埠QSOLT校驗類型(上方軌跡)和非互易定義的增強響應校驗(下方軌跡),對寬頻2~18GHz低雜訊放大器進行增益量測的比較。

雖然這兩種校驗的機械校驗過程幾乎完全相同,但使用增強響應量測的增益響應在量測到的響應中有更多漣波,這是由未修正的系統誤差造成的。因為DUT是放大器,故圖16中的增強響應校驗相關量測需選擇具非互易性。在此放大器測試中,測試埠輸出功率已被手動減少-35dBm,以防止放大器達到飽和。

單埠OSL和響應(正規化)校驗

單埠OSL校驗適用單埠DUT的純反射量測。單埠DUT可以是天線、終端器或檢測器等。量測單埠DUT時,單埠OSL校驗類型可以應用在VNA的測試埠1或測試埠2,並能提供最高量測準確度,單埠OSL機械校驗程序必須在選擇的測試埠上對開路、短路和負載標準進行量測。

響應或正規化校驗執行容易,但只能修正測試系統中的少部分系統誤差,因此準確度非常低。響應校驗本質上是一種正規化量測,其參考軌跡儲存在記憶體中,且後續量測資料會被該記憶體軌跡隔開。此校驗類型適合快速檢查DUT操作,而不需考慮量測準確度的狀況,在大多數情況下,最好只使用內建的CalReady校驗方式。

校驗精靈

FieldFox是一種功能強大的微波VNA,可在使用CalReady和QuickCal校驗類型時提供準確的使用者校驗,無需使用校驗套件。如前所述,校驗套件可適用於野外,FieldFox也可提供一系列機械校驗類型。無論採用QuickCal還是機械校驗類型進行校驗,FieldFox都會以稱為「校驗精靈」的內建引導式校驗程序,提供執行使用者校驗的逐步指示。校驗精靈會顯示每個校驗步驟所需的標準類型和相關埠連線,例如以QuickCal對FieldFox的S11量測進行校驗時,第一步是將連接埠1斷開,下一步是連接負載(非必要)。每個步驟都會指示使用者按下「量測」鍵,以進行標準量測掃描。當所有標準量測完畢後,校驗精靈會進行錯誤修正,並將儀器顯示器切回量測螢幕。

校驗精靈會根據所選的S參數和DUT連接器類型,推薦能夠提供快速校驗和最高量測準確度的校驗類型。例如,如果將FieldFox設定為量測單一S參數(如S11),並選擇機械校驗,校驗精靈便會推薦單埠OSL校驗,並會引導使用者將開路、短路和負載校驗套件標準連接至VNA連接埠1。經驗豐富的使用者也可以根據特定量測需求和準確度,選擇將推薦的校驗方式換成不同類型,例如圖17a顯示在選擇機械校驗類型時的校驗精靈顯示畫面。校驗精靈推薦使用全2埠校驗類型,但使用者也可以從清單中選擇任何校驗類型,包括增強響應和QSOLT。

20190822TA71P11 圖17 (a)選擇校驗類型和(b)選擇DUT連接器類型時的FieldFox校驗(Cal)精靈顯示畫面。

如前所述,在使用者校驗中,正確輸入測試配置中的DUT連接器類型非常重要。輸入DUT連接器和相應屬性可讓校驗精靈推薦最佳的校驗類型,確保VNA在誤差修正過程中使用適當的連接器型號。圖17b說明輸入每個測試埠連接器類型和屬性時的校驗精靈顯示畫面,在本範例中,DUT為採用3.5 mm公頭連接器類型的單埠元件。校驗精靈也會指導選擇校驗套件型號。

校驗精靈提供了詳細的指導、連接圖及靈活性,有助於提高分析儀校驗的準確度和速度,是初學者與資深使用者的絕佳選擇。校驗精靈是VNA和CAT量測模式的一部分,適用FieldFox所有射頻和微波型號。

結語

本應用說明介紹了使用FieldFox進行向量網路分析儀校驗的最新進展。結果顯示,FieldFox CalReady和QuickCal校驗類型可提供非常高的量測準確度,同時省去將校驗套件帶至野外的需求。本文也對FieldFox多種校驗選項的校驗程序和量測進行了比較。

接續前文:在野外進行精密量測校驗的技巧(上)