利用校准克服毫米波测量挑战

如何通过校准提升毫米波测量的准确性和可靠性

毫米波频率的校准目标与更长波长的校准目标没有区别：都是为了消除造成测量不确定度的最大因素。但实际情况是，尽管目标相同，实际上实施校准的过程却完全不同。在测试毫米波器件时，您需要了解在 30-300 GHz 频率内进行校准的独特挑战。

即使最好的硬件也无法消除器件测试期间产生的所有潜在误差。所有测试硬件本身都有一定程度的不精确性。并且在毫米波频率下，波长较小，意味着即使测量面发生较小变化，也可能产生较大的测量误差。换言之，哪怕只有几毫米的位移都可能导致较大的相移。如此紧张的裕量，使得通过适当的校准最大限度减小这些误差变得愈发重要。

您可能比较熟悉标准的网络分析仪校准和矢量误差校正测量。一般情况下，它们可以尽量提高测量精度（通过最大限度地减少网络分析仪自身的不精确性）。但是，在毫米波频率下，需要考虑特殊的校准问题，这对于在这些高频频段中进行精确、可重复的测量至关重要。那么，您需要进行哪些改变以便在毫米波频率范围内进行测量？如何确保获得最可靠的测量结果，并避免成本高昂的测试误差？

您的 VNA 测量精度由其校准决定

VNA 可以提供很高的测量精度。但是，只有通过称为矢量误差校正的数学方法对 VNA 进行校准后，才能真正实现该精度。这类校准不同于在校准实验室中进行的年度校准，后者可确保仪器正常运行，并达到其公布的技术指标，例如输出功率和接收机本底噪声等。

校准基于 VNA 的测试系统有助于确定造成测量不确定度的最大因素：系统误差。系统误差是可重复的非随机误差，可以通过数学方法测量和消除。它们来自网络分析仪本身，以及分析仪和被测器件之间的所有测试电缆、适配器、夹具和/或探头。另外，通过误差校正可以消除系统误差。经过矢量误差校正的 VNA 系统能够最准确地反映被测器件的真实性能。这意味着网络分析仪及其测量的精度实际上完全由其校准决定。

新的校准挑战

想要最大限度地减少重新测试和部件故障的成本，以及增加毫米波频率设计成功的可能性，校准至关重要。使用毫米波系统需要您在很宽的频率范围内实现宽带校准，通常从 500 MHz 一直到 125 GHz 或更高频率。但是，在如此宽的频率范围内进行校准，将会带来一系列在低频范围内没有遇到过的新挑战。

为了在毫米波频率下有效校准 VNA，您需要一个能够提供宽带频率覆盖范围的负载。利用精心设计的宽带负载，即可实现合理的精度。然而，在毫米波下使用滑动负载并不理想。还有其他方式可以实现高精度。您可能会考虑使用多项式模型，在低频测量时经常会用到它。这种模型只能描绘出负载的电感和回波损耗。采用这种实施，您需要三个频段 — 低频段、高频段和一种宽带滑动负载。对于 30 GHz 以下的频率，这通常已足够，并且您可以使用此方法来获得有效校准。但如果在测量较高频率信号时采用此方法，您会发现一些问题。

旧模型：多项式校准

图 2 显示了包含三种不同多项式模型（低频带、高频带和宽带）的短路件波形，以及它们与实际物理模型的偏差。红色迹线表示低频段模型，专门针对低频段性能进行了优化。它有良好的负载，但可能会限制短路件。该信号大约为 40 GHz，我们注意到它发生问题，而误差开始扩大。

如果不采用适当的校准，您将面临测量不确定度的风险。在某些情况下，该不确定度可以忽略。但是在毫米波频率下，波长很短，每个小的缺陷都会被放大。这种不确定度很容易导致器件失效或不符合严格的标准。适当的校准技术对于您使用 VNA 进行测量空前重要。

蓝色迹线表示只使用短路件而不使用低频段负载的结果。在这种情况下，借助多个短路件，您可以限制 40 GHz 及更高频率上的性能。然而，如果您能将宽带模型（充分利用红色迹线在低频段负载方面的优势）与蓝色迹线的高频段偏置短路校正相结合，则可以得到类似于绿色迹线的结果。这展示了在毫米波频率下工作的新挑战。进入这些宽带频率时，我们需要消除负载。为此，您需要使用多个短路件来覆盖目前正在使用的宽广频率范围。多项式模型在毫米波频率下不适宜使用。因此需要新的解决方案。

新模型：数据库校准

我们现在知道，需要使用多个短路件来覆盖我们正在使用的宽频率范围。但是，如何才能做到这一点？这在实践中是什么样子？校准套件（图 3）就是您正在寻找的答案。它无需宽带负载，并能实现多个短路，从而覆盖您正在使用的频率范围。例如，是德科技有一个机械同轴校准套件，它包括一个低频负载、四个短路件和一个开路件。使用该负载，这个套件能够覆盖高达 50 GHz 的低频范围。并且，它使用偏置短路件在史密斯圆图上提供代表不同阻抗条件的状态。

这类实施使用的是数据库模型，而不是多项式模型。正如我们在图 2 中的示例所见，多项式模型在毫米波频率下并不适用，因此我们需要选择其他技术。

数据库模型比较适合。它使用指定的数据集来表征每个器件。该模型使用史密斯圆图，包含特定频率范围内各种元器件的已知数据。例如，对于信号源匹配型测量，让我们看一下高反射器件。在这个频率下较好的短路件是什么？我们将其绘制成图，并将其用作数据库校准模型。对于您正在使用的任何类型的测量，您都可以这样做：绘制出理想条件并将其用作模型。借助此数据集，即可校准我们的系统。

使用最小平方拟合法可进一步增强该校准，该方法适用于误差校正项的计算。从本质上来说，这适用于加权，以确保在校准误差提取中使用正确的标准件。图 3 中的是德科技校准套件便使用了此类技术，使我们能够有效地校准毫米波测试系统。重要的是，您必须知道，适合在较低频率下工作的校准套件和方法根本不适用于这些宽带频率。为此，您需要考虑选择一套新的校准工具，以优化毫米波测试装置的精度。

接口类型

了解毫米波频率所需的校准类型至关重要，但不同的连接器类型可能会使其更加复杂。在毫米 波频率下，与被测器件连接的方式主要有四种：同轴、晶圆上、波导和空中（OTA）。每种方 法都需要采用不同的校准方法。我们看到同轴和晶圆上是最常用的方法，因此在本次讨论中我 们将重点关注这些方法。

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