使用VNA（Vector Network Analyzer）对S参数进行去嵌（一）_小孟boy的博客-CSDN博客_vna测s11公式

去嵌过程

无论是使用 EM 仿真工具创建的简化模型（如一段理想传输线）还是复杂模型用于测试夹具，现在都需要使用该 S 参数模型执行去嵌入过程。

有两种主要的方法可以实现去嵌入过程。第一种技术使用来自网络分析仪的测量数据，并使用上一节中讨论的 T 参数矩阵计算来处理数据。

第二种技术使用网络分析仪直接执行去嵌入计算，允许用户实时检查去嵌入响应。该技术通过修改分析仪内存中的校准误差项来实现。

静态方法

这种方法使用从测试夹具和 DUT 的测量数据。数据可以从网络分析仪中导出或直接导入到模拟工具中，例如 ADS。
通过使用夹具模型，去嵌过程可以由T 参数矩阵计算或 ADS 中的对立模型（negation model）来执行。去嵌后，数据就会静态显示在计算机屏幕上，或者可以下载到分析仪的内存中进行显示。

使用T参数矩阵进行去嵌有以下几个步骤：

1.使用 S 或 T 参数创建测试夹具的数学模型来表示夹具的每一半；

2.使用矢量网络分析仪，使用标准同轴校准套件校准分析仪，并一起测量设备和夹具的 S 参数。 S 参数表示为复数；

3.将S参数转换为T参数；

4.使用测试夹具的 T 参数模型，将去嵌入方程应用于测得的 T 参数；

 5.将T参数转回到S参数并进行显示。

此时最终结果就将夹具的影响去除了。

实时方法

对于这种技术，我们希望将测试夹具 S 参数模式合并到矢量网络分析仪的校准误差项中。
通过这种方式，分析仪执行所有的去嵌入计算，从而允许用户在不受测试夹具影响的情况下查看 DUT 的实时测量结果。大多数矢量网络分析仪都能够直接从前面板对误差项进行一些修改。
其中包括端口扩展和修改校准“直通”定义。现在将讨论这些技术中的每一种，包括修改传统的十二项误差模型以包括测试夹具每一侧的完整 S 参数模型的技术。

端口扩展

最简单的去嵌入形式是端口扩展，它在数学上将测量平面延伸到 DUT。此功能包含在大多数现代网络分析仪的固件中。端口扩展假定测试夹具看起来像一些已知相位长度的完美传输线。它假设夹具没有损耗、线性相位响应和恒定阻抗。端口扩展通常应用于线缆末端执行双端口校验后进行的测试。如果夹具性能明显优于 DUT 的规格，则此技术可能就足够了。

端口扩展只是从测量的 S 参数中增加或减少相位长度。 它不补偿夹具损耗或阻抗不连续性。 在大多数情况下，同轴电缆到夹具的过渡与 DUT 之间会存在一定程度的失配相互作用，这会在测量的 S 参数中产生不确定性。 当在很宽的频率范围内测量时，这种不确定性通常会导致在 S 参数中观察到纹波。 例如，考虑图 13 中所示的两个不同恒定阻抗传输线末端的短接测量：高质量同轴线路（上曲线）和微带传输线（下曲线）。端口扩展用于将测量平面向上移动至短路。然而，如图所示，端口扩展并不能补偿传输线中的损耗。另请注意，空气线路测量在测量的 S11 迹线中显示出较低的纹波，而同轴到微带线测试夹具显示出更大的纹波。通常，纹波是由测量平面和设备平面的不连续点之间的相互作用引起的。较低迹线中较大的纹波是由于微带传输线的回波损耗较差（20 dB 与空气线路 > 45 dB）造成的。如果改进过渡部分的回波损耗，则可以减少这种纹波。

 

修改校验标准

在矢量网络分析仪的校准过程中，仪器测量实际的、明确定义的标准，例如开路、短路、负载和直通，并将测量结果与每个标准的理想模型进行比较。测量和模型之间的任何差异都用于计算测量设置中包含的误差项。然后使用这些误差项以数学方式校正被测设备的实际测量值。此校准过程在标准连接点处创建参考或校准平面。只要知道每个校准标准的精确模型，就可以建立准确的参考平面。例如，在某些是德科技同轴校准套件中，短路标准在参考平面上并不是真正的短路，它实际上是“偏移”短路。偏移短路由放置在连接器和真正短路之间的一小段同轴传输线组成。选择校准套件（定义）时，是在指示仪器为偏移短路使用正确的模型。

上一节中讨论的实现参考平面或端口扩展的另一种方法是重新定义每个校准标准的校准套件定义。
例如，如果我们想将每个参考平面的值扩展到校准点之后 100 皮秒，我们可以修改每个标准定义以包括这 100 皮秒的偏移量。该值将从短路、开路和负载标准的原始偏移延迟中减去。“直通”定义将包括来自每个端口的扩展的总延迟。例如，在使用 Keysight 85033E 校准套件时，我们将修改短定义以具有 –68.202 皮秒的偏移延迟（根据 31.798–100 皮秒计算，原始 3.5 毫米短延迟为 31.798 皮秒）。相同的方法适用于开放和负载标准。 “直通”定义的偏移延迟为 –200 皮秒（0-100-100 皮秒，使用原始直通延迟 0 皮秒）。直通定义需要端口 1 和端口 2 端口扩展的延迟贡献。

校准套件定义实际上包括每个标准的三个偏移特性 [7]。它们是偏移延迟、偏移损耗和偏移阻抗 (Z0)。这三个特性用于对每个标准进行精确建模，因此分析仪可以为每个测试端口建立一个参考平面。 夹具去嵌入可以通过调整校准套件定义表以包括测试夹具的影响来完成。 这样，一些夹具特性可以包含在同轴校准过程中确定的误差项中。校准完成后，分析仪将以数学方式消除夹具的延迟、损耗和阻抗。应该注意的是，与之前讨论的端口扩展技术相比，精度会有所提高，但对夹具模型所做的一些假设会限制系统的整体测量精度。我们现在将讨论修改校准套件的实施和局限性定义包括测试夹具的特性。

偏移时延

由于通过夹具的信号传输时间，测试夹具将在测量平面和 DUT 之间产生电气延迟。对于同轴传输线，延迟可以从物理长度、光在自由空间中的传播速度和介电常数得到。

这里我们假设相对磁导率 μr 等于 1。请注意，由于传输介质的有效介电常数发生变化，同轴电缆以外的传输线（例如微带线）的电气延迟将需要对上述等式进行修改。大多数 RF 软件模拟器将根据电路的物理参数计算传输线的有效相位长度和有效介电常数。可以使用以下等式将有效相位转换为电延迟。 

“直通”标准将被修改以包括总夹具长度的延迟。
短路、开路和负载标准将修改为该延迟的一半，因为我们将参考平面在每一侧延伸一半。
这里我们假设被测设备直接放在夹具的中间。请注意，如果夹具不对称，可以对校准套件定义表进行调整。在这种情况下，将定义两组短路、开路和负载，每个测试端口单独设置一组。 

偏移损耗

网络分析仪使用偏移损耗来模拟由于同轴类型标准的集肤效应引起的幅度损耗。由于夹具是非同轴的，作为频率函数的损耗可能不遵循同轴传输线的损耗，因此输入的值可能仅近似于夹具的真实损耗。在 1 GHz 时，损耗值以千兆欧/秒或欧姆/纳秒的形式输入到标准定义表中。以千兆欧/秒为单位的失调损耗可以根据 1 GHz 下的测量损耗和特定标准的物理长度通过以下等式计算：

偏移阻抗 

偏移阻抗(Z 0 )是偏移长度内的特性阻抗。修改此项可用于输入夹具的特性阻抗。
图 14 显示了微带线直通线（下方迹线）的真实插入损耗。该图还显示了在修改校准套件定义以包括夹具损耗的影响（顶部曲线）后夹具“直通”的 S21 测量。对于这种情况，我们预计夹具“直通”（校准后）的测量损耗是一条具有 0 dB 插入损耗的平坦线。
实际测量显示高频和低频之间的折衷是通过调整偏置损耗在频带中间进行优化。
对于所使用的 FR-4 材料，偏移损耗设置为 10 Gohm/sec。对于这种情况，使用了 3 英寸长的微带 50 欧姆传输线，介电常数近似为 4.3，损耗角正切值为 0.012。
10 Gohm/sec 的偏移损耗值是 300 kHz 至 9 GHz 频率范围内的一个很好的折衷方案。这个值可以很容易地修改，以优化感兴趣频率范围内的偏移损耗。

修改标准定义

 在 E5080A ENA 或其他现代矢量网络分析仪上可以轻松修改校准套件标准定义。
图 15 显示了用于更改短路、开路、负载和直通模型定义的偏移延迟、偏移损耗和偏移阻抗的定义表。

我们通过选择同轴校准套件开始该过程，该套件将用于在感兴趣的频率范围内校准矢量网络分析仪。我们还需要测试夹具的偏移延迟、损耗和阻抗的值。例如，我们假设夹具的总“直通”延迟为 650 皮秒，偏移损耗计算为 10 Gohm/s，偏移阻抗为 50 欧姆。我们还将假设夹具是对称的，并且夹具的每一半都会引入 325 皮秒的延迟（该值将用于修改短路、开路和负载定义）。选定的同轴校准套件定义现在将被修改以包括测试夹具的特性。
将短延迟调整为通过从原始定义中减去一半夹具引入的延迟计算得出的值。例如，当使用 85033E 3.5 mm 校准套件时，原始偏移延迟定义为 31.798 皮秒。将此值更改为 –293.202 皮秒（在我们的示例中，根据 31.798-325 皮秒计算得出）。将损耗修改为 10 Gohm/s。对于这个例子，偏移阻抗可以保持在 50 欧姆。对打开和负载定义执行相同的调整。 

直通延迟被修改为等于原始延迟减去测试夹具总延迟的值。对于此示例，修改后的直通延迟将设置为 –650 皮秒，因为原始延迟为 0 皮秒。直通损耗也设置为 10 欧姆/秒，Z 0 为 50 欧姆。

一旦标准定义被修改以包括测试夹具特性，更新后的校准套件就可以作为用户套件保存在网络分析仪上。为新校准套件指定一个特定名称，以区别于分析仪内存中存储的其他套件。

现在可以使用标准同轴、全双端口校准以及为校准套件类型选择的新校准定义来执行分析仪校准。同轴校准完成后才连接测试夹具。分析仪中的误差校正数学将包括校准中测试夹具损耗、延迟和阻抗的影响。

更改偏移定义将补偿线性相移、恒定阻抗，并在某种程度上近似于测试夹具的损耗。这里我们假设夹具的损耗遵循同轴传输的趋肤效应损耗，这在大多数情况下并不完全有效。它还假设转换之间的任何不匹配完全是由阻抗不连续造成的。一般来说，同轴到非同轴的过渡不能以这种简单的方式建模，需要为测试夹具实现更精细的模型。为夹具引入复杂模型将需要修改 VNA 在误差校正过程中使用的十二项误差模型。下一节介绍矢量网络分析仪使用的误差模型以及可用于修改存储在分析仪中的误差项的过程。