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1、华中科技大学 硕士学位论文 微波网络分析仪数据校准模型和方法研究 姓名：邹时磊 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：江建军 20090525 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 I 摘 要 作为一种典型的微波测量仪器，网络分析仪虽然已经在射频和微波测量领域获 得广泛应用，但其准确性要求也越来越高；数据校准作为网络分析仪的关键技术值 得深入地研究。由于不同的测量系统对应着不同的校准模型和校准方法，因此针对 基于虚拟仪器的标量网络分析测量系统(VI-SNA1.0)的硬件特点和测量条件， 设计一 套符合要求的校准模型和校准方法，对于实现高效、
2、准确的网络分析测量系统是十 分重要的。 本文在传输线理论和信号流图理论的基础上，详细研究了网络分析仪的结构和 测量原理，以及测量模型和校准方法的设计原理；分析了矢量网络分析仪和标量网 络分析仪校准方法的区别和联系，并对标量网络分析仪的测量精度进行了分析。 在深入研究现有校准模型和校准方法的基础上，本文利用传输线理论和信号流 图理论对 VI-SNA1.0 进行了深入的信道分析，然后根据建立校准模型的方法，设计 了一套适用于 VI-SNA1.0 的校准模型，并根据此模型制定了相关的数据校准方法。 考虑到 VI-SNA1.0 系统不需要改变测量信道就可以升级为矢量网络分析仪测量系 统； 在进行信道分
3、析后， 本文基于 12 项误差模型设计了一套矢量网络分析仪的校准 模型和校准方法，理论上能够对系统进行矢量校准。 实验表明，基于该标量网络分析仪校准模型和方法的 VI-SNA1.0，能够在 250 kHz-2.7 GHz 的频率范围内进行精确的测量。系统传输特性的测量最小值达到-80 dB，最大误差为 2.63%，能够精确的对待测件的传输特性进行描述；由于反射电桥 的性能的限制，反射特性测量的其精度有所降低，但是仍能满足常用的测量需求。 实验结果表明本文设计的校准模型和方法有效的保证了VI-SNA1.0的测量准确度和 精度。 关键词：关键词：网络分析仪 校准模型 校准方法 信号流图 误差分析
4、华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 II Abstract As a microwave measuring instruments，Network analyzer is a typical microwave measuring instruments with a wide range of applications in the field of RF and microwave measurementsThe attention is paid to Network Analyze，data calibration of Network Analy
5、zerHowever，there are different measurement systems correspond to different methods of calibration and calibration modelsTherefore，it is necessary to design a calibration method and calibration mode for a Network Analyzer measurement system based on Virtual Instrumentation In this thesis，transmission
6、 line theory and signal flow graph theory are introduced and then the structure and measurement principle for Network Analyzer are reviewedThe method of the corresponds calibration model was put forward and the calibration method are further discussedThe difference of calibration method between scal
7、ar Network Analyzer and vector Network Analyzer is extensively discussed as wellAt last，the measurement accuracy of scalar Network Analyzer is discussed Based on the existing calibration model and calibration method，the channel of the VI-SNA1.0 is analyzed by using transmission line theory and signa
8、l flow graph theoryAccording to the method of calibration model，the suit of calibration model for VI-SNA1.0 is developed， and a relative calibration method is designed Considering the system is able to upgrade to vector Network Analyzer without change signal channel，a calibration model and method wh
9、ich applied on vector Network Analyzer is also designed by using the twelve calibration model after analysing signal channelActuraly the model and method make sure that the system is calibrated by vector method The results demonstrate that the system which work on the calibrate model and method can
10、be measured accurately in the frequency range of 250 kHz 2.7 GHzThe 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 III minimum of measuring range for VI-SNA1.0s transmission characteristic is -80 dB，the maximum of error is 2.63%Because for the restrictions of the performance of the reflection-bridge, the accur
11、acy of reflection characteristic measurement results measured by the system turns out decreasing, but it still meets the accuracy requirements of common measurement In conclusion， as a part of VI-SNA1.0， the calibrate model and method ensure the accuracy of the measurement system. Keywords: Network
12、Analyzer；Calibration model；Calibration method； Signal flow graph；Error Analysis 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家
13、有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 1 绪绪 论论 1.1 研究背景与目的研究背景与目的 随着科学技术的不断发展，各种微波和通讯产品层出不穷，性能在不断提升， 功能也在不断的增多。在微波和通信产品的生产
14、过程中，产品测试是非常重要的环 节；精确、快速和高效地进行产品测试，是保证产品质量、降低成本、提高市场竞 争力的一个重要方面1, 2。 网络分析仪用于测量高频或微波网络的 S 参数， 在微波技 术、无线通信、光通信等领域的研究开发中占有非常重要的角色。网络分析仪能测 量电子学领域的所有线性元器件、组件、部件、整机和系统，如测量电阻、电容、 电感、电缆、半导体器件、隔离器、放大器、衰减器、移相器、定向耦合器、阻抗 变换器以及接收机、发射机的阻抗、驻波系数、插入损耗、群延时等多种器件的多 种参数3, 4。网络分析仪是尖端科学特别是军事领域广泛应用的重要测量仪器之一， 在航空航天飞行器上许多关键元器
15、件的筛选，高性能机载电子设备、天线等的性能 测量中，网络分析仪都起着重要作用。 网络分析仪用来测量及评价可等效为线性网络的元件、部件或系统。系统中元 件的特性可以用它的传输和反射特性来表征，即当网络输入输出端的网络参量之间 的相互关系已知时，元件的特性也就因此完全确定，网络分析仪就是通过扫频测量 来获得线性网络的全面频域描述的仪器；具有测量频带宽、精度高、速度快等优点 5-7。而且随着微波网络分析理论与技术的发展，以及采用高速微处理器和现代数字 信号处理等技术，现代微波矢量网络分析仪在测量速度、精度、易用性和适应性等 方面与早期相比发生了根本的变化，己经成为现代电子装备必备的、关键的测量设 备
16、。 网络分析仪按其测量的量可以分为矢量网络分析仪和标量网络分析仪。对于矢 量网络分析仪，它能够测量信号的幅度和相位，可以测得元件的 s 参数、群延时等； 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 可以精确的表征元件的特性。标量网络分析仪能够测量信号的幅度，可以测量元件 的插入损耗、反射损耗、驻波比等。 网络分析仪一般情况下都工作在高频段，对硬件的要求比较严格，而网络分析 仪的硬件并非完美无暇，并且各种测量夹具会引入比较大的误差。因此测量时得到 的测量值并非真实值，如果不进行误差修正，将会严重影响测量结果。 对于矢量网络分析仪，其误差校准方法比较成熟，比较典型的有 12 参数模型、 8 参数模型等。 根据不同的校准条件有 OSL (Open Short Load)校准、 TSD (Thru Short Delay)校准、TRL (Thru Reflect Line)校准和 LRL (Line Reflect Line)等几种校准方法 8-10。这些
