CN104111432A - 扩展操作范围上的测试工具的校准 - Google Patents

Abstract

一种校准测试工具的方法包括：在第一操作范围集上确定所述测试工具上的校准装置的第一响应，基于所述第一响应在第二操作范围集上确定所述测试工具上的校准装置的所得出的第二响应，在所述第二操作范围集上测量所述测试工具上的校准装置的第二响应，并且基于所述所测量的第二响应和所述所得出的第二响应之间的比较确定对于所述第二操作范围集的测试工具的校正因子。

Description

扩展操作范围上的测试工具的校准

技术领域

测试工具通常用来评估诸如集成电路、通信系统等的电气装备的操作特性。例如，向量网络分析仪（VNA）通常用来评估射频（RF）或微波频率电路或系统的响应特性。

背景技术

为了确保测试工具的精确性能，典型地在实际使用之前对仪器进行校准过程。例如，VNA可以通过测量它的接收器的响应特性来校准，并且随后根据所测量的特性来调节后续接收器测量用于更高的精度。例如可以在制造、初始化或首次布置该测试工具时进行这样的校准过程。

在传统的校准过程中，将测试工具连接到具有已知响应的测试件（deviceunder test，DUT）。该测试件可以被称为校准标准、基准装置或已知装置。DUT的已知响应可以例如是已知的幅度响应、相位响应、或群组延迟响应。接着，测试工具测试校准标准的响应，并且将所测量响应与已知响应进行比较。最终，根据已知响应和所测量响应之间的任何差异来调节或校准测试工具。更具体地，调节测试工具的测量参数以使得所测量响应将更精确地对应于已知响应。

作为以上校准过程的示例，假定测试工具是VNA并且使用校准过程来校准VNA的接收器的幅度响应。进一步假定已知响应表示为“K”而所测量响应表示为“M=K+Δ”，其中Δ表示已知的和所测量的响应之间的差异。在这些条件下，VNA接收器可以通过以一个与Δ值对应的校正系数来调节它们的幅度测量而校准，以使得未来的测量将与已知响应一致。

通常，以上校准过程要求可靠地测量感兴趣的响应特性的能力。例如，当校准幅度响应时，校准过程必须能够可靠地测量在校准标准的输入和输出处的信号幅度，以便于测量输入和输出之间的幅度上的改变。通常使用功率计来检测在输入和输出处的各个信号幅度而可以以直接的方式实施此类幅度测量。然而，在其他类型的校准中，可能要求更复杂的技术来进行相关的测量。例如，当使用频率转换器（frequency translation device，FTD）（例如，混合器）作为校准标准而校准测试工具的相位响应时，由于输入和输出之间的频率上的改变而可能难以确定校准标准的输入和输出之间的相移。此难处源于当前没有任何可用的、能够在FTD的输入和输出处检测绝对相平（phaselevel）的通用的“相位计”（即，与“功率计”相似）的事实。

为了解决以上难处，已经开发了使用谐波梳状发生器（harmonic combgenerator）作为校准标准的新技术来校准测试工具的相位响应。换而言之，只要校准标准是具有已知相位响应的谐波梳状发生器，该新技术就可以进行相位校准。在此背景下，这样的谐波梳状发生器可以被称为“相位基准”，并且该校准技术可以被称为“相位基准”校准技术。相位基准校准技术的示例进一步在2011年5月18日提交的共有美国专利申请公开第2012/0295548号（‘548公开）中详细描述，其主题通过引用合并于此。

不幸地是，该相位基准技术具有至少两个显著的不足。首先，在大多数实际情况中，相位基准具有有限的操作范围。例如，可以在55MHz到67GHz的范围上操作。因此，相位基准无法用来在低于55Mhz或高于67GHz的频率处用来校准VNA或其他测试工具的接收器的相位响应。第二，相位基准通常受限于称为基频率（cardinal frequency）的离散频率。例如，典型的相位基准可以包括谐波梳状发生器，其在10MHz的整数倍（例如，60MHz,70MHz等）处生成信号。相位基准不能用来直接校准这些频率之间的相位响应，典型的校准也不能出借其自身以在这些频率之间内插。

鉴于以上，存在对克服传统途径的不足的测试工具的校准的新途径的普遍需要。

发明内容

在代表性实施例中，校准测试工具的方法包括在第一操作范围集上确定测试工具上的校准装置的第一响应，基于该第一响应在第二操作范围集上确定测试工具上的校准装置的所得出的第二响应，在第二操作范围集上测量测试工具上的校准装置的第二响应，并且基于所测量的第二响应和所得出的第二响应之间的比较确定对于第二操作范围集的测试工具的校正因子。

在另一代表性实施例中，校准网络分析仪的方法包括确定关于第一输入频率范围和第一输出频率范围的网络分析仪上的FTD的第一响应，基于该第一响应确定关于第二输入频率范围和第二输出频率范围的网络分析仪上的FTD的所得出的第二响应，测量关于第二输入频率范围和第二输出频率范围的网络分析仪上的FTD的第二响应，并且基于所测量的第二响应和所得出的第二响应之间的比较确定对于第二输入频率范围和第二输出频率范围的网络分析仪的校正因子。

附图说明

当参考附图阅读时，所述实施例根据以下详细描述是最易理解的。只要可应用和实用的，相同的附图标记指示相同的要素。

图1A是根据代表性实施例的配置用于使用第一类DUT进行校准的测试工具的框图。

图1B是根据代表性实施例的配置用于使用第二类DUT进行校准的测试工具的框图。

图2A是根据代表性实施例的配置用于使用在第一操作范围集上具有已知响应的DUT进行校准的第一阶段的测试工具的框图。

图2B是根据代表性实施例的配置用于使用在第一操作范围集和第二操作范围集上具有未知响应的DUT进行校准的第二阶段的测试工具的框图。

图2C是根据代表性实施例的配置用于使用在第二操作范围集上具有未知响应的DUT进行校准的第三阶段的测试工具的框图。

图3是图示根据代表性实施例的校准测试工具的方法的流程图。

具体实施方式

在以下的详细描述中，出于说明而非限制的目的，阐述公开了具体细节的代表性实施例以提供本教导的透彻理解。然而，对于享有本公开益处的、具有本领域普通技术的人员显然的是，偏离这里公开的具体细节的、根据本教导的其他实施例维持在所附权利要求的范围内。然而，可能省略公知设备和方法的描述以不混淆示例实施例的描述。这样的方法和设备显然在本教导的范围内。

这里使用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，并且不意图为限制性的。所定义的术语是除了所定义术语的技术和科学含义之外还在本教导的技术领域中被普遍理解和接受的。作为在说明书和所附权利要求中使用的，术语“一”、“一个”和“该”包括单数和复数对象，除非文中明确规定其他情况。因此，例如“一装置”包括一个装置和多个装置。

通常，所述实施例涉及用于校准诸如VNA之类的测试工具的技术和工艺。所述实施例允许测试工具在超过校准标准的范围的扩展的操作范围集上被校准。扩展的范围集可以包括例如校准标准的基频率之间的频率范围，以及在校准标准的最大或最小操作范围以上或以下的频率范围。

在特定实施例中，在第一和第二频率范围集上校准测试工具.。通过（a）当连接到在第一范围集上具有已知响应的第一校准装置时观察其在该第一集上的性能，并且（b）基于所观察到的性能为该测试工具生成校正因子来在第一频率范围集上校准测试工具。接着，通过以下来在第二频率范围集上校准测试工具：（c））当连接到在该范围集上具有未知响应的第二校准装置时观察其在该第一频率范围集上的性能，（d）通过与第一校准装置的性能的比较而特征化在第一频率范围集上的第二校准装置的性能，（e）观察在第二频率范围集上第二校准装置的性能，并且（f）基于第二校准装置在第二集上的所观察的性能和第二校准装置在第一集上的特征化的性能来确定在第二频率范围集上测试工具的校正因子。

在这些实施例中，第一和第二范围集可以是例如施加于混频器的各个输入和输出端口的频率范围集。作为一个示例，使用相位基准装置作为第一校准装置，第一范围集可以包括相位基准装置的输入频率范围r1和输出频率范围r2。然后，使用未知响应的混合器（“未知混合器”）作为第二校准装置，第二范围集可以包括输入频率范围r1和输出频率范围r3.。因此，第二校准装置的使用可以用来将校准的范围从范围{r1,r2}扩展到{r1,r2,r3}。

在以上过程中，如果第二校准装置在第二频率范围集上的行为可以从其在第一频率范围集上的行为精确地推断，步骤（f）可以提供校正因子的相当精确的估计。这样的推断例如在第二校准装置具有“平滑”（即，经得起内插或外插）的响应特性时是可能的。当校准标准对于第一频率范围集而非第二频率范围集可用时，以上校准过程可以是尤其有用的。另外，如同将从以下描述中明白的，以上校准过程可以在校准相位响应中或用来测量诸如混合器的FTD的测试工具的群组延迟响应中尤其有用。

在以下的描述中，将参考VNA描述若干实施例，该VNA为了关于混合器或其他FTD的相位响应或群组延迟响应的测量而校准。仍然，所述概念不限于具体类型的测试工具、校准或DUT。例如，为了指出一些替代，这些概念可以可替代地应用于诸如网络分析仪或频谱分析仪之类的其他测试工具，应用于诸如幅度响应校准之类的其他类型的校准，和应用于诸如滤波器之类的其他类型的DUT。

图1A是根据代表性实施例的配置用于使用第一类DUT进行校准的测试工具105的框图。图1B是根据另一代表性实施例的配置用于使用第二类DUT进行校准的测试工具105的框图。提供这些示图以便于图示一些基础的、非限制性的背景，其中使用以下描述的方法可以进行校准。

参考图1A，测试工具105包括布置在用来使用DUT110进行双端口S参数校准的配置中的VNA。DUT110可以是能够促进期望的校准过程的任何类型的双端口装置。例如，仅指出一些替代，它可以是频率滤波器、二极管或放大器。测试工具105包括第一接收器115（“A”接收器）、第二接收器130（“B”接收器）、信号源120、基准接收器125、分路器135、开关140和定向耦合器145和150.。

在典型的测试过程中，信号源120生成要被施加到DUT110的测试信号。该测试信号可以使用在信号源120中的频率合成器而在不同的频率上生成。例如，该测试信号可以横跨一个频率和/或相位范围以进行各种类型的响应测量。

通过分路器135传送测试信号到基准接收器125以及DUT110的第一端口（“A”端口）。测试信号的部分从“A”端口反射并且经由定向耦合器145传送到“A”接收器。测试信号的另一部分通过DUT110传送以在DUT110的第二端口（“B”端口）处产生输出信号，并且该输出信号经由定向耦合器150传送到“B”接收器。

在校准过程中，DUT110可以是校准标准。因此，可以通过将校准标准的已知响应特性与通过第一接收器115、基准接收器125和第二接收器130由测试工具105测量的那些响应特性进行比较以进行校准。

参考图1B，测试工具105示出在其被连接到包括混合器或其他类型的FTD的DUT110’的配置中。与DUT110相比，DUT110’进一步包括用于接收本地振荡器（LO）信号的额外输入端。LO信号可以通过测试工具105中的额外频率合成器生成。

在使用图1B的配置的典型测试或校准过程中，测试工具105如上关于图1A所述地操作，除了由于DUT110’的输入和输出端口之间的频率转换而导致特定过程可能更加复杂。例如，可能由于该频率转换而难以利用DUT110’进行相位响应测量或校准。

通常，在图1A或1B的配置中可以使用功率计进行幅度响应测量以校准每一个接收器。然而，相位响应测量通常要求更复杂的手段，诸如使用“相位基准”作为DUT110’来确定在DUT110’的各个输入和输出端口处的绝对相移。例如，在’548公开中描述了这样的相位基准的使用。

使用相位基准的典型校准过程包括双端口S参数校准和单相位基准连接。对于相位基准校准技术维持任何特定LO频率大体上没有要求。然而，这样的校准过程的缺陷在于通常受限于在相位基准的基频率（例如，10MHz的间隔）处进行校准，并且可能受在特定频率之上或之下进行校准的限制。例如，在一些实施方式中，可以使用相位基准来校准从55MHz到67GHz的但是没有此范围之外的测试工具105的全部接收器。因此，为了扩展55MHz以下的校准，可以使用具有从DC到600Mhz的平坦群组延迟的“未知装置”（例如，“未知混合器”）。使用相位基准校准在55Mhz之上测量未知装置的相位延迟的绝对水平。然后，一旦已经识别了绝对相位延迟，则校准还在55Mhz以下测量未知装置。然后，可以计算校准的误差项作为与绝对相位延迟相比的原始接收器测量之间的差异。

校准处理还可以使用未知装置的输入匹配和输出匹配测量以产生对失配误差较不敏感的校准。此外插依赖于具有带有从低于55Mhz到高于55MHz的平滑响应的未知装置。具有平滑相位响应的装置的简单示例是具有平滑群组延迟响应的装置。通常，可以轻易地从幅度响应的平滑度估计相位或群组延迟响应的平滑度。

图2A到2C示出了使用已知装置205和未知装置210在校准过程期间内的测试工具105的示例配置。为了说明的简洁，将假定已知装置205包括在第一范围集R1∈{r1,r2}中具有已知响应的相位基准，并且未知装置210包括具有在第一范围集R1和第二范围集R2∈{r1,r3}两者上具有未知响应的混合器。尽管未在图2A到2C中图示，已知装置205和未知装置210均在校准期间内接收LO输入信号，并且它们通过基于LO信号转换它们各自的输入信号的频率来生成它们的各自的输出信号。

在上述示例中，通过使用范围r1和r2作为如图2A所示的已知装置205的各个输入和输出频率范围，然后使用相同的范围作为如图2B所示的未知装置210的输入和输出频率范围，并随后最终使用范围r1和r3作为如图2C所示的未知装置210的各个输入和输出频率范围，来校准测试工具105。

在图2A到2C的示例中，未知装置210的使用允许校准过程扩展到范围r3，该范围r3可以在其他范围r1和r2的两者之间或在那些范围之外。当范围r3在其他范围r1和r2的两者之间时，校准过程可以认为被内插扩展。否则，可以认为被外插扩展。为了扩展内插或外插的校准，将假定未知混合器具有在范围r3和其他范围的一个或多个之间的平滑响应。

参考图2A，在校准的第一阶段，已知装置205连接到测试工具105。测试工具105在第一范围集R1∈{r1,r2}上使用‘548公开中描述的技术来测量已知装置205的绝对相位或群组延迟响应。然后，将所测量的响应与已知装置205的已知相位或群组延迟响应进行比较以确定在各个范围r1和r2上测试工具105的接收器的校正因子。此校正因子集可以称为第一校正因子集。

参考图2B，在校准的第二阶段，未知装置210连接到测试工具105。测试工具105在第一范围集R1上测量未知装置210的绝对相位或群组延迟响应，并且通过向所测量的响应应用接收器校正因子来确定在相同范围集上的未知装置的校正后的响应（或假定的“实际”响应）。然后，基于未知装置210的假定的平滑响应，根据在第一范围集R1上的校正后的响应估计或推断在第二范围集R2上未知装置210的校正后的响应（或假定的“实际”响应）。在此背景下，在第二范围集R2上的未知装置210的校正后的响应可以被称为“得出的响应”，因为它是通过根据在第一范围集R1上的校正后的响应估计或推断而得出的。通常，“得出的响应”可以通过任何合适的得到处理而确定。例如，可以通过基于可用数据、假设、数学建模、分析技术等的得到处理而确定。

参考图2C，在校准的第三阶段，测试工具105测量在第二范围集R2上的未知装置210的绝对相位或群组延迟响应，并且将所测量的响应与通过在第二阶段中的估计或推断而确定的得出的响应（例如，校正后的响应或假定的“实际”响应）进行比较。最终，基于比较可以对第二范围集R2确定测试工具105的校正因子。还称为第二校正因子集的这些校正因子提供在范围r3上的测试工具105的校准，这有效地扩展到已知装置205自身实现的校准范围之外。

图3是图示根据代表性实施例的校准测试工具的方法的流程图。出于说明的目的，尽管该方法不限于由该或任何其他的特定测试工具进行，但是假定关于图1和2的测试工具105进行该方法。在以下的描述中，将用括弧（SXXX）指示示例方法步骤，以将它们与示例器件或系统组件区分。

参考图3，该方法以识别在第一操作范围集R1∈{r1,r2}上具有已知响应的装置DUT1开始(S305)。在此示例中，DUT1可以是图2A的已知装置205。在范围R1上的该装置的已知响应或“实际响应”表示为DUT1(R1)，并且类似的表示用来代表该或其他装置的其他“实际响应”。接着，方法测量在第一范围集R1上的DUT1的响应（S310）。在该第一范围集R1上的此装置的所测量的响应表示为DUT1’（R1），并且类似的表示用来代表该或其他装置的其他“所测量的”响应。

接着，方法基于在步骤S305中识别的实际响应以及在步骤S310中识别的所测量的响应对测试工具105的接收器确定校正因子（S315）。在范围集R1上的接收器的校正因子表示为ΔREC_R1，并且类似的表示用来代表在其他范围上接收器的校正因子。这些校正因子如图3中的等式所图示的那样被估计。

接着额，方法测量未知装置DUT2在第二操作范围集R2∈{r1,r3}上的响应（S320）。在此示例中，DUT2可以是图2B的未知装置210。所测量的响应表示为DUT2’（R1）。接着，在范围R2上的DUT2的实际响应根据在那些范围上的所测量的响应以及在步骤S315中确定的校正因子而推断或估计（S325）。实际响应表示为DUT2（R1），并如图3中的等式所图示的那样被估计。

一旦DUT2的实际响应在步骤S325中已经被推断或估计，则在该第一范围集R1上的实际响应随后用来估计在第二范围集R2上DUT2的实际响应，其被表示为DUT2（R2）（S330）。假定DUT2在范围r3和其他范围r1和r2的一个或多个之间具有平滑响应，该估计可以通过内插或外插DUT2的实际响应而得到。最终，该方法基于所测量的以及实际的响应DUT2’(R2)和DUT2(R2)确定测试工具105的接收器的校正因子，如图3的等式所示（S335）。

如上所述，以上技术可以用来将测试工具的校准范围扩展到校准标准的操作范围之外。例如，一些所述技术使用相位基准来在相位基准的频率范围之外校准测试工具。在特定实施例中，例如，所述技术可以用来在55Mhz之下校准。例如，在其他实施例中，这些技术可以用来在67Ghz之上校准。另外，这些技术可以用来在相位基准的基频率之间扩展相位基准校准。更通用的，所述技术可以被扩展到其他测量类别，其中已知的测量标准在基点良好地对应，并且未知但是平滑的标准可用，而这可以在已知点上提供内插或在已知标准值之外提供外插。

虽然这里公开了代表性实施例，本领域普通技术人员之一理解依据本教导的很多变型是可能的，并且维持在所附权利要求集的范围之内。因而，本发明在所附权利要求的范围内不受限制。

Claims (20)

1.一种校准测试工具的方法，包括：

在第一操作范围集上确定所述测试工具上的校准装置的第一响应；

基于所述第一响应在第二操作范围集上确定所述测试工具上的校准装置的所得出的第二响应；

在所述第二操作范围集上测量所述测试工具上的校准装置的第二响应；并且

基于所述所测量的第二响应和所述所得出的第二响应之间的比较确定对于所述第二操作范围集的测试工具的校正因子。

2.如权利要求1所述的方法，其中校准装置的所述所得出的第二响应通过内插所述第一响应而确定。

3.如权利要求1所述的方法，其中校准装置的所述所得出的第二响应通过外插所述第一响应而确定。

4.如权利要求1所述的方法，其中第一和第二操作范围集是频率范围集。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述测试工具是网络分析仪，并且所述校正因子用来调节由所述网络分析仪的接收器获得的测量。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述校正因子是所述测试工具的相位响应校正因子。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述校正因子是所述测试工具的群组延迟响应校正因子。

8.如权利要求1所述的方法，其中第一和第二响应是相位响应。

9.如权利要求1所述的方法，其中第一和第二响应是群组延迟响应。

10.如权利要求1所述的方法，其中确定所述校准装置的第一响应包括在第一操作范围集上测量所述测试工具上的校准装置的第一响应，并且使用该第一操作范围集的测试工具的校正因子校正所测量的第一响应。

11.如权利要求10所述的方法，其中第一操作范围集的测试工具的校正因子通过使用相位基准装置在第一操作范围集上校准测试工具而确定。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述相位基准装置具有不超过所述第二操作范围集的操作范围。

13.如权利要求11所述的方法，其中所述第一操作范围集仅包括所述相位基准装置的基频率。

14.如权利要求11所述的方法，其中所述相位基准装置包括谐波梳状发生器。

15.如权利要求1所述的方法，其中所述校准装置包括频率转换装置（FTD），所述第一操作范围集包括FTD的第一输入和输出频率范围集，而第二操作范围集包括FTD的第二输入和输出频率范围集。

16.如权利要求1所述的方法，其中所述校准装置包括在第一和第二操作范围集上具有未知响应的混合器。

17.一种校准网络分析仪的方法，包括：

确定关于第一输入频率范围和第一输出频率范围的网络分析仪上的频率转换装置（FTD）的第一响应；

基于所述第一响应确定关于第二输入频率范围和第二输出频率范围的网络分析仪上的FTD的所得出的第二响应；

测量关于第二输入频率范围和第二输出频率范围的网络分析仪上的FTD的第二响应；以及

基于所测量的第二响应和所得出的第二响应之间的比较确定对于第二输入频率范围和第二输出频率范围的网络分析仪的校正因子。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述校正因子定义了所述网络分析仪的接收器的测量调节。

19.如权利要求18所述的方法，其中所述测量调节对应于延迟响应测量。

20.如权利要求19所述的方法，其中确定FTD的第一响应包括：

使用相位基准装置关于所述第一输入频率范围和所述第一输出频率范围校准网络分析仪；

测量关于所述第一输入频率范围和所述第一输出频率范围的网络分析仪上的FTD的第一响应；以及

根据使用所述相位基准装置进行的校准而校正所测量的第一响应。