DE102014019008B4 - Procedure for calibrating a measurement adaptation with two differential interfaces - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Kalibrieren einer Messanordnung (100) zum Vermessen von elektrischen Bauteilen (14), umfassend zumindest einen an einen Netzwerkanalysator (20) anschließbaren Messadapter (10) mit vier Messtoren (1, 2, 3, 4), die in einer Kalibrierebene (15) zum Anschließen des elektrischen Bauteils (14) angeordnet sind und zwei differentielle Schnittstellen (1/2 und 3/4) bilden, wobei der Messadapter (10) durch ein lineares 8-Tor Fehlernetzwerk (C1,2,3,4) beschreibbar ist,gekennzeichnet durchdie folgenden Schritte:• Zusammenfassen von jeweils 2 Messtoren (1/2; 3/4) einer differentiellen Schnittstelle zu einem Modaltor (I, II),• Darstellung des Fehlernetzwerks in modaler Repräsentation, in der lineare Fehler im Gegentaktpfad für beide Modaltore durch eine 4x4 Matrix CI-II,ddund lineare Fehler im Gleichtaktpfad für beide Modaltore durch eine 4x4 Matrix CI-II, ccbeschrieben werden, unter Vernachlässigung von Intermodalverkopplung zwischen Gegentaktpfad und Gleichtaktpfad,• Bestimmen von jeweils 15 Fehlertermen der Matrizen CI-II,ddund CI-II,ccunter Verwendung eines 15-Term Kalibrierverfahrens,• Bestimmen eines multiplikativen Verknüpfungsfaktors zwischen den bestimmten 15 Fehlertermen der Matrix CI-II,ccund der Matrix CI-II,ddunter Einsatz eines Reziprok-Standards (R).Method for calibrating a measuring arrangement (100) for measuring electrical components (14), comprising at least one measuring adapter (10) which can be connected to a network analyzer (20) and has four measuring ports (1, 2, 3, 4) which are located in a calibration plane (15 ) are arranged for connecting the electrical component (14) and form two differential interfaces (1/2 and 3/4), wherein the measuring adapter (10) can be described by a linear 8-port error network (C1,2,3,4). ,characterized by the following steps:• Combining 2 test ports (1/2; 3/4) of a differential interface to form a modal port (I, II),• Representation of the error network in modal representation, in which linear errors in the push-pull path for both modal ports are described by a 4x4 matrix CI-II,dd and linear errors in the common-mode path for both modal ports by a 4x4 matrix CI-II,cc, neglecting intermodal coupling between push-pull path and common-mode path,• determining the respective eils 15 error terms of the matrices CI-II,dd and CI-II,cc using a 15-term calibration method,• determining a multiplicative link factor between the determined 15 error terms of the matrix CI-II,cc and the matrix CI-II,dd using a reciprocal Standards (R).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer Messanordnung zum Vermessen von elektrischen Bauteilen (device under test, DUT) wie etwa HF-Bauteilen. Eine solche Messanordnung umfasst herkömmlicherweise einen Netzwerkanalysator wie etwa einen vektoriellen Netzwerkanalysator VNA, mit dem die Streuparameter (wie z.B. Reflexions- und Transmissionsfaktoren) durch Messung der Wellengrößen an Toren des zu vermessenden elektrischen Bauteils in Abhängigkeit von der Frequenz bis hin zu einigen GHz bestimmt werden können. Ein Netzwerkanalysator weist regelmäßig eine kalibrierte Referenzebene mit einem, zwei oder mehr Messtoren zum Anschließen des zu vermessenden elektrischen Bauteils auf.The present invention relates to a method for calibrating a measurement arrangement for measuring electrical components (device under test, DUT) such as RF components. Such a measurement arrangement usually includes a network analyzer, such as a vectorial network analyzer VNA, with which the scattering parameters (such as reflection and transmission factors) can be determined by measuring the wave sizes at ports of the electrical component to be measured as a function of the frequency up to a few GHz . A network analyzer regularly has a calibrated reference level with one, two or more test ports for connecting the electrical component to be measured.
Bei Messungen mit einem Netzwerkanalysator werden mit einem Frequenzbereichsmessprinzip die Wellengrößen der hin- und rücklaufenden Wellen nach Real- und Imaginärteil bestimmt (kohärente Messstellen). Das Messverfahren ermöglicht dabei eine sehr genaue Bestimmung der Streuparamater, da sämtliche systematische, lineare Fehler mit Hilfe einer Systemfehlerkorrektur durch eine nachträgliche Rechnung entfernt werden können. Die vom Netzwerkanalysator ausgesandten Messsignale durchlaufen auf ihrem Weg zum und vom DUT nämlich verschiedene elektrische Komponenten wie etwa Leitungen und Richtkoppler mit nichtidealen elektrischen Eigenschaften, was bei der Netzwerkanalyse zu systematischen Fehlern führen kann. Aus diesem Grund werden vor den eigentlichen DUT-Messungen Kalibriermessungen durchgeführt, um die elektrischen Eigenschaften der Messanordnung selbst zu bestimmen, und um diese anschließend aus den Messsignalen korrigieren/kompensieren zu können. Bezogen auf eine frei definierbare Referenzebene können somit Einflüsse von Leitungen oder Messadaptierungen vollständig kompensiert werden. Zu diesem Zweck wird zwischen den Messstellen der Wellengrößen im Netzwerkanalysator und der Referenzebene („Kalibrierebene“) ein lineares Fehlernetzwerk definiert. Kalibrierverfahren ermöglichen die Bestimmung der Fehlerkoeffizienten dieser Fehlernetzwerke, die sich je nach Anwendungsfall erheblich voneinander unterscheiden können. Das DUT wird dann genau in der Kalibrierebene angeschlossen, in der die Eigenschaften der Messanordnung nach der Kalibrierung bekannt sind.When measuring with a network analyzer, the wave sizes of the outgoing and returning waves are determined according to the real and imaginary parts (coherent measuring points) using a frequency range measuring principle. The measuring method enables a very precise determination of the scattering parameters, since all systematic, linear errors can be removed with the help of a system error correction through a subsequent calculation. On their way to and from the DUT, the measurement signals emitted by the network analyzer pass through various electrical components such as lines and directional couplers with non-ideal electrical properties, which can lead to systematic errors in the network analysis. For this reason, calibration measurements are carried out before the actual DUT measurements in order to determine the electrical properties of the measurement arrangement itself and then to be able to correct/compensate them from the measurement signals. In relation to a freely definable reference level, the influence of cables or measurement adaptations can be fully compensated. For this purpose, a linear error network is defined between the measuring points of the wave quantities in the network analyzer and the reference level ("calibration level"). Calibration methods enable the error coefficients of these error networks to be determined, which can differ significantly depending on the application. The DUT is then connected exactly at the calibration level, where the properties of the measurement setup after calibration are known.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche unterschiedliche Kalibrierverfahren bekannt. Je nachdem, wie viele Messtore der Netzwerkanalysator und das DUT aufweisen und von welchen Eigenschaften der Messanordnung und des DUTs ausgegangen werden kann (Symmetrie, Reziprozität, etc.), eignen sich bestimmte Kalibrierverfahren. Bspw. kann für die Kalibrierung eines Zweitor-VNAs zur sukzessiven Messung der vier Streuparameter eines Zweitor-DUTs ein 12-Term-Kalibrierverfahren oder das einfachere TSD-Kalibrierverfahren verwendet werden. Grundsätzlich wird außerdem zwischen Fehlermodellen mit entkoppelten bzw. verkoppelten Messtoren unterschieden. Verkoppelte Fehlermodelle berücksichtigen elektrische Kopplung zwischen den Reflektometern des VNA oder Übersprechen über das Messobjekt hinweg, das bspw. durch die Messanordnung gegeben ist. Werden mehr als zwei Messtore betrachtet, kann außerdem Teilverkopplung zwischen beliebigen Messtoren oder auch zwischen allen Messtoren berücksichtigt werden. Ein das verkoppelte Fehlernetzwerk modellierendes Kalibrierverfahren für Zweitor-VNAs arbeitet nach dem 15-Term-Verfahren (manchmal auch 16-Term-Verfahren genannt). In diesem Zusammenhang wird bspw. auf die Druckschriften
Grundsätzlich ist zwischen zwei Typen von Kalibrierverfahren zu unterscheiden: Im Fall von direkten Kalibrierverfahren müssen elektrisch sehr exakt beschreibbare Kalibrierstandards an die zu kalibrierende Referenzebene angeschlossen werden. Die Kenntnis dieser Standards wird durch spezielle mechanische Strukturen und eine hohe Genauigkeit der Fertigung erreicht. Im Gegensatz dazu stehen die Selbstkalibrierverfahren, die in Bezug auf die Kenntnis der elektrischen Eigenschaften nur eine eingeschränkte Genauigkeit erfordern, da sich jene Eigenschaften im Laufe des Kalibrierprozesses durch Verwendung von Redundanz oder besonderer Eigenschaften der eingesetzten Standards von selbst bestimmen.There are basically two types of calibration methods: In the case of direct calibration methods, calibration standards that can be described very precisely electrically must be connected to the reference plane to be calibrated. Knowledge of these standards is achieved through special mechanical structures and high manufacturing accuracy. In contrast to this are the self-calibration methods, which only require limited accuracy with regard to the knowledge of the electrical properties, since these properties are determined automatically in the course of the calibration process through the use of redundancy or special properties of the standards used.
Einige zu vermessende elektrische Bauteile weisen allerdings nicht die geeignete Schnittstelle zum unmittelbaren Anschließen an die Messtore des VNAs in der kalibrierten Referenzebene des VNAs (im Folgenden: „Vorkalibrierebene“) auf. Zum Vermessen solcher Bauteile können Messadapter verwendet werden, die zum einen an die Vorkalibrierebene des VNAs und zum anderen an die Messeingänge des zu vermessenden elektrischen Bauteils ankoppelbar sind. Problematisch an solchen Messadaptern ist allerdings, dass sie wiederum systematische lineare Fehler einführen können, die im Hinblick auf möglichst exakte Messergebnisse einer eigenen Korrektur bedürfen. Deshalb kann es erforderlich sein, zusätzlich auch die durch den Messadapter gebildete Messadaptierung zu kalibrieren. Die Messtore des Messadapters zum Anschließen des zu vermessenden Messobjekts sind dabei in der Kalibrierebene angeordnet.However, some electrical components to be measured do not have the appropriate interface for direct connection to the measurement ports of the VNA in the calibrated reference plane of the VNA (hereinafter: "pre-calibration plane"). Measuring adapters can be used to measure such components, which can be coupled to the pre-calibration level of the VNA on the one hand and to the measurement inputs of the electrical component to be measured on the other. The problem with such measuring adapters, however, is that they can in turn introduce systematic linear errors that require their own correction with regard to measuring results that are as exact as possible. It may therefore be necessary to also add the To calibrate measuring adapter formed measuring adaptation. The measurement ports of the measurement adapter for connecting the measurement object to be measured are arranged in the calibration level.
Ein Messadapter mit 4 Messtoren (also mit 4 Eingangstoren zum Anschließen an den VNA und 4 Ausgangstoren zum Anschließen des Messobjekts) kann dabei durch ein lineares 8-Tor-Fehlernetzwerk beschrieben werden, das grundsätzlich die Bestimmung von insgesamt 64 Fehlertermen erforderlich macht. Kalibrierverfahren zum Kalibrieren eines solchen Messadapters wären allerdings außerordentlich komplex und zeitaufwändig, insbesondere wenn eine (Teil- oder Voll-) Verkopplung zwischen den einzelnen Messtoren berücksichtigt werden soll, so dass herkömmlicherweise regelmäßig auf die Kalibrierung von Messadaptern mit 4 oder mehr Messtoren verzichtet wird und dadurch ggf. systematische Messfehler in Kauf genommen werden.A test adapter with 4 test ports (i.e. with 4 input ports for connecting to the VNA and 4 output ports for connecting the DUT) can be described by a linear 8-port error network, which basically requires the determination of a total of 64 error terms. However, calibration methods for calibrating such a measurement adapter would be extremely complex and time-consuming, especially if a (partial or full) coupling between the individual test ports is to be taken into account, so that the calibration of test adapters with 4 or more test ports is usually dispensed with and as a result if necessary, systematic measurement errors must be accepted.
In Anbetracht der beschriebenen Probleme ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein möglichst einfaches und zuverlässiges Kalibrierverfahren zum Kalibrieren einer Messanordnung aus Netzwerkanalysator und Messadapter mit vier Messtoren bereitzustellen, wobei die vier Messtore des Messadapters in der Kalibrierebene zum Anschließen des elektrischen Bauteils (DUT) angeordnet sind und zwei differentielle Schnittstellen bilden.In view of the problems described, it is the object of the present invention to provide a simple and reliable calibration method for calibrating a measurement arrangement consisting of a network analyzer and a measurement adapter with four test ports, the four test ports of the measurement adapter being arranged in the calibration plane for connecting the electrical component (DUT). and form two differential interfaces.
Diese Aufgabe wird durch ein Kalibrierverfahren mit den folgenden Schritten gelöst:
- • Zuordnen von jeweils 2 Messtoren, die zu einer differentiellen Schnittstelle gehören, zu einem Modaltor I, II,
- • Darstellung des Fehlernetzwerks in modaler Repräsentation, in der lineare Fehler im Gegentaktpfad für beide Modaltore durch eine 4x4 Matrix CI-II, dd und lineare Fehler im Gleichtaktpfad für beide Modaltore durch eine 4x4 Matrix CI-II, cc beschrieben werden, unter Vernachlässigung von Intermodalverkopplung zwischen Gegentaktpfad und Gleichtaktpfad,
- • Bestimmen von jeweils 15 Fehlertermen der Matrizen CI-II, dd und CI-II, cc unter Verwendung eines 15-Term Kalibrierverfahrens,
- • Bestimmen eines multiplikativen Verknüpfungsfaktors zwischen den bestimmten 15 Fehlertermen der Matrix CI-II, cc und der Matrix CI-II, dd unter Einsatz eines Reziprok-Standards R.
- • Assignment of 2 test ports that belong to a differential interface to a modal port I, II,
- • Representation of the error network in modal representation, in which linear errors in the push-pull path for both modal ports are described by a 4x4 matrix C I-II, dd and linear errors in the common-mode path for both modal ports are described by a 4x4 matrix C I-II, cc , with neglect of intermodal coupling between push-pull path and common-mode path,
- • Determination of 15 error terms each of the matrices C I-II, dd and C I-II, cc using a 15-term calibration method,
- • Determine a multiplicative link factor between the determined 15 error terms of the matrix C I-II, cc and the matrix C I-II, dd using a reciprocal standard R.
Diese Fehlerterme der beiden Matrizen CI-II, dd und CI-II, cc charakterisieren das durch den Messadapter eingeführte Fehlernetzwerk vollständig. Aus den auf diese Weise bestimmten Fehlertermen der Matrizen CI-II, dd und CI-II, cc können dann Korrekturwerte berechnet werden, die bei nachfolgenden Messungen von Streuparametern des elektrischen Bauteils DUT berücksichtigt werden.These error terms of the two matrices C I-II, dd and C I-II, cc fully characterize the error network introduced by the measuring adapter. From the error terms of the matrices C I-II, dd and C I-II, cc determined in this way, correction values can then be calculated, which are taken into account in subsequent measurements of scattering parameters of the electrical component DUT.
Die Erfindung geht zum einen auf die Erkenntnis zurück, dass es zur Kalibrierung von Messadaptionen mit vier Messtoren nicht in jedem Fall erforderlich ist, alle 64 Fehlerterme der Fehlermatrix des zugehörigen 8-Tor-Fehlernetzwerks zu bestimmen. Vielmehr existiert unter bestimmten Voraussetzungen eine Darstellung der Fehlermatrix, in der 32 der 64 Fehlerterme vernachlässigbar sind oder sogar vollständig verschwinden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die vier Messtore des Messadapters in der Kalibrierebene zwei differentielle Schnittstellen bilden, und von symmetrischen bzw. im Wesentlichen gleichen elektrischen Eigenschaften der beiden jeweils eine differentielle Schnittstelle bildenden Messtore sowie der damit jeweils verbundenen elektrischen Leitungen und Komponenten auf dem Messadapter ausgegangen werden kann. Diese vereinfachte Darstellung der Fehlermatrix entspricht der modalen Repräsentation des Fehlernetzwerks, bei der die durch den Messadapter geführten HF-Signale in Gegentaktmode und Gleichtaktmode zerlegt sind. Dabei werden die jeweils zwei einer differentiellen Schnittstelle zugeordneten Messtore zu einem Modaltor zusammengefasst, durch das die Messsignale in Gleichtakt und Gegentakt geführt werden, wobei eine Intermodalverkopplung zwischen Gegentaktpfad und Gleichtaktpfad vernachlässigbar sein soll.On the one hand, the invention is based on the knowledge that, in order to calibrate measurement adaptations with four test ports, it is not always necessary to determine all 64 error terms of the error matrix of the associated 8-port error network. Rather, under certain conditions, there is a representation of the error matrix in which 32 of the 64 error terms are negligible or even disappear completely. This is the case in particular when the four test ports of the measurement adapter form two differential interfaces in the calibration level, and of symmetrical or essentially the same electrical properties of the two test ports that each form a differential interface and the electrical lines and components connected to them on the measuring adapter can be assumed. This simplified representation of the error matrix corresponds to the modal representation of the error network, in which the HF signals passed through the measuring adapter are broken down into differential mode and common mode. In this case, the two test ports assigned to a differential interface are combined to form a modal port, through which the test signals are routed in common mode and differential mode, with intermodal coupling between the differential mode path and the common mode path being intended to be negligible.
Diese Voraussetzungen sind insbesondere bei einer einander entsprechenden Anordnung der elektrischen Leitungen und Messtore der differentiellen Schnittstellen an dem Messadapter erfüllt, so dass sich symmetrische elektrische Eigenschaften für die zusammengehörigen Messtore ergeben. Hingegen soll eine Kopplung zwischen den Gegentaktmoden des einen Modaltors und den Gegentaktmoden des anderen Modaltors, sowie zwischen den Gleichtaktmoden des einen Modaltors und den Gleichtaktmoden des anderen Modaltors berücksichtigt werden. In diesem Zusammenhang wird auf das Lehrwerk [Holger Heuermann: „Hochfrequenztechnik: Komponenten für High-Speed und Hochfrequenzschaltungen“, Springer 2009], verwiesen, in dem die Grundlagen der modalen Darstellung von Mehrtoren beschrieben sind, die durch Verweis in die vorliegenden Offenbarung aufgenommen werden.These requirements are met in particular when the electrical lines and test ports of the differential interfaces on the test adapter are arranged in a way that corresponds to one another, so that symmetrical electrical properties result for the test ports that belong together. On the other hand, a coupling between the push-pull modes of one modal gate and the push-pull modes of the other modal gate, and between the common-mode modes of one modal gate and the common-mode modes of the other modal gate, should be taken into account. In this context, reference is made to the textbook [Holger Heuermann: "High-frequency technology: components for high-speed and high-frequency circuits", Springer 2009], in which the basics of the modal representation of multiports are described, which are incorporated by reference into the present disclosure .
Die Erfindung basiert nun ,auf der Erkenntnis, dass die eingangs bereits erwähnten 15-Term-Kalibrierverfahren, die bisher bei nodaler Repräsentation des zu bestimmenden Fehlernetzwerks angewandt wurden, auf die modale Repräsentation übertragen werden können. Nach Darstellung des Fehlernetzwerks in modaler Repräsentation, in der lineare Fehler im Gegentaktpfad für beide Modaltore durch die 4x4 Matrix CI-II, dd und lineare Fehler im Gleichtaktpfad für beide Modaltore durch die 4x4 Matrix CI-II, cc beschrieben werden, unter Vernachlässigung von Intermodalverkopplung zwischen Gegentaktpfad und Gleichtaktpfad, ist es also möglich, die jeweils 15 Fehlerterme der Fehlermatrizen CI-II, dd und CI-II, cc unter Verwendung eines auf die modale Repräsentation angepassten 15-Term Kalibrierverfahrens zu bestimmen. Damit kann erfindungsgemäß die Bestimmung der 64 Parameter der nodalen 8x8-Fehlermatrix auf die Bestimmung zweier modaler 4x4 Fehlermatrizen durch ein modal angewandtes 15-Term Kalibrierverfahren reduziert werden. Da nur 15 Terme pro Fehlermatrix CI-II, dd und CI-II, cc bestimmt werden, ist eine Normierung der beiden 4x4-Fehlermatrizen notwendig, bei der bspw. einer der Fehlerterme jeder Matrix auf 1 gesetzt wird.The invention is now based on the knowledge that the 15-term calibration methods already mentioned at the outset, which were previously used with nodal representation of the error network to be determined, can be transferred to the modal representation. After showing the error network in modal representation, in which linear errors in the push-pull path for both modal ports are described by the 4x4 matrix C I-II, dd and linear errors in the common-mode path for both modal ports are described by the 4x4 matrix C I-II, cc , under neglect of intermodal coupling between push-pull path and common-mode path, it is therefore possible to determine the 15 error terms of the error matrices C I-II, dd and C I-II, cc using a 15-term calibration method adapted to the modal representation. Thus, according to the invention, the determination of the 64 parameters of the
Allerdings ist hierdurch das Relativverhältnis zwischen den beiden Fehlermatrizen CI-II, dd und CI-II, cc noch nicht bestimmt. Für die Kenntnis des vollständigen Fehlernetzwerks ist also noch eine Relativverknüpfung zwischen den beiden Fehlermatrizen CI-II, dd und CI-II, cc bzw. eine Entnormierung einer der beiden Fehlermatrizen CI-II, dd und CI-II, cc erforderlich.However, this does not yet determine the relative ratio between the two error matrices C I-II, dd and C I-II, cc . To know the complete error network, a relative link between the two error matrices C I-II, dd and C I-II, cc or a denormalization of one of the two error matrices C I-II, dd and C I-II, cc is also required .
Die Erfindung basiert zum anderen auf der überraschenden Erkenntnis, dass eine solche Entnormierung mit vergleichsweise einfachen Mitteln möglich ist. Erfindungsgemäß erfolgt die Bestimmung des multiplikativen Verknüpfungsfaktors zwischen den bestimmten 15 Fehlertermen der Matrix CI-II, cc und der Matrix CI-II, dd durch den Einsatz eines Reziprok-Standards R, der an den vier Messtoren des Messadapters anschließbar ist. Der 4-Tor Reziprok-Standard R ist notwendigerweise reziprok, kann aber darüber hinaus in seinen elektrischen Eigenschaften unbekannt sein. Diese Methode basiert auf der Tatsache, dass die Determinante der Transmissionsmatrix eines beliebigen, reziproken Netzwerks jeweils Eins ergibt und damit in einer Kaskadendarstellung als bekannt angenommen werden kann. Dadurch resultiert dann durch Kalibrationsmessung der unbekannte multiplikative Verknüpfungsfaktor zur Entnormierung lediglich mit einer Phasenmehrdeutigkeit, die bei ungefährer Kenntnis der geometrischen Länge des Netzwerks aufgelöst werden kann.On the other hand, the invention is based on the surprising finding that such denormalization is possible with comparatively simple means. According to the invention, the multiplicative linkage factor between the determined 15 error terms of the matrix C I-II, cc and the matrix C I-II, dd is determined by using a reciprocal standard R, which can be connected to the four test ports of the measuring adapter. The 4-port reciprocal standard R is necessarily reciprocal, but beyond that may be unknown in its electrical properties. This method is based on the fact that the determinant of the transmission matrix of any reciprocal network is always one and can therefore be assumed to be known in a cascade representation. As a result, the calibration measurement results in the unknown multiplicative linkage factor for denormalization only with a phase ambiguity that can be resolved with approximate knowledge of the geometric length of the network.
Damit ist es erfindungsgemäß möglich, mit vergleichsweise einfachen Mitteln und ohne größeren Zeitaufwand das vollständige Fehlernetzwerk zu charakterisieren, das ein zwischengeschalteter Messadapter mit 4 Messtoren bewirkt, wenn davon ausgegangen werden kann, dass Intermodalverkopplung zwischen Gegentaktpfad und Gleichtaktpfad vernachlässigt werden kann. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn die Messtore des Messadapters nach Art einer doppelt differentiellen Schnittstelle aufgebaut sind. Eine Transformation zwischen den Fehlermatrizen bzw. den Wellengrößen in modaler und in nodaler Darstellung ist durch bekannte lineare Umformungen möglich, so dass Messungen an elektrischen Bauteilen modal oder nodal durchgeführt und anschließend entsprechend umgerechnet werden können. Es wird auf die dem Fachmann bekannten einschlägigen Lehrwerke wie etwa auf das oben bereits genannte Lehrwerk „Hochfrequenztechnik: Komponenten für High-Speed und Hochfrequenzschaltungen“ verwiesen.It is thus possible according to the invention to characterize the complete fault network, which an intermediate measuring adapter with 4 measuring ports causes, with comparatively simple means and without a great deal of time, if it can be assumed that intermodal coupling between the push-pull path and the common-mode path can be neglected. This is particularly possible when the test ports of the test adapter are constructed in the manner of a double differential interface. A transformation between the error matrices or the wave quantities in modal and in nodal representation is possible using known linear transformations, so that measurements on electrical components can be carried out modally or nodally and then converted accordingly. Reference is made to the relevant textbooks known to the person skilled in the art, such as the textbook “High-frequency technology: Components for high-speed and high-frequency circuits” already mentioned above.
Besonders exakt sind die sich durch das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren ergebenden Fehlerterme dann, wenn der Adapter derart aufgebaut ist, dass die elektrische Verkopplung zwischen den beiden Messtoren der ersten differentiellen Schnittstelle im Wesentlichen der elektrischen Verkopplung zwischen den beiden Messtoren der zweiten differentiellen Schnittstelle entspricht, und/oder dass die elektrische Verkopplung zwischen einem der Messtore der ersten differentiellen Schnittstelle und einem der Messtore der zweiten differentiellen Schnittstelle jeweils im Wesentlichen der Verkopplung zwischen den beiden anderen Messtoren entspricht. Damit weist der Messadapter die für ein vollständiges Verschwinden der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu vernachlässigenden Fehlerterme erforderlichen Symmetrieeigenschaften auf. Eine vergleichbare elektrische Kopplung zwischen zwei Messtorpaaren und den jeweils dazu gehörenden Leitungspaaren ergibt sich insbesondere dann, wenn diese in analoger Anordnung, insbesondere mit vergleichbarem gegenseitigen Abstand und vergleichbarem gegenseitigen Verlauf an dem Messadapter angeordnet sind.The error terms resulting from the calibration method according to the invention are particularly precise when the adapter is constructed in such a way that the electrical coupling between the two test ports of the first differential interface essentially corresponds to the electrical coupling between the two test ports of the second differential interface, and/or that the electrical coupling between one of the test ports of the first differential interface and one of the test ports of the second differential interface essentially corresponds to the coupling between the two other test ports. The measuring adapter thus has the symmetry properties required for complete disappearance of the error terms, which are negligible according to the method according to the invention. A comparable electrical coupling between two pairs of test ports and the respectively associated pairs of lines results in particular when these are arranged in an analogous arrangement, in particular with a comparable mutual distance and comparable mutual course on the measuring adapter.
Vorzugsweise ist der Messadapter bzgl. aller vier Messtore im Wesentlichen symmetrisch eingerichtet.The measuring adapter is preferably set up essentially symmetrically with regard to all four measuring ports.
Im Hinblick auf einen einfachen Aufbau des Messadapters hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass der Messadapter über vier vorzugsweise als koaxiale Schnittstellen eingerichtete Eingangstore an eine kalibrierte Vorkalibrierebene des Netzwerkanalysators angeschlossen wird. Herkömmliche Netzwerkanalysatoren weisen nämlich in der Vorkalibrierebene regelmäßig koaxiale Schnittstellen (bspw. SMA) zum Anschließen von Messobjekten auf. Die vier koaxialen Schnittstellen können sternförmig von einem zentralen Träger wie etwa einer Platine des Messadapters vorstehen.With regard to a simple construction of the measuring adapter, it has proven to be expedient for the measuring adapter to be connected to a calibrated pre-calibration level of the network analyzer via four input ports, preferably set up as coaxial interfaces. Traditional network analysis In the pre-calibration level, ports regularly have coaxial interfaces (e.g. SMA) for connecting test objects. The four coaxial interfaces can protrude in a star shape from a central carrier such as a circuit board of the measuring adapter.
Alternativ oder zusätzlich weisen die zwei differentiellen Schnittstellen des Messadapters vier bevorzugt in quadratischer Anordnung an dem Messadapter vorgesehene Kontaktelemente zum Kontaktieren eines zwei differentielle Leiterpaare aufweisenden elektrischen Bauteils wie etwa eines 4-Tor-Kalibrierstandards oder eines Sternviererkabels auf. Ein solcher Messadapter hat nämlich zum einen die erfindungsgemäß bevorzugten Symmetrieeigenschaften und ist zum anderen besonders geeignet zum Vermessen von DUTs mit zwei differentiellen Schnittstellen, ohne dass weitere Adapterelemente erforderlich werden. Die vier Kontaktelemente können im Zentrum eines Trägers wie etwa einer Platine des Messadapters angeordnet sein. Dabei bilden vorzugsweise jeweils zwei einander diagonal gegenüberliegende Kontaktelemente eine der differentiellen Schnittstellen.Alternatively or additionally, the two differential interfaces of the measuring adapter have four contact elements, preferably provided in a square arrangement on the measuring adapter, for contacting an electrical component having two differential conductor pairs, such as a 4-port calibration standard or a star quad cable. Such a measuring adapter has on the one hand the symmetry properties preferred according to the invention and on the other hand is particularly suitable for measuring DUTs with two differential interfaces without the need for further adapter elements. The four contact elements can be arranged in the center of a carrier such as a circuit board of the measuring adapter. In this case, preferably two contact elements diagonally opposite each other form one of the differential interfaces.
Die vier Kontaktelemente der zwei differentiellen Schnittstellen (die Ausgangstore) des Messadapters sind vorzugsweise über elektrische Leitungen jeweils mit einer koaxialen Schnittstelle des Messadapters (den Eingangstoren) elektrisch verbunden.The four contact elements of the two differential interfaces (the output ports) of the measuring adapter are preferably electrically connected to a coaxial interface of the measuring adapter (the input ports) via electrical lines.
Es wird ein Kalibrierverfahren benötigt, das die Kalibrierung eines modalen 15-Term-Fehlermodells bei Intermodenentkopplung (vollverkoppeltes Fehlermodell für zwei Tore je Mode) leistet. Hierfür hat sich ein Selbstkalibrierverfahren als besonders zweckmäßig erwiesen, da es geringere Anforderungen an die zu verwendenden Kalibrierstandards stellt.A calibration method is required that performs the calibration of a modal 15-term error model with intermode decoupling (fully coupled error model for two ports per mode). A self-calibration method has proven to be particularly useful for this purpose, since it places fewer demands on the calibration standards to be used.
Als besonders geeignete Selbstkalibrierverfahren haben sich die für den nodalen Zweitor-Fall bekannten TMRG- oder LRM-Verfahren erwiesen. Die hierfür erforderlichen Kalibrierstandards sind vergleichsweise einfach bereitstellbar, und eine Übertragung auf den hier vorliegenden Viertor-Fall (bzw. modalen Zweitor-Fall) ist bei überschaubarer Komplexität möglich.The TMRG or LRM methods known for the nodal two-port case have proven to be particularly suitable self-calibration methods. The calibration standards required for this can be provided comparatively easily, and a transfer to the four-port case (or modal two-port case) present here is possible with manageable complexity.
Insbesondere bei dem genannten TMRG-Verfahren ist es möglich, für die Bestimmung der jeweils 15 Fehlerterme der Matrizen CI-II, dd und CI-II, cc teilweise oder sogar ausschließlich konzentrierte („lumped“) Kalibrierelemente zu verwenden. Im Gegensatz zu ausgedehnten Kalibrierelementen (bspw. Leitung als Impedanzstandard, der jeweils nur in einem finiten Frequenzintervall eingesetzt werden kann) können konzentrierte Elemente elektrisch kurz sein (d.h. sehr viel kürzer als die Wellenlänge der verwendeten Frequenz). Solche konzentrierten Elemente, die wiederum Eintor-Reflexionsstandards repräsentieren, sind bspw. Widerstände, Wellensumpf/Impedanzstandard (Match M), Kurzschluss (Short S, nichtideal/ weitgehend unbekannt), Leerlauf (Open O, nichtideal/ weitgehend unbekannt). Die Durchverbindung (Thru, T) ist eine ideale oder vollständig bekannte Verbindungsleitung zwischen zwei Toren.In particular with the TMRG method mentioned, it is possible to use partially or even exclusively lumped calibration elements for the determination of the 15 error terms of the matrices C I-II, dd and C I-II, cc . In contrast to extended calibration elements (e.g. line as an impedance standard that can only be used in a finite frequency interval), lumped elements can be electrically short (ie much shorter than the wavelength of the frequency used). Such lumped elements, which in turn represent one-port reflection standards, are, for example, resistors, wave sump/impedance standard (Match M), short circuit (Short S, non-ideal/ largely unknown), open circuit (Open O, non-ideal/ largely unknown). The thru (T) is an ideal or fully known connection line between two ports.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden zumindest drei, vorzugsweise vier, und insbesondere fünf der folgenden Kalibrierstandards verwendet: Thru, match-open MO, short-match SM, short-open SO, open-short OS. In modaler Repräsentation erscheint dabei vorzugsweise der jeweilige Zweitor-Kalibrierstandard an den Gleichtakt- und Gegentakt-Fehlernetzwerken. In der tatsächlichen/realen nodalen Repräsentation sind jeweils zwei Messtore mit dem einen und die anderen zwei Messtore des Messadapters mit dem anderen Messstandard abgeschlossen. Insbesondere bezeichnet der erste Buchstabe jeweils den Abschluss der Messtore der einen differentiellen Schnittstelle und der zweite Buchstabe den Abschluss der Messtore der anderen differentiellen Schnittstelle. Die Durchgangsverbindung Thru verbindet zweimal zwei Messtore miteinander, vorzugsweise jeweils zwei Messtore, die nicht zu derselben differentiellen Schnittstelle gehören.In a particularly preferred embodiment, at least three, preferably four, and in particular five of the following calibration standards are used: Thru, match-open MO, short-match SM, short-open SO, open-short OS. In this case, the respective two-port calibration standard preferably appears in modal representation at the common-mode and differential-mode error networks. In the actual/real nodal representation, two measurement ports are terminated with one and the other two measurement ports of the measurement adapter with the other measurement standard. In particular, the first letter denotes the termination of the test ports of one differential interface and the second letter denotes the termination of the test ports of the other differential interface. The through connection Thru connects two test ports to each other twice, preferably two test ports that do not belong to the same differential interface.
Für den Schritt des Bestimmens des multiplikativen Verknüpfungsfaktors zwischen den 15 Fehlertermen der Matrix CI-II, cc und der Matrix CI-II, dd wird vorzugsweise ein Reziprok-Standard R verwendet, der eine hohe Verkopplung von Gleichtakt- und Gegentaktmoden an jeweils einem Modaltor aufweist bzw. der unsymmetrisch bzgl. der beiden Messtore jeweils einer differentiellen Schnittstellen eingerichtet ist. Ein solcher Reziprok-Standard kann derart eingerichtet sein, dass er zwei Messtore mit einem (nicht-idealen) Kurzschluss und zwei Messtoren mit einem (nicht-idealen) Leerlauf abschließt. Bspw. stellt der R-Standard an den beiden Messtoren jeder differentiellen Schnittstelle einen Kurzschluss S (nicht-ideal) und einen Leerlauf O (nicht-ideal) bereit.For the step of determining the multiplicative link factor between the 15 error terms of the matrix C I-II, cc and the matrix C I-II, dd , a reciprocal standard R is preferably used, which has a high coupling of common and differential modes at one Has a modal gate or which is set up asymmetrically with respect to the two test gates, each with a differential interface. Such a reciprocal standard can be set up in such a way that it terminates two test ports with a (non-ideal) short circuit and two test ports with a (non-ideal) open circuit. For example, the R standard provides a short S (non-ideal) and an open O (non-ideal) at the two test ports of each differential interface.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kalibrieren einer Messadaption mit 8 Messtoren. Eine solche Messadaption kann zwei zwischen den Netzwerkanalysator und das zu vermessende elektrische Bauteil geschaltete Messadapter mit jeweils vier Messtoren umfassen. Die beiden Messadapter können auch integral gebildet sein. Dabei bilden jeweils zwei zusammengehörige Messtore eines Messadapters eine differentielle Schnittstelle mit den oben erläuterten Symmetrieeigenschaften. Vorzugsweise ist jeder der beiden Messadapter so aufgebaut wie der oben beschriebene Messadapter der ersten Ausführungsform der Erfindung. Wichtig ist, dass eine elektromagnetische Kopplung zwischen den beiden Messadaptern vernachlässigbar ist. Dies kann dadurch besonders gut erreicht werden, dass die beiden Messadapter beim Kalibrieren und beim Messen räumlich voneinander getrennt angeordnet sind, so dass sich die Leitungen und Schnittstellen der beiden Messadapter nicht gegenseitig elektrisch beeinflussen können. Bspw. sind die Leitungen und Schnittstellen der beiden Messadapter auf zwei separaten Trägern wie etwa Platinen vorgesehen.According to a further aspect, the present invention relates to a method for calibrating a measurement adaptation with 8 measurement ports. Such a measurement adaptation can be between the network analyzer and two the electrical component to be measured include switched measuring adapters, each with four measuring ports. The two measuring adapters can also be formed integrally. In this case, two associated test ports of a test adapter form a differential interface with the symmetry properties explained above. Each of the two measuring adapters is preferably constructed like the measuring adapter of the first embodiment of the invention described above. It is important that electromagnetic coupling between the two measuring adapters is negligible. This can be achieved particularly well if the two measuring adapters are arranged spatially separate from one another during calibration and during measurement, so that the lines and interfaces of the two measuring adapters cannot influence each other electrically. For example, the lines and interfaces of the two measuring adapters are provided on two separate carriers such as printed circuit boards.
Eine derartige Messadaption kann bspw. zum Bestimmen der Streuparameter von 8-Tor-Messobjekten verwendet werden, bei denen jeweils zwei Tore eine differentielle Schnittstelle bilden. Ein solches 8-Tor-Messobjekt ist bspw. ein Kabel mit zwei Twisted-Pair-Aderpaaren, insbesondere ein Kabel in Sternviereranordnung, das an jedem Kabelende zwei differentielle Aderpaare aufweist (bspw. High Speed Data HSD-Schnittstellen).Such a measurement adaptation can be used, for example, to determine the scattering parameters of 8-port test objects, in which two ports each form a differential interface. Such an 8-port device under test is, for example, a cable with two twisted pairs of wires, in particular a cable in a star quad arrangement, which has two differential pairs of wires at each cable end (e.g. high-speed data HSD interfaces).
Das Kalibrierverfahren gemäß dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung umfasst die folgenden Schritte:
- •
Zuordnen der jeweils 2 Messtore einer differentiellen Schnittstelle der Messadapter zu einem Modaltor, - • Darstellung der die Messadapter beschreibenden Fehlernetzwerke in modaler Repräsentation, in der je Messadapter lineare Fehler im Gegentaktpfad für beide Modaltore durch eine 4×4 Fehlermatrix (CI-II, dd, CIII-IV, dd) und lineare Fehler im Gleichtaktpfad für beide Modaltore durch eine 4x4 Fehlermatrix (CI-II, cc, CIII-IV, cc) beschrieben werden, unter Vernachlässigung von Intermodalverkopplung zwischen Gegentaktpfad und Gleichtaktpfad,
- • Bestimmen von jeweils 15 Fehlertermen der Fehlermatrizen CI-II, dd, CI-II, cc, CIII-IV, dd, CIII-IV, cc unter Verwendung eines 15-Term Kalibrierverfahrens,
- • Bestimmen eines multiplikativen Verknüpfungsfaktors zwischen den bestimmten 15 Fehlertermen der Matrizen CI-II, cc und CI-II, dd und eines zweiten multiplikativen Verknüpfungsfaktors zwischen den bestimmten 15 Fehlertermen der Matrizen CIII-IV, cc und CIII-IV, dd unter Einsatz eines Reziprok-Standards R,
- • Bestimmen eines dritten multiplikativen Verknüpfungsfaktors zwischen Fehlertermen, die für den ersten Messadapter bestimmt wurden, und Fehlertermen, die für den zweiten Messadapter bestimmt wurden, unter Einsatz eines weiteren Reziprok-Standards R2.
- • Assignment of the 2 test ports of a differential interface of the test adapter to a modal port,
- • Representation of the error networks describing the measuring adapters in modal representation, in which, for each measuring adapter, linear errors in the push-pull path for both modal ports by a 4×4 error matrix (C I-II, dd , C III-IV, dd ) and linear errors in the common-mode path for both Modal gates are described by a 4x4 error matrix (C I-II, cc , C III-IV, cc ), neglecting intermodal coupling between push-pull path and common-mode path,
- • Determination of 15 error terms of the error matrices C I-II, dd , C I-II, cc , C III-IV, dd , C III-IV, cc using a 15-term calibration method,
- • determining a multiplicative link factor between the determined 15 error terms of matrices C I-II, cc and C I-II, dd and a second multiplicative link factor between the determined 15 error terms of matrices C III-IV, cc and C III-IV, dd using a reciprocal standard R,
- • Determining a third multiplicative link factor between error terms determined for the first measurement adapter and error terms determined for the second measurement adapter using a further reciprocal standard R 2 .
Eine Verallgemeinerung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf mehr als zwei Adapter ist möglich, wenn eine Kopplung zwischen den einzelnen Adaptern vernachlässigbar ist.A generalization of the method according to the invention to more than two adapters is possible if a coupling between the individual adapters is negligible.
Als weiterer Reziprok-Standard R2 wird vorzugsweise ein 8-Tor-Standard mit zweimal zwei differentiellen Schnittstellen zum Anschließen an den jeweils zwei differentiellen Schnittstellen der beiden Messadapter verwendet.An 8-port standard with twice two differential interfaces for connection to the two differential interfaces of the two measuring adapters is preferably used as a further reciprocal standard R 2 .
Als weiterer Reziprok-Standard R2 kann ein 4-adriges Kabel, insbesondere ein Sternvierer-Kabel verwendet werden, wobei für die Kalibrationsmessung die differentiellen Aderpaare an beiden Kabelenden mit den vier Messtoren bzw. mit den dadurch gebildeten differentiellen Schnittstellen der Messadapter verbunden werden.A 4-wire cable, in particular a star-quad cable, can be used as a further reciprocal standard R 2 , with the differential wire pairs being connected at both ends of the cable to the four test ports or to the differential interfaces of the test adapters formed thereby for the calibration measurement.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Satz von Kalibrierstandards zur Verwendung bei einem erfindungsgemäßen Kalibrierverfahren, umfassend zumindest drei, bevorzugt vier oder fünf konzentrierte 4-Tor-Kalibrierstandards und zumindest einen 4-Tor Reziprok-Standard R zum Kalibrieren einer Messadaptierung mit mindestens vier Messtoren, die zwei differentielle Schnittstellen bilden, insbesondere zum Kalibrieren einer Messanordnung aus Netzwerkanalysator und Messadapter mit vier oder acht Messtoren.According to a further aspect, the invention relates to a set of calibration standards for use in a calibration method according to the invention, comprising at least three, preferably four or five, concentrated 4-port calibration standards and at least one 4-port reciprocal standard R for calibrating a measurement adaptation with at least four measurement ports , which form two differential interfaces, in particular for calibrating a measurement arrangement consisting of a network analyzer and measurement adapter with four or eight test ports.
Die zumindest drei konzentrierten 4-Tor Standards sind vorzugsweise aus den folgenden Kalibrierstandards ausgewählt: Thru; MO, SM, SO, OS, wobei der erste Buchstabe den Abschluss von zwei Messtoren der Messadaption und der zweite Buchstabe den Abschluss der anderen beiden Messtore der Messadaption bezeichnet. Insbesondere bezeichnet der erste Buchstabe den Abschluss der beiden Messtore, die die eine differentielle Schnittstelle der Messadaption bilden, und der zweite Buchstabe den Abschluss der beiden Messtore, die die andere differentielle Schnittstelle der Messadaption bilden.The at least three concentrated 4-port standards are preferably selected from the following calibration standards: Thru; MO, SM, SO, OS, where the first letter indicates the termination of two measurement ports of the measurement adaptation and the second letter indicates the termination of the other two measurement ports of the measurement adaptation. In particular, the first letter designates the conclusion of the two measuring gates, the one form the differential interface of the measurement adaptation, and the second letter the termination of the two measurement ports that form the other differential interface of the measurement adaptation.
Dazu sind die einzelnen Kalibrierstandards derart eingerichtet, dass sie an einer doppelt differentiellen Schnittstelle anschließbar sind, die vorzugsweise vier Kontaktelemente in quadratischer Anordnung aufweist, wobei jeweils zwei diagonal gegenüberliegende Kontaktelemente eine differentielle Schnittstelle bilden.For this purpose, the individual calibration standards are set up in such a way that they can be connected to a double differential interface, which preferably has four contact elements in a square arrangement, with two diagonally opposite contact elements forming a differential interface.
Der erfindungsgemäße Satz von Kalibrierstandards kann ferner einen 8-Tor Reziprok-Standard zum Anschließen an zwei Messadaptern aufweisen, wobei jeder Messadapter eine doppelt differentielle Schnittstelle aufweist. Der 8-Tor-Reziprokstandard kann in Form eines Kabels, bevorzugt eines 4-adrigen Kabels, insbesondere eines Sternviererkabels vorgesehen sein.The set of calibration standards according to the invention can also have an 8-port reciprocal standard for connection to two measurement adapters, each measurement adapter having a double differential interface. The 8-port reciprocal standard can be provided in the form of a cable, preferably a 4-wire cable, in particular a star quad cable.
Ferner betrifft die Erfindung eine Messzusammenstellung, bestehend aus einem oder zwei oben beschriebenen Messadaptern und dem zugehörigen erfindungsgemäßen Satz von Kalibrierstandards für deren Kalibrierung.Furthermore, the invention relates to a measurement assembly consisting of one or two measurement adapters described above and the associated set of calibration standards according to the invention for their calibration.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Ferner wird im Detail ein Kalibriervorgang einschließlich der dabei durchgeführten mathematischen Umformungen präsentiert. Dabei sind sämtliche Skalare und resultierende Größen, sofern nicht anders angegeben, komplexe Größen, Skalare werden klein und kursiv geschrieben, Vektoren werden klein und fett geschrieben und Matrizen werden groß und fett geschrieben. Für den Fachmann ist ohne weiteres ersichtlich, dass der explizit vorgestellte Kalibriervorgang lediglich beispielhaft ist, und dass alternative Bezeichnungen, Darstellungen, Reihenfolgen, Umformungen etc. zum Erreichen desselben Ergebnisses verwendet werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren ist lediglich durch die beigefügten Ansprüche beschränkt. Dabei zeigt:
-
1 einen Messadapter mit vier Messtoren einer Messanordnung, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kalibriert wird, in einer perspektivischen Darstellung, -
2 ein zu kalibrierendes, nodales Fehlermodell eines an die Vorkalibrierebene eines VNAs angeschlossenen Messadapters, -
3 ein zu kalibrierendes, modales Fehlermodell des an die Vorkalibrierebene des VNAs angeschlossenen Messadapters, -
4a eine schematische Darstellung, die die Übertragung eines nodalen Kalibrierverfahrens auf den modalen Fall veranschaulicht, wobei jeweils Reflexions-Kalibrierstandards verwendet werden, -
4b eine schematische Darstellung, die die Übertragung eines nodalen Kalibrierverfahrens auf den modalen Fall veranschaulicht, wobei jeweils eine Durchverbindung (Thru) verwendet wird, -
5 eine beispielhafte Zusammenstellung eines erfindungsgemäßen Satzes von Kalibrierstandards (oben), die an die zwei differentiellen Schnittstellen (unten) eines in1 dargestellten Messadapters anschließbar sind, -
6 eine perspektivische Darstellung zweier Messadapter mit jeweils vier Messtoren, an denen ein zu vermessendes Messobjekt (DUT) in Form eines Kabels mit zwei differentiellen Aderpaaren angeschlossen ist. -
7 ein zu kalibrierendes, nodales Fehlermodell zweier an die Vorkalibrierebene eines VNAs angeschlossener Messadapter, und -
8 ein zu kalibrierendes, modales Fehlermodell der zwei an die Vorkalibrierebene des VNAs angeschlossenen Messadapter.
-
1 a perspective view of a measuring adapter with four measuring ports of a measuring arrangement that is calibrated according to the method according to the invention, -
2 a nodal error model to be calibrated of a measurement adapter connected to the pre-calibration level of a VNA, -
3 a modal error model to be calibrated of the measurement adapter connected to the pre-calibration level of the VNA, -
4a a schematic representation that illustrates the transfer of a nodal calibration method to the modal case, using reflection calibration standards in each case, -
4b a schematic representation that illustrates the transfer of a nodal calibration method to the modal case, using a thru in each case, -
5 an exemplary compilation of a set of calibration standards according to the invention (above), which are connected to the two differential interfaces (below) of an in1 shown measuring adapter can be connected, -
6 a perspective view of two measurement adapters, each with four test ports, to which a device under test (DUT) to be measured is connected in the form of a cable with two differential wire pairs. -
7 a nodal error model to be calibrated of two measurement adapters connected to the pre-calibration level of a VNA, and -
8th a modal error model to be calibrated of the two measurement adapters connected to the pre-calibration level of the VNA.
Eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zu kalibrierende Messanordnung 100 mit Messadapter 10 ist schematisch in
Anstelle eines unmittelbar an die Vorkalibrierebene 12 angeschlossenen 4-Tor-DUTs ist allerdings der Messadapter 10 an die Vorkalibrierebene 12 angeschlossen. Der Messadapter 10 ist dabei zwischen den Netzwerkanalysator 20 und das zu vermessende 4-Tor-DUT 14 zwischengeschaltet. Der Messadapter 10 weist vier Eingangstore 1', 2', 3', 4' zum Anschließen an die Vorkalibrierebene 12 des Netzwerkanalysators 20 und vier Ausgangstore zum Anschließen des DUTs 14 in der Kalibrierebene 15 auf, er umfasst also vier Messtore 1, 2, 3, 4. Die vier Messtore 1, 2, 3, 4 bilden zwei differentielle Schnittstellen 1/2 und 3/4. Der Messadapter 10 stellt also ein 8-Tor-Fehlernetzwerk 13 dar, das durch eine 8x8 Fehlermatrix C1,2,3,4 mit 64 Fehlertermen beschrieben werden kann. Zur Bestimmung der Streumatrix SSE des DUTs 14 ohne durch den Messadapter 10 eingeführte systematische Fehler müssen die Fehlerterme der Fehlermatrix C1,2,3,4 bestimmt werden. Dies ist auf besonders einfache und elegante Weise durch das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren möglich, das im Folgenden beschrieben wird:However, the
Das hier beschriebene Kalibrierverfahren entwickelt ein neuartiges Vorgehen für eine spezielle Art von Fehlernetzwerken unter Verwendung von 4-Tor-Kalibrierstandards auf Basis eines Selbstkalibrierverfahrens. Adressiert werden damit Messungen von Messobjekten DUT mit vier Toren. Es wird dem Fehlernetzwerk 13 die Eigenschaft zugesprochen, dass jeweils vier Einzelmesstore 1, 2, 3, 4 einen Messadapter 10 bilden und vor bzw. an der Kalibrierebene 15 durch gegebene räumliche Nähe miteinander verkoppelt sein dürfen. Weiterhin weist die Beschreibung eines Messadapters 10 Symmetrie bzgl. der vier Einzelpfade auf.The calibration method described here develops a new approach for a special type of error network using 4-port calibration standards based on a self-calibration method. This addresses measurements of DUTs with four ports. The
Bei Austausch der nodalen durch die modale Betrachtung mittels Zusammenfassung von jeweils zwei der vier Messtore 1, 2, 3, 4 wird dadurch eine Entkopplung von Gleichtakt- und Gegentaktbeschreibung erreicht. Sämtliche Fehlernetzwerke sind damit intermodal voneinander entkoppelt. Je Messadapter 10 besteht jedoch weiterhin eine Intramoden-Verkopplung (d.h. in Bezug auf jeweils einen Mode darf Kopplung zwischen den modalen Toren bestehen), die innerhalb der Systemfehlerkorrektur und eines geeigneten Selbstkalibrierverfahrens berücksichtigt werden muss. Nach Bestimmung sämtlicher Fehlernetzwerke von Gleichtakt- und Gegentaktbeschreibung müssen diese in Relation zueinander gesetzt werden. Dieser Vorgang entspricht der Entnormierung von einem der zwei Einzelfehlernetzwerke. Für diesen Zweck nutzt das hier beschriebene Kalibrierverfahren ein jeweils reziprokes Kalibrierelement R, das beide Moden grundsätzlich miteinander verbindet, aber darüber hinaus nur die Eigenschaft der Reziprozität (Austauschbarkeit der Richtungsabhängigkeit) aufweisen muss. Eine konkrete Realisierung wird ebenfalls präsentiert.When replacing the nodal with the modal view by combining two of the four
Als Anwendungsbeispiel dient der Messadapter 10 entsprechend
Die Vorkalibrierebene 12 wird koaxial mit Standardsteckverbindern bspw. durch einen handelsüblichen Netzwerkanalysator 20 zur Verfügung gestellt und befindet sich in einem kalibrierten Zustand, d.h. herkömmliche Kalibrier- und Systemfehlerkorrekturverfahren kommen zur Anwendung. Die zugehörigen Wellengrößen der hinlaufenden Wellen (a) und der rücklaufenden Wellen (b) dieser Messung sind bei mit einem tiefgestellten „m“ gekennzeichnet. Zwischen der Vorkalibrierebene 12 und der Kalibrierebene 15 werden sämtliche systematische, lineare Fehler durch das 8-Tor-Fehlernetzwerk zusammengefasst, das mit der 8x8-Fehlermatrix C1,2,3,4 beschrieben wird.The
Bei Kenntnis aller Koeffizienten des Fehlernetzwerks kann schließlich die gesuchte Streumatrix SSE des Messobjekts 14 berechnet werden. Dabei handelt es sich um insgesamt 64 Koeffizienten, die für jede relevante Frequenz bestimmt werden müssen.With knowledge of all the coefficients of the error network, the sought-after scattering matrix S SE of the
Unter Voraussetzung von Linearität aller Elemente wird für eine modale Beschreibung sämtlicher Wellengrößen und der zugehörigen Streuparameter die Gleichtaktbeschreibung (engl. common mode) und die Gegentaktbeschreibung (engl. differential mode) gewählt. In diesem Zusammenhang wird auf die Veröffentlichung [David E. Bockelman und William R. Eisenstadt. „Combined differential and commonmode scattering parameters: Theory and simulation“, Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on 43.7 (1995), S. 1530-1539] verwiesen, deren Inhalt durch Verweis in die vorliegende Beschreibung aufgenommen wird.Assuming that all elements are linear, the common mode description and the differential mode description are selected for a modal description of all wave quantities and the associated scattering parameters. In this connection reference is made to the publication [David E. Bockelman and William R. Eisenstadt. "Combined differential and commonmode scattering parameters: Theory and simulation", Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on 43.7 (1995), pp. 1530-1539], the content of which is incorporated by reference into the present description.
Zu diesem Zweck werden jeweils die Nodaltore 1 und 2, die die erste differentielle Schnittstelle bilden, zu Modaltor / und die Nodaltore 3 und 4, die die zweite differentielle Schnittstelle bilden, zu Modaltor II zusammengefasst. Außerdem wird dem Fehlernetzwerk eine derartige Symmetrie bzgl. der nodalen Eigenschaften von Tor 1 zu 2 und 3 zu 4 unterstellt, dass eine Intermodalverkopplung innerhalb der modalen Fehlernetzwerke vernachlässigbar ist. In der Praxis wird dies durch eine vorkalibrierte Ebene zum Anschluss der Messadaptierung und deren symmetrischen Aufbau gewährleistet. In
Im Folgenden wird das Kalibrierverfahren erläutert:
Die Wellengrößen von 3 in ihrer modalen Darstellungam Messobjekt DUT 14 werden zu Wellen-Vektoren zusammengefasst.
- The wave sizes of
3 in their modal representation on thetest object DUT 14 are combined to form wave vectors.
Hinlaufende Wellen:
Rücklaufende Wellen:
Entsprechend definiert sich die modale 4×4-Streumatrix SMM eines Messobjekts wie folgt:
Diese Streumatrix lässt sich wiederum in 2×2-Einzelmatrizen aufspalten, die das Intra- (Sdd, Scc) und Intermoden-(Scd, Sdc) Verhalten des Messobjekts beschreiben:
Die 4×4-Modenkonversionsmatrix des Messobjekts TMM wird als
Die zwei in
Unter Beibehaltung der modalen Beschreibung und zusammengefasst zu einem Gesamtgleichungssystem mit einem Gesamt-Fehlernetzwerk (beschrieben durch eine 8x8-Matrix C) wird der Zusammenhang zwischen allen Toren und allen Moden an Vorkalibrierebene 12 und Kalibrierebene 15 beschrieben:
Dabei gelte folgende Definition der gemessenen Wellengrößenvektoren:
Für eine übersichtliche Darstellung wird für die folgende Beschreibung die Matrix C entsprechend GI.(10) in die vier 4x4-Einzelmatrizen E, F, G, H zerlegt. Ausmultipliziert und unter Anwendung von GI.(5) ergibt sich damit:
Diese Gleichung beschreibt den Zusammenhang aller Wellengrößen an der Vorkalibrierebene und der Streumatrix eines Messobjektes an der Kalibrierebene für die Anregung eines Mode an einem Tor an der Vorkalibrierebene.This equation describes the relationship between all wave quantities at the pre-calibration level and the scattering matrix of a measurement object at the calibration level for the excitation of a mode at a port on the pre-calibration level.
Der Zusammenhang bei Anregung sämtlicher Moden an sämtlichen Toren wird durch das Ersetzen der gemessenen Wellengrößenvektoren (am, bm) in GI.(13) durch die gemessenen 4x4-Wellengrößenmatrizen (Am, Bm), die Messdaten sämtlicher Anregungen enthalten, erreicht:
Die Messmatrizen definieren sich dabei wie folgt (hochgestellt in Klammern kennzeichnet die jeweilige Anregung):
Mit der Definition der Teilmatrizen von C nach Gl.(10) und Verknüpfung der Wellengrößen durch die Einzel-Fehlernetzwerke nach GI.(8), (9) ergibt sich die Aufstellung der Einzel-Fehlernetzwerke in Abhängigkeit der Fehlerkoeffzienten der Einzelmatrizen von E, F, G, H wie folgt:
Sämtliche weiteren Matrixelemente von E, F, G, H betragen durch die der Messadaptierung zugesprochenen Modenentkopplung Null.All other matrix elements of E, F, G, H are zero due to the mode decoupling assigned to the measurement adaptation.
Durch die Modifikation bekannter Selbstkalibrierverfahren für das 15-Term-Fehlermodell (z.B. ein nodales TMRG-Kalibrierverfahren, wie es in der Veröffentlichung [A. Gronefeld und B. Schiek: „Network-analyzer self-calibration with four or five Standards fort he 15-term error model“, 1997, IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, S. 1655-1658] beschrieben ist, oder ein nodales LRM-Kalibrierverfahren, wie es in der Veröffentlichung [K. Silvonen: „LMR 16-a self-calibration procedure for a leaky netwrk analyzer“, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 45.7 (1997), S. 1041-1049] beschrieben ist), können zunächst jeweils 15 der 16 Fehlerterme der beiden Fehlermatrizen (CI-II,dd, CI-II,cc) bestimmt werden. Die jeweiligen nodalen Kalibrierverfahren sind dafür auf modale Wellengrößen, modale Fehlernetzwerke sowie modale Kalibrierstandards anzupassen (Doppelt-Nodal-TMRG), wie es im Folgenden noch im Detail erläutert wird. Es erfolgt jeweils eine Normierung (einmal pro modalem Fehlernetzwerk). Für die Kenntnis des vollständigen Fehlernetzwerkes (C) ist folglich eine Entnormierung von einem der beiden Einzelfehlernetzwerke notwendig. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit soll die Erttnormierung in Bezug auf das Fehlernetzwerk CI-II,dd erfolgen. Demnach wird das zweite Fehlertor CI-II,cc, bis auf einen Faktor αI-II,cc bestimmt, so dass gilt:
Hier erfolgte ohne Beschränkung der Allgemeinheit die Normierung auf das Element E44.Here, the normalization to the element E 44 took place without loss of generality.
Die Bestimmung der Unbekannten αI-II,cc soll durch Einsatz eines reziproken, aber darüber hinaus unbekannten Kalibrierstandards R erfolgen. Dafür wird auf eine Unknown-Thru-Methode zurückgegriffen. Grundsätzlich basiert die Methode auf der Tatsache, dass die Determinante der Transmissionsmatrix eines beliebigen, reziproken Netzwerkes jeweils Eins ergibt und damit in einer Kaskadendarstellung als bekannt angenommen werden kann. In einem weiteren Schritt resultiert dann die unbekannte Größe zur Entnormierung mit lediglich einer Phasenmehrdeutigkeit, die bei ungefährer Kenntnis der geometrischen Länge des Netzwerkes aufgelöst werden kann.The determination of the unknowns α I-II,cc is to be carried out using a reciprocal but also unknown calibration standard R. An unknown thru method is used for this. Basically, the method is based on the fact that the determinant of the transmission matrix of any reciprocal network is always one and can therefore be assumed to be known in a cascade representation. In a further step, the unknown quantity for denormalization then results with only one phase ambiguity, which can be resolved with approximate knowledge of the geometric length of the network.
Zur Formulierung der Kaskadengleichung werden in GI.(7) die Gleichungen (8) und (9) eingesetzt:
Analog zu Gl.(13) beschreibt diese Gleichung den Zusammenhang sämtlicher Größen für eine (beliebige) Anregung eines Mode an einem Tor. Werden sämtliche Anregungen (Anregung sämtlicher Moden an sämtlichen Toren) betrachtet, können für deren Berücksichtigung alle Wellengrößen in ihrer jeweiligen Anregungsvariante spaltenweise aneinandergereiht werden:
Ein Umstellen der Gleichung bewirkt die Trennung von gemessenen Wellengrößen an der Vorkalibrierebene und der Kaskade von Fehlernetzwerken und Messobjekt:
Nach Zusammenfassung der linken Seite zur einer Messmatrix
Nun soll die Determinante von Gl.(24) berechnet werden, so dass auf der rechten Seite der Gleichung das Produkt der Determinanten sämtlicher Einzelmatrizen sowie der Unbekannten αI-II,cc in ihrer vierten Potenz steht. Dabei soll die Determinante der Modenkonversionsmatrix TMM ausgedrückt durch die Streuparameter (siehe Gl.(6)) des Messobjektes vorab betrachtet werden:
Dieser Ausdruck steht nicht mehr in Abhängigkeit der Reflektionskoeffizienten (Sdldl, Sclcl, ...) so dass ein nahezu beliebig angepasster Standard eingesetzt werden kann. Im Falle eines reziproken Standards gilt für die noch verbleibenden Streuparameter:
- • Sdlcl=Scldl
- • Sdllcll=Scldl
- • Sdlcll=Scldl
- • Sdllcl=Scldll
- • Sdlcl = Scldl
- • S dllcll =S cldl
- • Sdlcll = Scldl
- • S dllcl =S cldll
Die Determinante det(TMM) resultiert somit zu Eins im Falle einer reziproken Verbindung, wobei die folgende Einschränkung gilt: Das Produkt Sdlcl Sdllcll muss zum Produkt Sdlcll Sdllcl zur Vermeidung einer Singularität verschieden sein. Dafür wird ein Kalibrierstandard vorgeschlagen, der eine hohe Verkoppluna von Gleich- und Gegentaktmode an jeweils einem modalen Tor aufweist. Konkret wird dieser durch Einsatz von nicht-idealem Kurzschluss an einem nodalen Tor und nicht-idealem Leerlauf an dem verbleibenden nodalen Tor erreicht (siehe R-Standard in
Erneut wird nun die Determinante der Kaskadendarstellung nach Gl.(24) betrachtet, die aufgrund des Einsatz des reziproken Standards zu folgendem Ausdruck resultiert:
Zur gesuchten Unbekannten αI-II,cc aufgelöst ergibt sich damit folgender Ausdruck:
Aus den vier möglichen Lösungen für αI-II,cc wird die korrekte durch ungefähres Wissen des eingesetzten Standards (z.B. Phasenbeziehung beider Moden) gewählt. Der Kalibrierprozess wird schließlich unter Anwendung von GI.(19) für die Fehlernetzwerke CI-II,dd und CI-II,cc abgeschlossen. Der Einsatz dieser Kalibriermethode mit reziprokem Standard R und den daraus resultierenden geringen Anforderungen an das Kalibrierelement ist als besonders vorteilhaft und elegant zu bewerten.From the four possible solutions for α I-II,cc , the correct one is chosen based on approximate knowledge of the standard used (eg phase relationship of both modes). Finally, the calibration process is completed using Eq.(19) for the error networks C I-II,dd and C I-II,cc . The use of this calibration method with the reciprocal standard R and the resulting low demands on the calibration element can be seen as particularly advantageous and elegant.
Nun sind alle Fehlertore vollständig bekannt. Eine Systemfehlerkorrektur und damit die korrigierte Bestimmung der Streuparameter eines Messobjektes DUT 14 kann durch Umstellen von GI.(14) nach SMM erreicht werden:
Mittels dem Fachmann bekannter linearer Umformung kann aus diesem Ergebnis auch die nodale Streumatrix berechnet werden.The nodal scattering matrix can also be calculated from this result by means of linear transformation known to those skilled in the art.
Im Folgenden wird beschrieben, wie ein nodales- 15-Term Kalibrierverfahren auf den modalen Fall angewendet werden kann. Als Beispiel soll das nodale TMRG-Verfahren verwendet werden, hier als Doppelt-Nodal-TMRG-Verfahren bzw. als modales TMRG-Verfahren bezeichnet:
- Es wird ein Kalibrierverfahren benötigt, das die Selbstkalibrierung eines modalen 15-Term-Fehlermodells bei Intermodenentkopplung (vollverkoppeltes Fehlermodell für zwei Tore je Mode) mit konzentrierten Elementen leistet. Im nodalen Fall kann ein vollverkoppeltes Fehlermodell (Cn, siehe dazu
4a ,4b , jeweils links) mit zwei Messtoren mithilfe des TMRG-Verfahrens kalibriert werden. Es wird auf die oben bereits genannte Veröffentlichung von A. Gronefeld und B. Schiek verwiesen. Für das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren ist eine Übertragung auf den modalen Fall erforderlich, die im Folgenden beispielhaft aufgezeigt wird:
- A calibration method is needed that performs the self-calibration of a modal 15-term error model in intermode decoupling (fully coupled error model for two ports per mode) with lumped elements. In the nodal case, a fully coupled error model (C n , see
4a ,4b , each on the left) with two test ports using the TMRG method. Reference is made to the above publication by A. Gronefeld and B. Schiek. For the calibration method according to the invention, a transfer to the modal case is required, which is shown below as an example:
Für den Ausgangsfall des nodalen TMRG-Verfahrens zeigen
- • Tor 1: Γn,a ≈ 1 (realer, unbekannter Leerlauf), Tor 2: Γn,b ≈ 0 (realer Wellensumpf)
- • Tor 1: Γn,a ≈ 0 (realer Wellensumpf), Tor 2: Γn,b ≈ -1 (realer, unbekannter Kurzschluss)
- • Tor 1: Γn,a ≈ -1 (realer, unbekannter Kurzschluss), Tor 2: Γn,b ≈ 1 (realer, unbekannter Leerlauf)
- • Tor 1: Γn,a = 1 (realer, unbekannter Leerlauf), Tor 2: Γn,b ≈ -1 (realer, unbekannter Kurzschluss)
- • Gate 1: Γ n,a ≈ 1 (real, unknown open circuit), gate 2: Γ n,b ≈ 0 (real wave sump)
- • Gate 1: Γ n,a ≈ 0 (real wave sump), Gate 2: Γ n,b ≈ -1 (real, unknown short circuit)
- • Gate 1: Γ n,a ≈ -1 (real, unknown short circuit), gate 2: Γ n,b ≈ 1 (real, unknown open circuit)
- • Gate 1: Γ n,a = 1 (real, unknown open circuit), Gate 2: Γ n,b ≈ -1 (real, unknown short circuit)
Ferner ist eine Durchverbindung Thru beider Tore 1, 2 vorgesehen (entsprechend
Die
- • Tor dl: Γdd,a ≈ 1 (realer, unbekannter Leerlauf), Tor dll: Γdd,b ≈ 0 (realer Wellensumpf)
- • Tor dl: Γdd,a ≈ 0 (realer Wellensumpf), Tor dll: Γdd,b ≈ -1 (realer, unbekannter Kurzschluss)
- • Tor dl: Γdd,a ≈ -1 (realer, unbekannter Kurzschluss), Tor dll: Γdd,b ≈ 1 (realer, unbekannter Leerlauf)
- • Tor dl: Γdd,a ≈ 1 (realer, unbekannter Leerlauf), Tor dll: Γdd,b ≈ -1 (realer, unbekannter Kurzschluss).
- • Gate dl: Γ dd,a ≈ 1 (real, unknown open circuit), gate dll: Γ dd,b ≈ 0 (real wave sump)
- • Gate dl: Γ dd,a ≈ 0 (real wave sump), Gate dll: Γ dd,b ≈ -1 (real, unknown short circuit)
- • Gate dl: Γ dd,a ≈ -1 (real, unknown short circuit), Gate dll: Γ dd,b ≈ 1 (real, unknown open circuit)
- • Gate dl: Γ dd,a ≈ 1 (real, unknown open circuit), gate dll: Γ dd,b ≈ -1 (real, unknown short circuit).
Die Bestimmung dieser Größen gelingt durch Anschließen von Kalibrierstandards an die tatsächlich vorliegenden nodalen Messtore 1, 2, 3, 4 gemäß der in
- Für die Synthese der tatsächlichen/realen Kalibrierstandards in ihrer nodalen Realisierung wird der Ausdruck für den jeweiligen differentiellen Reflexionsfaktor gemäß dem Lehrwerk [Holger Heuermann, „Hochfrequenztechnik: Komponenten für High-Speed- und Hochfrequenzschaltungen“, Springer 2009] betrachtet. Für den Reflexionsfaktor an Tor dl gilt Γdd,a = (S11+S22)/2 = Γn,a, d.h. bei Anschluss von zwei identischen Eintor-Reflektionsstandards an die nodalen Tore 1 und 2 von
4a (rechts) wird eben jener Reflexionsfaktor am differentiellen Tor / realisiert. Analog gilt dies auch für das differentieile Tor II in Verbindung mitden nodalen Messtoren 3 und 4, da Γdd,b ≈ (S33+S44)/2 = Γn,b gilt.
- For the synthesis of the actual/real calibration standards in their nodal realization, the expression for the respective differential reflection factor according to the textbook [Holger Heuermann, "High-frequency technology: components for high-speed and high-frequency circuits", Springer 2009] is considered. The reflection factor at port dl is Γ dd,a = (S 11 +S 22 )/2 = Γ n,a , ie when two identical one-port reflection standards are connected to the
1 and 2 ofnodal ports 4a (right) this reflection factor is realized at the differential port /. This also applies analogously to the differential port II in connection with the 3 and 4, since Γ dd,b ≈ (S 33 +S 44 )/2 = Γ n,b applies.nodal test ports
Außerdem muss eine Durchverbindung zwischen den differentiellen Toren dl und dll gemäß
Als direkte Folgerung resultieren die nodalen Viertor-Kalibrierstandards nach
Eingesetzt werden als Kalibrierstandards also ein nicht-idealer Kurzschluss („Short“) und ein nicht-idealer Leerlauf („Open“). Als Impedanzstandard dient ein Wellensumpf („Match“). Die Durchverbindung („Thru“) besitzt eine bekannte räumliche Ausdehnung. Neuartig ist dabei die Anwendung einer doppelten TMRG-Kalibrierung je Adapter mit vier nodalen bzw. zwei modalen Toren. Zu diesem Zweck werden die vorgeschlagenen nodalen Kalibrierstandards Thru, Short-Open (SO), Match-Open (MO), Open-Short (OS) und Short-Match (SM) doppelt aufgebaut, so dass der jeweilige Zweitor-Kalibrierstandard nun modal betrachtet an jedem der beiden Moden-Fehlernetzwerke erscheint.A non-ideal short circuit ("Short") and a non-ideal open circuit ("Open") are used as calibration standards. A wave sump (“match”) serves as an impedance standard. The thru has a known spatial extent. What is new is the use of a double TMRG calibration per adapter with four nodal or two modal gates. For this purpose, the proposed nodal calibration standards Thru, Short-Open (SO), Match-Open (MO), Open-Short (OS) and Short-Match (SM) are duplicated so that the respective two-port calibration standard is now considered modal appears on each of the two mode error networks.
Der in
Die vorgestellte Modifikation des Kalibrierverfahrens zur Bestimmung der Fehlerkoeffizienten eines modalen Fehlermodells sowie die zugehörigen Viertor-Kalibrierstandards sind als besonders vorteilhaft und neuartig zu bewerten.The presented modification of the calibration method for determining the error coefficients of a modal error model and the associated four-port calibration standards are particularly advantageous and new.
Ablauf der Kalibrierung:Calibration procedure:
Vorausgesetzt wird ein vorkalibrierter Netzwerkanalysator 20 und ab der gegebenen Vorkalibrierebene 12 ein vorliegendes Fehlernetzwerk 13 mit denen oben beschriebenen Symmetrie-Eigenschaften, das bei modaler Repräsentation wiederum eine Intermodalentkopplung sämtlicher Messtore erreicht. An den jeweiligen Messadaptern 10 darf weiterhin eine Intramoden-Verkopplung existieren. Sämtliche Messungen und nachfolgende Berechnungen können auf Basis von nodalen oder modalen Messungen erfolgen. Unter Voraussetzung von Linearität erfolgt bei den nodalen Messungen eine nachträgliche Berechnung der modalen Messwerte.A
Der eigentliche Ablauf des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens kann wie folgt zusammengefasst werden:
- 1. Anwendung der oben erläuterten doppelten TMRG-Kalibrierung bei modaler Betrachtung oder eines anderen 15-Term-Kalibrierverfahrens
auf den Messadapter 10 liefert die Fehlerterme der Fehlermatrizen CI-II,dd sowie C̃I-II,cc - 2. Einsatz des Reziprok-Standards R mit hoher Modenkonversion an
dem Messadapter 10 liefert den Wert des Multiplikationsfaktors αI-II,cc; dadurch Entnormierung von C̃I-II,cc zu CI-II,cc
- 1. Application of the double TMRG calibration explained above with modal consideration or another 15-term calibration method to the measuring
adapter 10 supplies the error terms of the error matrices C I-II , dd and C - I-II,cc - 2. Use of the reciprocal standard R with high mode conversion at the measuring
adapter 10 supplies the value of the multiplication factor α I-II , cc ; thereby denormalization of C̃ I-II,cc to C I-II,cc
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung können wie folgt zusammengefasst werden:
- Das dargelegte Kalibrierverfahren und die dadurch mögliche Systemfehlerkorrektur leisten die Bestimmung der vollständigen modalen Streumatrix eines elektrischen Bauteils
DUT 10 mit zwei differentiellen Schnittstellen (4 Toren) wie etwa eines HSD-Steckverbinders oder eines HSD-Kabels mit zwei differentiellen Aderpaaren. Zu diesem Zweck wird der Einfluss einer Messadaptierung zwischen den Koaxial-Schnittstellen eines Netzwerkanalysators und den doppelt differentiellen Schnittstellen des Messadapters rechnerisch kompensiert. Das Verfahren ist mit einer beliebigen Anzahl von Messadaptern (mit jeweils vier Messtoren) anwendbar. Begründet durch das eingesetzte Selbstkalibrierprinzip werden nur geringe Ansprüche an die zu verwendenden Kalibrierstandards gestellt. Für die korrekte Funktion sollen folgende Bedingungen erfüllt sein: - • Die Vorkalibrierung des Netzwerkanalysators 20 an den Koaxial-Schnittstellen (Vorkalibrierebene 12) muss ausreichend gut sein, so dass die Symmetrie der Messadapter ausgenutzt werden kann. Abweichungen führen zu einer reduzierten Messdynamik.
- •
Die Messadapter 10 sollen nur eine geringe bzw. keine Modenkonversion aufweisen, da diese innerhalb des Fehlernetzwerks nicht abgebildet wird. Abweichungen führen zu einer reduzierten Messdynamik (in etwa auf Niveau der Modenkonversion des Messadapters) in Bezug auf die Modenkonversions-Streuparameter. Der Einfluss dieser Modellabweichung auf weitere Streuparameter ist als gering zu bewerten. - • Die für die Viertor-Kalibrierstandards eingesetzten nodalen Reflektionselemente (realer Kurzschluss, realer Leerlauf, Impedanzstandard) sollen sich auf allen Viertor-Standards identisch verhalten. Abweichungen führen zu einer reduzierten Messdynamik und zu Messfehlern in Bezug auf alle Streuparameter. Dies gilt nicht für den Reziprok-Standard.
- • Die Durchverbindung Thru soll elektrisch bekannt sein (Länge und Dämpfung). Die unzutreffende Annahme einer idealen Verbindung führt zur geringfügigen Verschiebung der Referenzebene und zu Messfehlern in Bezug auf sämtliche Transmissions-Streuparameter.
- The calibration method presented and the system error correction made possible thereby provide the determination of the complete modal scattering matrix of an
electrical component DUT 10 with two differential interfaces (4 ports) such as an HSD connector or a HSD cable with two differential pairs of wires. For this purpose, the influence of a measurement adaptation between the coaxial interfaces of a network analyzer and the double differential interfaces of the measurement adapter is compensated by calculation. The method can be used with any number of test adapters (each with four test ports). Due to the self-calibration principle used, only low demands are placed on the calibration standards to be used. For correct function, the following conditions should be met: - • The pre-calibration of the
network analyzer 20 at the coaxial interfaces (pre-calibration level 12) must be sufficiently good so that the symmetry of the measuring adapter can be used. Deviations lead to reduced measurement dynamics. - • The measuring
adapters 10 should have only little or no mode conversion, since this is not mapped within the error network. Deviations lead to reduced measurement dynamics (roughly on the level of the mode conversion of the measurement adapter) in relation to the mode conversion scattering parameters. The influence of this model deviation on other scattering parameters can be rated as low. - • The nodal reflection elements used for the four-port calibration standards (real short circuit, real open circuit, impedance standard) should behave identically on all four-port standards. Deviations lead to reduced measurement dynamics and measurement errors in relation to all scattering parameters. This does not apply to the reciprocal standard.
- • The through connection Thru should be known electrically (length and attenuation). The incorrect assumption of an ideal connection leads to the slight displacement of the reference plane and to measurement errors with regard to all transmission scattering parameters.
Im Folgenden soll kurz zusammengefasst werden, wie das oben für den Einadapterfall erläuterte Kalibrierverfahren auf zwei Messadapter erweitert werden kann. Eine entsprechende Erweiterung auf mehr als zwei Messadapter ist analog möglich:
- Von besonderem technischem Interesse ist die Verwendung
von zwei Messadaptern 10, 10' mit jeweils zwei differentiellen Schnittstellen (also insgesamt acht Messtoren 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 mit den beiden differentiellen Schnittstellen 1/2, 3/4 des ersten Messadapters 10 und den beiden differentiellen Schnittstellen 5/6, 7/8 des zweiten Messadapters 10'). Auf diese Weise können Messobjekte mit zwei doppeltdifferentiellen Schnittstellen (z.B. Messung des Übertragungsverhaltens eines vieradrigen Kabels, siehe6 ) charakterisiert werden.
- Of particular technical interest is the use of two measuring
adapters 10, 10', each with two differential interfaces (i.e. a total of eight 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 with the twotest ports differential interfaces 1/2, 3/ 4 of the first measuringadapter 10 and the twodifferential interfaces 5/6, 7/8 of the second measuring adapter 10'). In this way, measurement objects with two double diffe profitable interfaces (e.g. measurement of the transmission behavior of a four-wire cable, see6 ) are characterized.
Wie in
Mit einem zu dem oben beschriebenen Einadapterfall analogen Vorgehen kann auch für das Fehlermodell für zwei Messadapter ein modales Fehlermodell unter erneuter Voraussetzung von Symmetrie innerhalb der Einzeladapter erreicht werden. Es resultiert das Fehlermodell nach
Das Vorgehen für den Zwei-Messadapter-Fall wird an dieser Stelle lediglich skizziert, da die notwendigen Grundlagen und die mathematischen Methoden bereits vom Ein-Adapter-Fall bekannt sind. Es wird erneut die Verwendung von konzentrierten Kalibrierelementen bei Einsatz von Selbstkalibriermethoden adressiert. Konkret werden beide Adapter separat mit dem oben beschriebenen Kalibrierverfahren kalibriert (Modal-TMRG und Reziprok-Standard). Dabei kommt jeweils der Satz an Kalibrierstandards nach
- 1. Unter Beibehaltung der Moden Gleich- und Gegentakt werden analog zu Gl.(5) sämtliche Wellengrößen definiert, die schließlich die Formulierung einer modalen 8x8-Streumatrix des Messobjekts mit acht Toren zulassen.
- 2. Der Zusammenhang zwischen Wellengrößen an Vorkalibrierebene und Kalibrierebene wird an dem zweiten Messadapter 10' mit den Modaltoren III und IV analog zu Gl.(8),(9) mit Fehlerviertoren verknüpft, die durch die 8x8-Matrizen CIII-IV,dd und CIII-IV,cc beschrieben werden. Es gilt folglich auch ein Gesamt-Fehlernetzwerk entsprechend Gl.(10), wobei die beschreibende Matrix C nun die Größe 16x16 besitzt. Es erfolgt die Zerlegung in die vier 8x8-Einzelmatrizen E, F, G, H, die bei Betrachtung sämtlicher Anregungen und Verwendung von 8x8-Wellengrößenmatrizen analog zu Gl.(14) den Zusammenhang zwischen Streumatrix des Messobjekts, der Messdaten und den Fehlernetzwerken herstellt.
- 3. Ein Koeffizientenvergleich ermöglicht analog zu Gl.(17),(18) das Aufstellen der Fehlernetzwerke CI-II,dd, CI-II,cc, CIII-IV,dd und CIII-IV,cc in Abhängigkeit von Elementen der Einzelmatrizen E, F, G, H. 64 der insgesamt 256 Elemente von C sind dabei von Null verschieden.
- 4. Von den Fehlernetzwerken CI-II,dd, CI-II,cc, CIII-IV,dd und CIII-IV,cc werden mit dem oben beschriebenen Modal-TMRG-Selbstkalibrierverfahren oder einem anderen 15-Term-
Kalibrierverfahren jeweils 15 der 16 Fehlerterme bestimmt, d.h. es finden vier Normierungen statt, wobei jedoch nur eine Normierung zulässig ist. Entsprechend müssen die drei zugehörigen Entnormierungsfaktoren αI-II,cc, αIII-IV,dd, αIII-IV,cc bestimmt werden (ohne Beschränkung der Allgemeinheit wurde dabei vorausgesetzt, dass das normierte Element in CI-II,dd enthalten ist) und eine Entnormierung der Fehlernetzwerke CI-II,cc, CIII-IV,dd und CIII-IV,cc erfolgen. - 5. Die Vorgehensweise zur Bestimmung von αI-II,cc unter Verwendung eines reziproken Standards R sowie dessen Realisierung ist oben bereits beschrieben. Für den hier betrachteten Fall
mit zwei Messadaptern 10, 10' folgt die Bestimmung von αIII-IV,dd, bei der ebenfalls ein reziproker aber sonst unbekannter Standard R2 zum Einsatz kommen soll. Vorgeschlagen wird eine Kabelverbindung (vieradrig) zwischen beiden Messadaptern 10, 10' mit beliebiger Länge, Leitungsimpedanz und Einfügedämpfung. Die Determinante der Kaskade von CI-II,dd, reziproker Verbindung R2 und CIII-IV,dd liefert schließlich nach Umformung und Auswahl von einer von vier möglichen Lösungen αIII-IV,dd. Die korrekte Lösung wird durch Kenntnis der ungefähren Länge der Leitung gewählt. Die Bestimmung von αIII-IV,cc unter Verwendung des reziproken Modenkonverters R erfolgt dann analog dem oben beschriebenen Verfahren an dem zweiten Messadapter 10'.
- 1. Keeping the modes common and differential mode, all wave quantities are defined in analogy to equation (5), which finally allow the formulation of a modal 8x8 scattering matrix of the test object with eight ports.
- 2. The relationship between wave sizes at the pre-calibration level and the calibration level is linked to the second measuring adapter 10' with the modal gates III and IV analogous to Eq and C III-IV,cc . Consequently, a total error network corresponding to Eq. (10) also applies, with the descriptive matrix C now having the size 16x16. It is broken down into the four 8x8 individual matrices E, F, G, H, which, when considering all excitations and using 8x8 wave size matrices analogous to Eq. (14), establishes the connection between the scattering matrix of the measurement object, the measurement data and the error networks.
- 3. A coefficient comparison allows analogous to equations (17),(18) to set up the error networks C I-II , dd , C I-II , cc , C III - IV , dd and C III-IV,cc as a function of Elements of the individual matrices E, F, G, H. 64 of the 256 elements of C are different from zero.
- 4. From the error networks C I-II,dd , C I-II,cc , C III-IV,dd and C III-IV,cc are measured using the modal TMRG self-calibration method described above or another 15-
term calibration method 15 of the 16 error terms are determined in each case, ie four normalizations take place, but only one normalization is permissible. Accordingly, the three associated denormalization factors α I-II,cc , α III-IV,dd , α III-IV,cc must be determined (without loss of generality, it was assumed that the normalized element is contained in C I-II,dd ) and a denormalization of the error networks C I-II,cc , C III-IV,dd and C III-IV,cc take place. - 5. The procedure for determining α I-II,cc using a reciprocal standard R and its implementation has already been described above. For the case considered here with two measuring
adapters 10, 10', α III-IV,dd is determined, in which a reciprocal but otherwise unknown standard R 2 is also to be used. A cable connection (four-wire) between the two measuringadapters 10, 10' with any length, line impedance and insertion loss is proposed. The determinant of the cascade of C I-II,dd , reciprocal connection R 2 and C III-IV,dd finally gives α III-IV,dd after transformation and selection of one of four possible solutions. The correct solution is chosen by knowing the approximate length of the line. The determination of α III-IV,cc using the reciprocal mode converter R then takes place analogously to the method described above on the second measuring adapter 10'.
Die Bestimmung der Koeffizienten αI-II,cc, αIII-IV,cc, αIII-IV,dd, ist ebenso in einer anderen Reihenfolge möglich. Insbesondere ist das normierte Element nicht notwendigerweise in CI-II,dd enthalten. Wichtig ist lediglich, dass die vier Fehlermatrizen bis auf eine einzige Normierung bzw. eine einzige Unbekannte bestimmt werden, so dass die Relativverhältnisse dazwischen bestimmt sind.It is also possible to determine the coefficients α I-II,cc , α III-IV,cc , α III-IV,dd in a different order. In particular, the normalized element is not necessarily included in C I-II,dd . It is only important that the four error matrices are determined except for a single normalization or a single unknown, so that the relative relationships between them are determined.
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