网络分析仪的系统误差模型 网络分析仪的TSOM和USOM校准
在讲校准之前，先介绍一下网络分析仪的“系统误差模型”。如果你去看各种论文或书籍，都喜欢给你下面这张图，然后列一大堆公式，先把你搞晕，这个是传统的10项误差模型。也有文献叫12项误差模型，包含了2个isolation误差项，但是现代网分基本做得很好了，这个项可以忽略，故大部分都讲10项误差模型。
我们这是碎片时间阅读材料，就不讲这些复杂的方程组了！
我们就来看看下图的简化结构和误差模型吧，我们以测s21为例，实际测的是b2和a1的功率比b2-a1（为了方便，这里功率统一采用对数单位dbm），但是在图中可以看到，b2和a1是不能直接测到的，必须通过功分器在1端口的参考接收机通道测出a1’，然后在2端口的测量接收机通道测出b2’，因此（b2’-a1’）和（b2-a1）之间的差值，我们就定义为系统误差。
所谓校准，就是测量一组已知器件（即校准件或称标准件），根据仪器接收机实际测试的结果和已知校准件的特性比较，联列方程组，解出上述的误差项eij，从而为后续的测量提供修正。
这里需要对校准件做进一步说明，在同轴系统中，校准件通常是开路、短路、匹配和直通，但是由于现实中无法实现理想的开路、短路、匹配和直通，因此需要正确的标定校准件的“特征数据(characteristicdata)”，例如开路应该表征为一个寄生电容和一段传输线；短路表征为寄生电感和一段传输线，匹配一般表征为一个理想50欧姆，现代网络分析仪也可以对匹配的不理想性进行表征。如下图所示。
一般在校准件的附带的存储设备里面，都以文件形式定义，现在高端的校准件一般都会配备一个优盘，里面存着这套校准件的特征数据（一般每套校准件都有自己的***），严格讲每套校准件要和自己配套的特征数据配合使用。对于低频的同轴校准件，其差异性不是很大，所以大部分商用网络分析仪都内置了常见型号的校准件“特征数据”的典型值（typical）。
对于直通校准件，必须精确的表征（或者说“告诉”网络分析仪）其插损和电长度，严格来讲还需要知道其s11和s22，但是目前网络分析的模型都是把直通当一个理想50欧姆的有损传输线来处理的。
现代网络分析仪普遍采用了2n接收机架构，例如2端口网络分析仪的接收机数目为4，即每个端口都有自己的参考接收机和测量接收机，因此共有7个独立的误差项（即7个未知数），这样就不需要预先知道thru校准件的参数了，只要保证thru校准件互易（reciprocal），只需列7个方程就能把校准完成。并且同时可以精确的测试出thru校准件的插损和电长度。
基本上所有网络分析仪都支持传统的tosm（有些厂商叫作solt-short open loadthrough），使用这种方法的前提是----必须正确的定义through的特征特征参数，就是说校准件的参数文件中必须包含through的参数，而且必须要使用这个特定的through，不能用别的through或者转接头代替。
tosm校准之后，直接测量through的结果就是校准件模型中对应的“特征数据”（即优盘里存储的数据），有一定的插损和相位。这一点是需要注意的，很多使用者一直有一个认识的误区，认为这时候的插损应该是0，相位也是0，这是不正确的。
对于uosm校准，校准后直接测量through校准件，这时网络分析仪就把through直接当成一个被测件来处理，测到的插损和相位就是这个校准件实际的特性。
值得一提的是，uosm校准非常适合两端为不同接头类型的器件的测试。例如一个被测件的输入是n型接头，输出是sma接头。在测试这种器件时，可以在网分的一端使用n型电缆，另一端使用sma型电缆，校准的时候，可以在n型接头这边使用n型的open、short、match校准件校准，在sma型接头这边使用sma的open、short、match校准件。在校准through的时候，使用任意一个质量较好的n-sma转接头即可，校准完之后，参考面就是电缆的n型接头和sma型接头的末端。因此uosm校准方法也可以用于测试一些接头适配器和射频电缆。
另外uosm还有一个优点，假设两个人，分别用不同的thru（不一定要是校准件级别的，只要是正常的转接头即可）去校准，当然open、short、match是一样的，最终的校准结果是一致的，因为根本不需要“告诉”仪器thur的特征参数，thru可以是任何互易的转接头。
首先这里要强调，用校准件去验证，实际测试的结果不是“理想”参数，而是校准件“特征数据”。
因此直接测试open，并不是在史密斯圆图最右端开路位置的一圈点，而是一个沿等驻波比圆，向源（generator）方向的一条曲线。这是因为如图3中的开路校准件实际上是一个寄生电容串联一段有损传输线，对于不同频率传输线引起的相移（包括损耗）是不一样的，因此聚在一起的数百个扫频点，每个点的频率是不一样的，相移各不相同，就显示成一个曲线了，如果看s11的相位，也不是0度，原因同上。
同理如果测试short校准件的s11，看到的也是在史密斯圆图左端短路点附近，沿等驻波比圆，向源（generator）方向的一条线，曲线的长度和扫频范围有关。
至于match，由于目前的网络分析仪一般把它当作理想50欧姆匹配来处理的。所以校准完再次接上match校准件，其反射系数非常低，一般能达到-60db左右，这个值可以理解为“有效系统数据”即补偿后的剩余误差。值得注意的是，对于match会有一个特殊的所谓“记忆（re-recognition）”现象，也就是说用某套校准件校准，如果还是测刚刚校准用的那个match，反射系数可以到-60db左右，如果换任何其他一套校准件中的match，都不可能达到-60db，一般只能达到-30db左右。这主要是因为，低频段的网络分析仪都把match当作理想50欧姆，校准算法仅仅根据当前测试的这个match的结果来补偿，而实际上每个match的物理特性都是略有差别的，因此换上另外的match就不可能达到-60db左右的反射系数。当然理想的50欧姆也是不可能实现的，这也是影响测量不确定度的一个因素，目前商用网络分析仪在测试反射系数，特别是反射系数特别小的器件的时候（-25db到-35db），不确定度一般都能达到2-3db。
因此有必要再次强调，任何匹配校准件真实的s11（反射系数）达不到－60db，一般只有-30到-40db左右。在校准时，系统将它当作理想的匹配，就得到了－60db这样低的结果。
现代网络分析仪也支持用s参数包来定义校准件，如果采用s参数包文件定义，校准后再测量open，short和match，测量的结果就和s参数定义包里面的数据完全一样。特别指出这时候在用刚刚校准用的match校准件接上去，一般也就是-30db左右（和定义match的s参数包文件一模一样），不再会出现-60db的“记忆效应”现象。值得注意的是，目前的商用校准件通常只是对open、short、match使用s参数包，对through还是使用有损传输线的模型。这主要是由于传输线模型已经能比较精确的描述其特性了，由于through是2端口器件，必须是有s2p文件，而如果用了s2p文件，文件的参数必须和校准件的连接的方向有关，而实际中也不方便规定校准的时候through的连接方向。
tosm校准完之后，through校准件不拿掉，直接测试s11或s22，此时测得的是有效负载匹配（可以当做接近理想50欧姆）串联一段有损传输线的结果，如下图所示，是在史密斯原图中心匹配点附近的一个小圆圈，随着频率的变化呈现一定的复数阻抗特性，逐步偏离50欧姆原点。由于through校准件是当作理想50欧姆的有损传输线来处理的，没有考虑through本身的s11反射，这个值换算成反射系数用db表示仍然很小，一般网络分析仪在8ghz以下，仍然有-50db左右。
当然，如果校准件采用的s参数包文件，这时候的试s11或s22一般也只能到-30db左右。
tosm校准在测量直通时，仍然要测试s11和s22，并对其补偿，因此校准之后，对当前使用的这个through校准件也有所谓“记忆（re-recognition）”现象，此时换成另外任何一个through之后，都不可能达到-50db的回波损耗的，甚至仅仅把当前这个through换一个方向连接，也达不到-50db这个量级。
但是usom对through的s11和s22没有做测量和补偿，through甚至是未知的，更没有把它描述为一个理想有损传输线，因此就没有所谓的“记忆（re-recognition）”现象。校准完之后，直接测试through，其s11和s22就是这个through本身的端口反射系数，一般在-30db以下。但是这才是合理的，tosm校准后的结果实际上是“记忆（re-recognition）”效应的结果，是过于理想化的仪器的剩余误差，不能反映校准件和系统的真实特性。
虽然uosm校准之后，直接测试校准件的结果没有tosm那么理想，但是uosm才是更精确的校准方法，其结果更能真实的反映校准件的特性。
总而言之就是：uosm校准以及s参数包定义的校准件模式，校准后直接用校准件验证的结果更接近真实情况，但是结果不是那么好看。
tosm校准(并且在没有正确定义thru的情况下)以及理想的match校准件定义模式下，直接用校准件验证的结果过于理想，但是很讨人喜欢，具有一定迷惑性！
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一般在校准件的附带的存储设备里面，都以文件形式定义，现在高端的校准件一般都会配备一个优盘，里面存着这套校准件的特征数据（一般每套校准件都有自己的***），严格讲每套校准件要和自己配套的特征数据配合使用。对于低频的同轴校准件，其差异性不是很大，所以大部分商用网络分析仪都内置了常见型号的校准件“特征数据”的典型值（typical）。
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tosm校准之后，直接测量through的结果就是校准件模型中对应的“特征数据”（即优盘里存储的数据），有一定的插损和相位。这一点是需要注意的，很多使用者一直有一个认识的误区，认为这时候的插损应该是0，相位也是0，这是不正确的。
对于uosm校准，校准后直接测量through校准件，这时网络分析仪就把through直接当成一个被测件来处理，测到的插损和相位就是这个校准件实际的特性。
值得一提的是，uosm校准非常适合两端为不同接头类型的器件的测试。例如一个被测件的输入是n型接头，输出是sma接头。在测试这种器件时，可以在网分的一端使用n型电缆，另一端使用sma型电缆，校准的时候，可以在n型接头这边使用n型的open、short、match校准件校准，在sma型接头这边使用sma的open、short、match校准件。在校准through的时候，使用任意一个质量较好的n-sma转接头即可，校准完之后，参考面就是电缆的n型接头和sma型接头的末端。因此uosm校准方法也可以用于测试一些接头适配器和射频电缆。
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至于match，由于目前的网络分析仪一般把它当作理想50欧姆匹配来处理的。所以校准完再次接上match校准件，其反射系数非常低，一般能达到-60db左右，这个值可以理解为“有效系统数据”即补偿后的剩余误差。值得注意的是，对于match会有一个特殊的所谓“记忆（re-recognition）”现象，也就是说用某套校准件校准，如果还是测刚刚校准用的那个match，反射系数可以到-60db左右，如果换任何其他一套校准件中的match，都不可能达到-60db，一般只能达到-30db左右。这主要是因为，低频段的网络分析仪都把match当作理想50欧姆，校准算法仅仅根据当前测试的这个match的结果来补偿，而实际上每个match的物理特性都是略有差别的，因此换上另外的match就不可能达到-60db左右的反射系数。当然理想的50欧姆也是不可能实现的，这也是影响测量不确定度的一个因素，目前商用网络分析仪在测试反射系数，特别是反射系数特别小的器件的时候（-25db到-35db），不确定度一般都能达到2-3db。
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tosm校准完之后，through校准件不拿掉，直接测试s11或s22，此时测得的是有效负载匹配（可以当做接近理想50欧姆）串联一段有损传输线的结果，如下图所示，是在史密斯原图中心匹配点附近的一个小圆圈，随着频率的变化呈现一定的复数阻抗特性，逐步偏离50欧姆原点。由于through校准件是当作理想50欧姆的有损传输线来处理的，没有考虑through本身的s11反射，这个值换算成反射系数用db表示仍然很小，一般网络分析仪在8ghz以下，仍然有-50db左右。
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虽然uosm校准之后，直接测试校准件的结果没有tosm那么理想，但是uosm才是更精确的校准方法，其结果更能真实的反映校准件的特性。
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