【超干貨分享】您可能不了解的網(wǎng)分校準件校準——下

很多非專業(yè)的客戶把網(wǎng)分校準件視作網(wǎng)分的附件，因此認為校準件不需要定期計量校準，也不重視校準件的日常操作，這給射頻阻抗測試的精度帶來了極大的風險。

口說無憑，讓我們看看實際數(shù)據(jù)。同樣在是德科技支持門戶網(wǎng)站上找到一份是德科技自有設(shè)備的校準報告，這份報告的被測件是個N4691D電子校準件（300 kHz to 26.5 GHz, 3.5 mm, 2-port）。剛收到的時候端口A反射超差，不符合技術(shù)指標。

具體來說2GHz以上的幾個頻段都超差，而且呈現(xiàn)典型的，頻率越高超差越大的現(xiàn)象，這很有可能是由于幾何尺寸改變導(dǎo)致的。因為根據(jù)同軸傳輸線的模型，我們可以把特性阻抗描述為關(guān)于同軸線外導(dǎo)體內(nèi)徑a、內(nèi)導(dǎo)體外徑b的函數(shù)：

看起來特性阻抗函數(shù)中只有頻率（ω=2πf）是變量，理想中的連接器或許是這樣。但是實際使用中，外導(dǎo)體內(nèi)徑a、內(nèi)導(dǎo)體外徑b會伴隨端口磨損、磕碰等物理形變而改變，甚至溫度變化導(dǎo)致的熱脹冷縮也會引起特性阻抗的變化。頻率越高，這種變化越明顯。對于Sub 6GHz或者N型電纜，可能磕碰帶來的阻抗影響幾乎不可見。但是到了毫米波頻段，對于2.4mm、1.85mm、1.0mm的連接器或電纜，影響就很大了。

回到這份校準報告，讓我們分析一下端口A反射超差，具體帶來怎樣的測試風險。

我們分別取低頻2~10GHz 頻段和高頻20~26.5GHz頻段來對比。每個頻段我們挑選反射系數(shù)為0.001、0.01和0.1這三個測試點，評估一下超差給不確定度帶來的影響。下面圖表的內(nèi)容截取自校準報告中的實測數(shù)據(jù) (完整的報告樣本可以在文末下載) ：

Frequency Band: 2GHz — 10 GHz

Frequency Band: 20GHz — 26.5 GHz

關(guān)于測試項目以及橫軸、縱軸分別的意義，我們在第4章已經(jīng)解釋過了，這個形式的圖經(jīng)常用于描述網(wǎng)分在反射方面的精度。下面解釋一下為什么選這三個點。0.001是一個極小的反射系數(shù)，對應(yīng)60dB的回波損耗，可以視為完成校準后，用理想負載“堵端口”驗證的情況。當然事實上這樣的理想寬帶負載在現(xiàn)實中幾乎不存在，是德科技 85052C TRL校準件空氣線的反射系數(shù)也僅能做到56dB。0.01、0.1分別對應(yīng)40dB、20dB的回波損耗，前者和我們?nèi)粘Ｊ褂玫男始撦d大致相當，后者則類似于做某些器件的負載匹配時的實際工況。

首先讓我們觀察一下電子校準件在2~10GHz頻段，這三個點反射系數(shù)的技術(shù)指標。證書報告中給出的最大允許偏差最大值分別為3.985m、4.016m和4.366m。接下來我們結(jié)合0.001，0.01，0.1這三個“被測點”，換算為更為熟悉回波損耗(dB)。注意反射系數(shù)不會為負數(shù)，因此測試點0.001的誤差范圍不能粗暴的使用0.001±0.003985，而應(yīng)修正為（0，0.001+0.003985），折算到對數(shù)格式就是（-∞，-46.05dB）。具體如【表3】所示：

按照同樣的方法評估一下這三個點的在高頻（20~26.5GHz）時的指標，【表4】：

以反射系數(shù)等于0.001的情況為例：表3中已經(jīng)計算過2~10GHz時回波損耗指標范圍為 -∞~-46.05dB；而在高頻20~26.5GHz，反射系數(shù)指標是±6.315m，換算為dB格式為-∞~-42.72dB【表4】。也就是說，在測試反射系數(shù)為0.001的負載時，回波損耗在2~10GHz時大約為<-46dB，20~26.5GHz時大約為<-42dB。

下面我們結(jié)合N4691D的方向性指標，來更好地解讀以上信息。近似地來看，在測量反射系數(shù)較小的被測件時（即理想負載，例如Г=0.001，S11近似為0），一端口反射主要體現(xiàn)的是校準件的不理想性，即方向性指標。N4691D在這兩個頻段的方向性分別為46dB和41dB。也就是說，一個符合技術(shù)指標的N4691D完成全兩端口校準后，我們用理想負載檢驗結(jié)果，理應(yīng)看到這兩個頻段的反射分別小于-46dB和-41dB。

由于反射系數(shù)這么低的理想負載并不存在，因此在實驗室驗證校準結(jié)果時遇到的情況并不會如此理想。（您如果有機械校準件的話，不妨查看一下配套的負載在不同頻段的回波損耗）。假設(shè)用一個回波損耗為-40dB的“較理想”的負載驗證，驗證結(jié)果應(yīng)該-40dB上下。具體說來，根據(jù)【表3】數(shù)據(jù)2~10GHz時結(jié)果在-44.46dB和-37.07dB之間，20~26.5GHz時在 -48.80dB和-35.72dB之間【表4】?，F(xiàn)在是不是明白為什么網(wǎng)上說的”驗證校準要堵負載然后小于-40dB“是怎么來的了?其實全頻段回波損耗都小于-40dB并不是很容易的事情，這取決于您所使用的網(wǎng)分，校準件，校準方式，驗證負載等。

而當 校準件超差 ，這時的驗證結(jié)果就更難說明問題了。我們下面把當前超差校準件的實測誤差帶入公式，評估一下當前情況的實測結(jié)果，2~10GHz時如下【表5】所示：

20~26.5GHz時數(shù)據(jù)如【表6】所示：

同樣對于Г=0.001的理想負載，該超差校準件僅能得到2~10GHz時小于-40.72dB【表5】，和20~26.5GHz 時小于-32.16dB的結(jié)果【表6】，距離N4691D本身的方向性有較大距離。

對于Г=0.01這種“較理想”負載，由于校準件超差，因此回波損耗的范圍變得很大。尤其在高頻，最大值可能達到-29.42dB【表6】。 這會令人懷疑，到底是全兩端口校準操作過程出現(xiàn)了問題？還是網(wǎng)分出現(xiàn)了問題？又或者是用于驗證的負載出現(xiàn)了問題？

比起驗證時候的反射系數(shù)數(shù)值不準確 更為嚴重的是 ，由于校準件沒有被正確校準，指標超差，但是網(wǎng)分默認我們使用了合格的校準件，并讀取了“合格狀態(tài)的EEPROM特征參數(shù)”，這會導(dǎo)致網(wǎng)分測量后修正計算給出測試結(jié)果時產(chǎn)生偏差。于是用戶誤以為得到一個好的結(jié)果，但是 產(chǎn)品的實際性能卻差很多， 這樣的測試風險充滿了不確定性。

很多工程師可能會說，我們知道網(wǎng)分測反射系數(shù)小的時候不確定度很大，但是除了你們做儀表的人，誰沒事測那么低的反射啊。好的，那我們看看回波損耗-20dB時候的情況，這也接近某些RF器件做負載匹配時的實際工況。2~10GHz時，回波損耗指標范圍為（-20.39dB，-19.63dB） 【表3】，也就是說電子校準件引入的不確定度有±0.38 dB。由于此電子校準件超差，這一不確定度被放大到± 0.77 dB【表5】。這一情況在更高頻段惡化程度更高，20~26.5GHz時±0.60的不確定度被放大到±2.28 dB【表6】。如果在測量器件反射時有接近5dB的不確定度， 您還能安心么？

是德科技原廠的校準件校準報告除了包含設(shè)計指標的計量測試結(jié)果以外，還在功能性測試部分給出了插針深度和重復(fù)性測試結(jié)果。這份報告中插針深度超差，剛收到的時候是-0.0015mm：

結(jié)合端口A反射超差的結(jié)論，這個校準件只有靠維修更換連接器才能重新恢復(fù)精度了。維修費用接近2萬元人民幣。是的，親兄弟明算賬，是德科技內(nèi)部的維修和計量校準其實也是收費的。完成維修后這個校準件又做了計量和功能性部分的全部測試。關(guān)于插針深度的結(jié)果在校準證書后半部分：

是德科技的精密機械校準件是自帶測插針深度的量規(guī)的，但是很少看到工程師使用這個專業(yè)設(shè)備，為什么我們要吹毛求疵一樣的去檢查這個插針深度呢？很多工程師認為插針深度太短會“接觸不良”，太長可能會捅壞接頭。其實插針深度帶來的影響要嚴重得多，我們以空氣線特性阻抗的參數(shù)建模為例，觀察插針深度對傳輸反射特性的影響。

早在90年代，惠普的工程師Kenneth H. Wong曾發(fā)表論文介紹如何將同軸空氣線溯源到幾何量的方法。插針深度是建模中重要的變量之一。

下面這個動畫，就是根據(jù)測得的內(nèi)導(dǎo)體外徑、外導(dǎo)體內(nèi)徑、插針深度以及插針直徑建模這些物理參數(shù)，計算得到10cm空氣線S參數(shù)?？梢钥吹轿⑿〔遽樕疃鹊淖兓?~0.008mm）會帶來S11反射劇烈的變化。

在是德科技服務(wù)中心實際的計量校準和維修案例中，我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)超差的端口伴有插針深度超差。

所以，手頭有量規(guī)的工程師，請用好你們的高級裝備，關(guān)注校準件或連接器Data Sheets中插針深度的特征值。 沒有量規(guī)的工程師也請在日常使用中正確操作，尤其是 正確使用力矩扳手，避免連接器損壞。

最后，讓我們來探討一下如何驗證或確認全兩端口校準成功。有的工程師提出來，既然知道負載高頻性能不理想，那就不建議用俗稱“堵負載”的方法驗證，可以用連接器看直通時的反射和傳輸。也有工程師提出，直通件也沒那么理想，不如用開路器，短路器驗證單端口特性。還有的工程師提出，不妨購買校驗件來驗證校準結(jié)果。

這些建議都有其合理性。具體到實際工作中，使用者會更熟悉更了解日常使用的校準件、檢驗件以及測試場景。單純討論用哪種方法最好，“堵負載應(yīng)該小于多少dB”、“直通驗證應(yīng)該小于多少dB”等問題，有時反而會導(dǎo)致刻舟求劍的效果。還是應(yīng)該結(jié)合技術(shù)指標，找到適合當前場景的，既可行又科學的工程驗證方法。

而比這個方法更重要的是理論思考和日常使用的點點滴滴。另外，無論哪種方式的工程驗證，都不能100%發(fā)現(xiàn)網(wǎng)分或者校準件超差， 因此定期的計量校準，使用更高精度的外部設(shè)備確認儀表的精度是否滿足指標也是必要的。

是德科技位于北京和成都的服務(wù)中心符合ISO 17025質(zhì)量體系，并通過了ANAS，CNAS實驗室雙認證。對于電子校準件主流型號，可以出具具有國際互認的ANAB認可校準報告。

通過前面幾章的描述，您應(yīng)該深入了解了校準件計量校準的相關(guān)知識，成為全國為數(shù)不多的能看懂電子校準件計量報告的人。這一章我們會介紹一下報告以外的內(nèi)容——您的校準件在原廠服務(wù)中心還做了哪些“特殊服務(wù)”？

目前，是德科技全球只有幾個服務(wù)中心可以給電子校準件提供維修校準服務(wù)，其復(fù)雜程度和技術(shù)難度連很多我們的同事都會望而卻步。以最簡單的無需維修的電子校準件校準為例，標準流程如下：

如果結(jié)果理想的話，校準就結(jié)束了。兩輪測試數(shù)據(jù)分別是校準報告中As Received和As Completed的測試數(shù)據(jù)。但是實際情況往往不那么理想，這時校準工程師會嘗試清潔連接器、重新測試并刷新EEPROM等操作，也會根據(jù)結(jié)果評估是否需要維修。第四章舉的例子就是通過重寫EPROM，使卡邊的電子校準件數(shù)據(jù)回到指標范圍內(nèi)。

實際上我們遇到的更多的是涉及到維修的情況。通常來講，大部分校準件超差都是因為連接器發(fā)生物理形變造成的，維修方法是更換連接器。請注意，校準件使用的都是精密無槽連接器，F(xiàn)emale那端不是具有開槽的蓮花瓣形狀，而是一個更為精密的圓環(huán)，在顯微鏡下還能看到圓環(huán)內(nèi)部有6個內(nèi)芯（Finger）。以下是好的連接器和有故障連接器在顯微鏡下的照片。

請注意上圖右側(cè)的故障都是因為 不正確的人為操作 導(dǎo)致的，正常的磨損不會造成如此嚴重的損傷。左側(cè)兩個狀態(tài)良好的連接器僅代表外觀在顯微鏡下看起來良好，并不能代表計量校準的結(jié)果是符合技術(shù)指標的（比如插針深度就沒有體現(xiàn)在圖片上）。由于Female端口相對更容易被損壞，因此上面舉例的時候用的Female端口的圖片。Male端口雖然沒有六個內(nèi)芯，但是同樣會出現(xiàn)磨損，磕碰，偏針等情況。電子校準件物理尺寸損壞或插針深度有問題是無法通過預(yù)檢的，必須先進行維修更換連接器，否則會損壞與它相連的標準設(shè)備。

更換精密連接器通常價格不菲，很多客戶得知這一消息時候情緒是非常崩潰的，“我就想來做個血常規(guī)，結(jié)果你說晚期了要進ICU？？？”更換連接器價格高昂，其中一方面原因是精密連接器本身的成本。這些連接器都是精密無槽的，而且內(nèi)側(cè)和電路板連接的結(jié)構(gòu)也比較特殊，這樣才能確保安裝后的技術(shù)指標。另一方面，為了保證電子校準件的技術(shù)指標，這些連接器不是簡單裝上就可以完成維修。以下是更換連接器后的服務(wù)步驟：

在原廠服務(wù)中心，有一臺經(jīng)過校準的高低溫箱，專門用來消除維修后校準件的熱應(yīng)力。維修后的校準件需要前后經(jīng)過兩次從高溫到零下的熱循環(huán)，每次熱循環(huán)跑完都會跑兩輪計量校準程序。這是真正意義上的回爐重造。兩次計量測試的目的在于確定應(yīng)力已經(jīng)全部消除。發(fā)給客戶后，電子校準件的參數(shù)即使輕微漂移也在規(guī)定的技術(shù)范圍內(nèi)。據(jù)說西游記里的頂級裝備都是太上老君的八卦爐出的，我覺得是德科技的這臺高低溫箱更厲害，畢竟八卦爐都沒有零下熱循環(huán)功能。

盡管是德科技率先在本地建設(shè)了全球領(lǐng)先的電子校準件維修和校準能力，但是我們?nèi)匀粡娏医ㄗh您 愛護自己的電子校準件和高頻連接器， 小到一個轉(zhuǎn)接頭或線纜，大到儀表的測試端口。畢竟維修既要花錢又要花時間的。

校準件和高頻轉(zhuǎn)接頭在使用中務(wù)必正確是使用力矩扳手——力矩扳手發(fā)生彎折即可停止，不要擰到90度的位置。另外每次用完連接器或電纜后應(yīng)放到安全不會磨損的固定位置，儀表或者校準件的端口也應(yīng)蓋上端帽，不但保護它的物理尺寸，還能避免大信號或者靜電打進來。

無論是高速數(shù)字相關(guān)應(yīng)用還是射頻相關(guān)應(yīng)用，2.4mm、1.85mm端口的電子校準件使用得越來越頻繁。他們的健康情況會直接影響參數(shù)提取或者射頻測試。為了降低不良校準件給射頻測試中帶來的風險，我們撰寫了這篇篇幅較長、內(nèi)容硬核的技術(shù)文章。我們在六個章節(jié)中解釋了網(wǎng)分校準件的技術(shù)指標和校準原理，解讀了一份校準報告，指出了校準件超差給測試帶來的風險。最后介紹了電子校準件在原廠維修中心“回爐重造”的過程。

我們還在本文中再次提醒正確使用和維護設(shè)備的方法。這些操作可以避免人為操作導(dǎo)致的損害，有效提高設(shè)備使用率。選擇原廠KeysightCare服務(wù)合約，將延保和周期計量校準納入您的設(shè)備維護計劃，更是可以使您的設(shè)備“穩(wěn)中更穩(wěn)”。