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    • 专利摘要:
    DieErfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines n Messtoreund mindestens 2n Messstellen (n > 1)aufweisenden vektoriellen Netzwerkanalysators durch aufeinanderfolgende Messung der Reflexions- und Transmissionsparameter an verschiedenen, zwischenden Messtoren in beliebiger Reihenfolge geschalteten Zweitor-Kalibrierstandards,die alle einen Transmissionspfad aufweisen müssen, und drei verschiedenen zwischenden Messtoren in beliebiger Reihenfolge geschalteten n-Tor-Kalibrierstandards,die keine Transmission aufweisen dürfen, und durch rechnerischeErmittlung der Fehlerkoeffizienten sowie der Streumatrix [Sx] mittels 10-Term- oder 7-Term-Mehrtor-Verfahren.Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Kalibrieren solcherNetzwerkanalysatoren darzustellen, mit dem auch unter Verwendungvon anwenderseitig realisierten und von nicht vollständig bekanntenKalibrierstandards eine weitgehend reproduzierbare Kalibrierungmit verbesserter Messgenauigkeit durchführbar ist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabenstellungdadurch gelöst,dass ein Thru-Standard an einem Zweitor, zwischen jeder Messtorkombinationgeschalten, n bekannte, gegebenenfalls unterschiedliche Impedanzstandardssowie zwei unbekannte, selbst kalibrierende Reflexions-Standardsan einem n-Eintor gemessen werden.
    公开号:DE102004020037A1
    申请号:DE200410020037
    申请日:2004-03-29
    公开日:2004-12-30
    发明作者:Holger Prof.Dr.-Ing. Heuermann
    申请人:SUSS MicroTec Test Systems GmbH；
    IPC主号:G01R27-28
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines n Messtoreund mindestens 2n Messstellen (n>1)aufweisenden vektoriellen Netzwerkanalysators durch aufeinanderfolgende Messung der Reflexions- und Transmissionsparameter an verschiedenen,zwischen den Messtoren in beliebiger Reihenfolge geschalteten Zweitor-Kalibrierstandards,die alle einen Transmissionspfad aufweisen müssen, und drei verschiedenen zwischenden Messtoren in beliebiger Reihenfolge geschalteten n-Tor-Kalibrierstandards,die keine Transmission aufweisen dürfen.
    [0002] VektorielleNetzwerkanalysatoren (VNA) dienen der präzisen Vermessung von elektronischenBauteilen und Komponenten sowie aktiven und passiven Hochfrequenzschaltungenund Hochfrequenzbaugruppen bis hin zu Antennen.
    [0003] Eswerden die so genannten Streuparameter von n-Toren (n=1,2, ...)detektiert, die ggf. in 2n-Pol-Parameter (z.B. Z- oder Y-Parameter) umgerechnetwerden.
    [0004] Eineso genannte Systemfehlerkorrektur sorgt dafür, dass präzise Messungen mit vektoriellenNetzwerkanalysatoren überhauptdurchführbarsind. Die Messgenauigkeit von vektoriellen Netzwerkanalysatoren wirdbei modernen Gerätenfast ausschließlichvon der Realisierbarkeit der fürdie Systemfehlerkorrektur notwendigen Kalibrierstandards beeinflusst.
    [0005] Bekanntermaßen werdenbei der Systemfehlerkorrektur innerhalb des so genannten Kalibriervorgangesdas Reflexions- und/oder Transmissionsverhalten der Kalibrierstandards,das heißtder teilweise oder ganz bekannten Messobjekte, an mehreren, hinsichtlichLage und Anzahl zu optimierenden Messstellen vermessen.
    [0006] Ausdiesen Messwerten erhältman überspezielle Rechenverfahren Korrekturdaten, so genannte Fehlergrößen oder-koeffizienten. Mit diesen Korrekturdaten und einer entsprechendenKorrekturrechnung bekommt man fürjedes beliebige Messobjekt Messwerte, die von Systemfehlern desvektoriellen Netzwerkanalysators und der Zuleitungen, beispielsweisevon Verkopplungen (Übersprecher)oder Fehlanpassungen (Reflexionen), befreit sind.
    [0007] Diein der Hochfrequenztechnik üblicheBeschreibungsform des elektrischen Verhaltens von Komponenten undSchaltungen erfolgt überdie Streuparameter (auch S-Parameter). Sie verknüpfen nicht Ströme und Spannungenmiteinander, sondern Wellengrößen. DieseDarstellung ist den physikalischen Gegebenheiten besonders angepasst.
    [0008] Für die beispielsweiseauf ein Zweitor zulaufenden Wellen a1 unda2 und die sich entsprechend in umgekehrterRichtung fortpflanzenden Wellen b1 und b2 gilt die Beziehung:
    [0009] Einbekanntes Kalibrierverfahren fürein Zweitormodell mit 10 bzw. 12 Fehlergrößen ist das so genannte 10-Term-bzw. 12-Term-Verfahren.In der amerikanischen Literatur wird es auch als SOLT (S: Short,O: Open, L: Load = Match, T: Thru) und in Europa als TMSO bezeichnet.Es ist das einzige Systemkalibrierverfahren für Zweitor-Netzwerkanalysatorenmit lediglich drei Messstellen, einer Messstelle am für beideTore gemeinsamen Messkanal vor dem Schalter, welcher jeweils einesder Tore zur Messung schaltet, und jeweils einer weiteren Messstellean dem Messkanal jedes Tores. Bei dieser Anordnung der Messstellenist jedoch der Schalter in die Messung der Kalibrierstandards integriert.
    [0010] Beidiesem in der Praxis am häufigsteneingesetzte TMSO-Kalibrierverfahrenmüssenzur Ermittlung der Korrekturdaten zunächst die beiden Messtore verbundenwerden, was dem Kalibrierstandard T (T = Thru) entspricht. Danachmuss man an jedem Messtor drei bekannte Eintore, z.B. die KalibrierstandardsWellensumpf (M = Match), Kurzschluss (S = Short) und Leerlauf (O= Open) kontaktieren und vermessen.
    [0011] DasMehrtor-Messproblem besteht darin, dass alle Messtore über dasMessobjekt miteinander verkoppelt sind. Man erhält somit nicht mehr an einerMessstelle ein Maß für die hinlaufende,an der nächstenein Maß für die reflektierteund letztlich an einer weiteren ein Maß für die transmittierte Welle,das von den Abschlüssendes Mehrtores unabhängigist, sondern man muss zusätzlichdie Reflexionseigenschaften der anderen Messtoren im Modell berücksichtigen.
    [0012] Für diesesMehrtor-Messproblem wurden in den letzten Jahren einige Lösungen publiziertund patentiert. Die Lösungdes Mehrtor-Messproblemsvon Ferrero, beschrieben in Ferrero, Pisani, Kerwin „A NewImplementation of a Multiport Automatic Network Analyzer", IEEE Trans. MicrowaveTheory Techn., vol. 40, Nov. 1992, pp. 2078-2085, benötigt einenNetzwerkanalysator mit 2n Messstellen bei gleichem Aufwand an Kalibrierstandardswie das TMSO-Verfahren.Demzufolge sind die Anforderungen an die Hardware der Kalibrierstandardssehr aufwendig. Ebenfalls müssenbei dem Verfahren von Ferrero sämtlicheKalibrierstandards vollständigbekannt sein, was von besonderem Nachteil ist, da vollständig bekannteStandards nicht perfekt realisierbar sind. Des weiteren basiertdas Ferrero-Verfahren ausschließlichauf dem 7-Term-Prinzip,was wegen der unzulänglichenRealisierbarkeit vollständigbekannter Standards und wegen der Empfindlichkeit des 7-Term-Prinzip auf derartigeModellfehler deutliche Messfehler zur Folge hat, wie in Heuermann „SichereVerfahren zur Kalibrierung von Netzwerkanalysatoren für koaxialeund planare Leitungssysteme",Dissertationsschrift, Institut fürHochfrequenztechnik, Ruhr-Universität Bochum,1995, ISBN 3-8265-1495-5 dargelegt.
    [0013] In DE 199 18 697 A1 istein 10-Term-Verfahren beschrieben, welches wie das TMSO-Verfahrennur n+1 Messstellen aber ausschließlich bekannte Kalibrierstandardsbenötigt.
    [0014] DieMultiport-7-Term-Verfahren, welche in DE 199 18 960 A1 beschriebensind und auf eine Adaption der bekannten Zweitor-Verfahren auf ein Multiport-Verfahrenbauen, beinhalten somit die Verfahren TAN, TNA, LAN, TRL, TLR, LLR,LRL, TAR, TMR, TRM, TMS, LMS, TMO, LMO, UMSO, TMN, LNN, TZU, TZY,TYU, LZY, ZZU, YYU, QSOLT und benötigen in der Regel n-1+2 Kalibriermessungen.
    [0015] Einweiteres Verfahren des Unternehmens ATN wird in der amerikanischenPatentschrift US 5578932 beschrieben.Diese Patentschrift beschreibt im Einzelnen ein so genanntes Testset,mit dem ein 2-TorNetzwerkanalysator auf n Tore erweitert werden kann. Weiterhin wirdeine spezielle Kalibriereinrichtung beschrieben, die für die automatischeKalibrierung dieses Testsets benötigtwird.
    [0016] DieKalibriereinrichtung enthältneben den Standards Open, Short und Match (auch Termination) eine Anordnungverschiedener Transmissionsleitungen, die über Halbleiterschalter zwischendie Anschlüsseder Kalibriereinrichtung geschaltet werden können. Somit müssen alleStandards wie beim TMSO-Verfahren vollständig bekannt sein. Im Gegensatzzur Aussage im Abstract findet jedoch keine vollständige Mehrtorkalibrierungund -fehlerkorrektur statt. Stattdessen werden nur Zweitor-Pfadekalibriert, die restlichen Tore werden nicht berücksichtigt (Spalte 18, Zeile57). Im späterenMessbetrieb werden nacheinander Zweitor-Messungen durchgeführt. Dabeiwerden die in der Kalibrierung nicht eingeschlossenen Messtore nacheinanderdurch innerhalb des Testsets eingebaute unterschiedliche Reflexionsstandardsabgeschlossen. Fürjeden Wert des Reflexionsstandards wird genau eine 2-Tor-Messungdurchgeführt(Spalte 21, Zeile 1). Nachdem die Messungen an allen Messtoren durchgeführt wurden,kann aus den erhaltenen Messwerten und den bekannten Werten derReflexionsstandards ein um die systematischen Fehler korrigiertesErgebnis berechnet werden. Fürdie Vermessung eines 3-Tor-Prüfobjektessind laut Patentschrift 2 Zweitor-Messungen von Tor 1 nach Tor 2und von Tor 1 nach Tor 3 notwendig (Spalte 21, Zeile 1 und Zeile45), wobei zur vollständigenCharakterisierung aller Parameter das nicht eingeschlossene dritteTor des Prüfobjektesbei der Messung von Tor 1 nach Tor 2 durch mindestens 3 unterschiedlicheReflexionsstandards abgeschlossen werden muss (Spalte 21, Zeile28). Dies bedeutet, dass zur vollständigen Charakterisierung eines3-Tores 3 + 1=4 Zweitor Messungen erforderlich sind.
    [0017] Hinzutritt, dass die Messung elektronischer Bauteile im Wafer-Verband(On-Wafer-Messungen) besonderen Randbedingungen unterliegen, insbesonderehinsichtlich der Realisierbarkeit der Kalibrierstandards.
    [0018] ImHalbleiterbereich ist es nicht unüblich, dass Anwender auf denWafern selbst die Kalibrierstandards realisieren. Die geometrischeReproduzierbarkeit und Gleichheit von derartig selbst gefertigtenKalibrierstandards ist sehr hoch. Vorteilhaft ist dabei auch, dasssich die Kalibrierstandards auf dem gleichen Substratträger (Halbleiter)befinden wie auch die Messobjekte. Neben den Vorteilen der geringenVerfahrwege könnenaußerdemparasitäreE lemente sowie Übergangseffektevon der Messspitze zum Wafer „herauskalibriert" werden. Jedoch werdendie elektrischen Eigenschaften nur in guter Näherung realisiert. Insbesondereder Reflexionsstandard Leerlauf lässt sich nicht mit der notwendigenGüte herstellen.
    [0019] Auchdie Impedanzstandards (M) lassen sich auf Halbleitern sehr genaubeschreiben, variieren jedoch in der Regel sehr stark bzgl. derGleichstrom-Widerstandswerte. Bei den beschriebenen Verfahren nachdem Stand der Technik ist es notwendig, dass M-Standards mit möglichstidentischem Reflexionsverhalten an jedem Messtor angeschlossen werden.Kann dieses nicht gewährleistetwerden, wie es bei Mehrtor-On-Wafer-Messungen der Fall ist, da Standardsim 90°-Winkel zueinanderangeordnet werden müssen,so kommt es zu so genannten Verspannungen, die i.d.R. die Quellefür sehrgroßeMessfehler sind.
    [0020] Somitliegt der Erfindung die Aufgabenstellung zugrunde, ein Verfahrenzum Kalibrieren von Netzwerkanalysatoren darzustellen, welche nMesstore und mindestens 2n Messstellen aufweisen und der Mehrtormessungauf Halbleiterscheiben dienen, mit dem auch unter Verwendung vonanwenderseitig realisierten und von nicht voll-ständigbekannten Kalibrierstandards eine weitgehend reproduzierbare Kalibrierungmit verbesserter Messgenauigkeit durchführbar ist.
    [0021] Erfindungsgemäß wird dieAufgabe durch ein Verfahren gelöst,welches durch die Merkmale gemäß Anspruch1 gekennzeichnet ist. Dieses Verfahren soll im Folgenden als RRMT-Verfahrenbezeichnet werden.
    [0022] DasRRMT-Verfahren zeichnen dadurch aus, dass neben den n Impedanzstandards,welche an dem n-fachen Eintor (n-Eintor) gemessen werden, zwei Reflexionsstandards(R), Kurzschlüssenund Leerläufen ähnelnd,vermessen werden. Damit bietet das RRMT-Verfahren, wie auch diein den Ansprüchen2 bis 4 vorgestellten Verfahren die Vorteile, dass die Kalibrierstandardsnicht exakt bekannt sein müssen.Folglich lassen sich mit diesen Verfahren und von Anwendern selbstgefertigten Kalibrierstandards Mehrtor-Messungen mit sehr hoherPräzisionund sehr geringen Kosten fürdie Kalibrierstandards durchführen.Alle erfindungsgemäßen Verfahrensind durch die folgenden Eindeutigkeitskriterien der Kalibrierstandardsgekennzeichnet: 1.: Die Phase des Reflexionsstandards(R) muss nur auf ± 90° bekanntsein. Mehr Informationen werden nicht benötigt. In der Praxis setzt maneinen realen Kurzschluss und einen Leerlauf ein. Die Abweichungen zueinem idealen Kurzschluss oder Leerlauf haben keinen Einfluss aufdie Messgenauigkeit. 2.: Die Impedanzstandards (M) müssen vollständig bekannt sein. Diese können beimRRMT-Verfahren jedoch unterschiedlich sein. Derartige Standardswerden oft auch als Transfer-Match bezeichnet. 3.: Der Leitungsstandard (T) bei den RRMT-Verfahren nach Anspruch1 und 2 und ebenso (L) bei den LRRM-Verfahren nach Anspruch 3 und4 muss vollständigbekannt sein, kann aber eine endliche Dämpfung und ggf. ein bekanntesReflexionsverhalten aufweisen. Es können zwischen verschiedenenMesstoren auch unterschiedliche Leitungsstandards eingesetzt werden.
    [0023] Insbesonderedie Verwendung des 10-Term-Verfahrens zur Ermittlung der Fehlerkoeffizientender gemessenen Zweitor-Kalibrierstandards und der Streumatrix erweistsich in Verbindung mit den weiteren Merkmalen des Verfahrens alsvorteilhaft, da das 10-Term-Verfahrenunempfindlicher gegenüberModellfehlern reagiert.
    [0024] Aufgrundder Kalibriermessungen der n Impedanzstandards an einem n-Eintorliegt ein besonderer Vorteil des Verfahrens darin, dass die Messgenauigkeitgegenüberdem Stand der Technik wesentlich erhöht wird. Abweichungen gegenüber demgemessenen Referenztor am so genannten Anpassungspunkt (S 11=0), anwelchem die Eigenschaften des M-Standards zu den anderen Messtorennur „übergerechnet" wird, werden aufdiese Weise vermieden. Die im Vergleich zur Messung an einem Eintorerforderlichen zusätzlichenn-1 Messungen sindbei On-Wafer-Messungen nicht nachteilig, da sie zu einem beträchtlichenTeil vollautomatisch ablaufen und diese Kosten folglich nur einenBruchteil der Kosten des Gesamtsystems ausmachen und da die zusätzlichenInformationen zur Erhöhungder Qualitätdes Kalibrierverfahrens liefern.
    [0025] Darüber hinauszeichnet sich das RRMT-Verfahren, wie auch die Verfahren nach denAnsprüchen2 bis 4 dadurch aus, dass sie stets Leitungen für die Verbindungen der Messtoreverwenden. Dies entspricht den besonderen Bedingungen von On-Wafer-Messungen,wo sich im Gegensatz zu koaxialen Messungen die Messtore (On-Wafer-Messspitzen oderProbes) nicht unmittelbar verbinden lassen und deshalb niemals ein echterThru-Standard eingesetzt werden kann.
    [0026] Übliche undnicht zu vermeidende Schwankungen bei bekannten Gleichstrom-Widerstandswertender auf Halbleitern vorhandenen Impedanzstandards beeinflussen dieVerfahren dieser Erfindung hingegen nicht.
    [0027] InVerbindung mit den 2n-Messstellen aufweisenden Netzwerkanalysatoren,arbeiten die erfindungsgemäßen Verfahrengegenüberden bekannten Verfahren, insbesondere welche Netzwerkanalysatorenmit n-1 Messstelle verwenden, deutlich präziser und langzeitstabiler,weil bei diesen Maschinen Drifteffekte der elektronischen Umschalterkeinen Einfluss auf die Messqualität haben.
    [0028] Dieder Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung wird ebenso durchdas Verfahren gemäß den Merkmalendes Anspruchs 2 gelöst.Dieses Verfahren ermöglichtebenfalls die Verwendung von Reflexionsstandards, welche nicht exaktbekannt sein müssen.Da darüberhinaus die Impedanzstandards am n-Eintor gemessen werden, ermög licht diesesVerfahren ebenfalls Kalibriermessungen mit hoher Messgenauigkeit.
    [0029] Dadieses Kalibrierverfahren jedoch das 7-Term-Verfahren für die rechnerischeErmittlung der Fehlerkoeffizienten und der Streumatrix verwendet,wodurch der rechnerische Aufwand verringert wird, und der Thru-Standardanstelle zwischen allen Messtorkombinationen zwischen einem Referenztorund den übrigen n-1Toren gemessen wird, findet dieses Verfahren insbesondere bei Mehrtormessungenmit n>2 Anwendung. ImFolgenden soll es als Mehrtor-RRMT-Verfahren oder GRRMT-Verfahren bezeichnetsein. Die höhereEmpfindlichkeit des 7-Term-Verfahrens gegenüber Modellfehlern hat nur geringenEinfluss, da die Impedanzmessung am n-Eintor erfolgt und kein Überrechnenerforderlich ist und da es eine Optimierung des rechnerischen Aufwandesfür dieseMehrtore darstellt. Die beschriebenen schaltungs- und messtechnischenVorteile des RRMT-Verfahrenskennzeichnen auch das Mehrtor-RRMT-Verfahren.
    [0030] Für Mehrtormessungenmit n>2 ist es alternativzu dem RRMT- und dem GRRMT-Verfahren auch möglich, dass die weitere Kalibriermessunganstelle an einem n-Eintor, realisiert mittels n bekannter Impedanzen,an einem Eintor durchgeführtwird, welches mittels einer bekannten Impedanz (z.B. so genannteWellenabschlüssemit 50 Ω,M = Match) realisiert ist und die Eigenschaften dieser Impedanzan den übrigenn-1 Eintoren aus dieser Kalibriermessung rechnerisch ermittelt werden.Diese Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend als LRRM- und GLRRM- oderMehrtor-LRRM-Verfahren bezeichnet. Bei diesen beiden Verfahren findetwiederum eine Optimierung zwischen dem rechnerischen sowie dem schaltungs-und messtechnischen Aufwand fürMehrtore mit Bezug auf die erforderliche Messgenauigkeit statt.
    [0031] Dievier Verfahren, die in dieser Erfindung unter den Ansprüchen 1-4angemeldet werden, unterscheiden sich bei der Durchführung umeinzelne Merkmale, die sich jedoch in der Praxis deutlich auswirkenkönnen. Dengrößten Unterschiedgibt es zwischen den RRMT-Verfahren nach den Ansprüchen 1 und2 und den Mehrtor-LRRM-Verfahrenunter den Ansprüchen3 und 4. Bei den Mehrtor-LRRM-Verfahrenwird nur ein Impedanzstandard an einem Tor kontaktiert und vermessen,wobei dieses Tor als Referenztor dient. Hingegen wird bei den beidenRRMT-Verfahren an jedem Tor ein Impedanzstandard, der sich mit keinemanderen Impedanzstandard gleichen muss, kontaktiert und vermessen.
    [0032] DerUnterschied zwischen den beiden RRMT- bzw. Multiport-LRRM-Verfahren liegt inder Anzahl der T- bzw. L-Messungen. Bei den Verfahren nach Anspruch1 und 3 benötigtman k Messungen und somit mehr als bei den Verfahren nach den Ansprüchen 2 und4, wo nur n-1 Messungen erforderlich sind. Die Verfahren nach Anspruch1 und 3 zeichnen sich wiederum durch eine größere Robustheit aus. So kannman z.B. zeigen, dass die Transmissionsmessdynamik bei den Verfahren1 und 3 der des Gerätesentspricht und sie dort angewendet werden, wo die Messdynamik desNetzwerkanalysators erreicht werden soll. Hingegen gibt es bei den Verfahrenden Ansprüchennach 2 und 4 eine deutlich größere Sensibilität bezüglich kleinerKontaktierungsfehler und Unvollkommenheiten in den Kalibrierstandards.Folglich wird man die Verfahren nach 2 und 4 erst einsetzen, wenndie Anzahl n der Messtore unverhältnismäßig groß ist.
    [0033] Mitderartig geringen Ansprüchenan die Kalibrierstandards lassen sich die erfindungsgemäßen Mehrtorkalibrierverfahrenauch ausgezeichnet fürautomatisierte Kalibrierungen von vektoriellen Netzwerkanalysatorenin koaxialen Umgebungen einsetzen. Für Zweitor-Kalibrierungen werdenAlgorithmen und zugehörige Schaltnetzwerkebereits von mehreren Herstellern vertrieben. Bei Multiport-Kalibrierungenist die Anzahl der Kontaktierungen der Kalibrierstandards merklichgrößer, wasZeit und Geld kostet und größere Fehlerrisiken insich birgt.
    [0034] DieErfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbei spieles näher erläutert werden.Die zugehörigeZeichnung zeigt in
    [0035] 1 die schematische Definitioneiner Streumatrix, der einlaufenden und der auslaufenden Welle am Zweitorund
    [0036] 2 ein Blockschaltbild einesvektoriellen 3-Tor-Netzwerkanalysators.
    [0037] 1 zeigt ein Zweitor, dasdurch seine Streumatrix [S] gekennzeichnet ist. Die Wellen a1 und a2 sind dieauf das Zweitor zulaufenden Wellen, b1 undb2 entsprechend die in umgekehrter Richtungsich fortpflanzenden Wellen. Es gilt die Beziehung
    [0038] AlsBlockschaltbild ist der interessante Sonderfall eines 3-Tor Netzwerkanalysesystemsim 2 illustriert. Manerkennt, dass 2n=6 Messstellen (15) notwendig sind. 2 zeigt auf, wie ein derartigerAufbau zu realisieren ist und dient als Grundlage für die nachfolgendeBeschreibung der Mehrtorverfahren.
    [0039] Im 2 wird dargestellt, wiedas Signal einer Quelle 17 über einen Umschalter 16,der vor den Messstellen angeordnet ist und dessen Eigenschaften,wie beispielsweise Reproduzierbarkeit, Reflexion und Langzeitstabilität, folglichnicht in die Messgenauigkeit eingehen, auf die drei Zweige 18, 19 und 20 geleitetwird. Die als ideal angenommenen Messstellen 15 nehmenjeweils ein Maß für die hinlaufendeund transmittierte Welle auf. Sämtlichedeterministischen Nichtidealitätenund Unvollkommenheiten in Form von Fehlanpassungen und Übersprecherwerden in den Fehlermatrizen 13, 14a und 14b zusammengefasstund berücksichtigt. Anden Toren 10, 11 und 12 ist das Messobjekt 21 (DUT) über dieentsprechende Schalterstellung mit dem vektoriellen Netzwerkanaly satorverbunden.
    [0040] Injeder Schalterstellung werden an den jeweils zwei Messstellen dieMesswerte mit fürdas Reflexions- oder das Transmissionsverhalten der realisiertenKalibrierstandards erfasst. Fürdas RRMT-Verfahren nachAnspruch 1 sind das die Thru-Standards bekannter Länge undDämpfung,die zwischen jeder möglichen Messtorkombinationangeschlossen sind, die Match-Standards sowie die Reflexions-Standards,Kurzschlüssenund Leerläufen ähnelnd,am n-Eintor. Sofern eines der anderen Verfahren zur Anwendung kommt,werden die Messwerte mit entsprechend den dafür beschriebenen Merkmalen gemessen.Aus diesen Messwerten wird, wie nachfolgend beschrieben, die Streumatrixermittelt.
    [0041] Dieerfindungsgemäßen Verfahrenlassen sich von der mathematischen Seite in drei Schritte unterteilen: 1. die sog. Selbstkalibrierung der unbekanntenReflexionsstandards, 2. die sog. direkte Kalibrierung und 3. die Systemfehlerkorrektur.
    [0042] Imersten Schritt werden die unbekannten Parameter in den Kalibrierstandardsberechnet. Hier werden Spur- und Determinanteneigenschaften vonAbbildungsmatrizen ausgenutzt, wie in Heuermann „Sichere Verfahren zur Kalibrierungvon Netzwerkanalysatoren fürkoaxiale und Planare Leitungssysteme", Dissertationsschrift, Institut für Hochfrequenztechnik,Ruhr-UniversitätBochum, 1995, ISBN 3-8265-1495-5 beschrieben. Dabei werden die Match-Kalibrierstandardsnicht mit idealen Eigenschaften (S 11=0) in der Mathematik berücksichtigt.Dieses führtdazu, dass die daraus resultierenden Gleichungen zur Berechnungder Reflexionswerte der beiden R-Standards deutlich länger sind.Jedoch unterscheiden sich diese Gleichungen bzgl. der oben genanntenEindeutigkeitskriterien fürdie Leitungs-, Impedanz- und Reflexions-Standards nicht von den üblichenLösungender Selbstkalib rierrechnungen.
    [0043] Beimzweiten Schritt der direkten Kalibrierung werden die Fehlerkoeffizientenberechnet. Dies geschieht fürdas RRMT-Verfahren nach Anspruch 1 und für das LRRM-Verfahren nach Anspruch3 auf klassischen Wegen der 10-Term-Verfahren, wie diese in Schick „Messsystemeder Hochfrequenztechnik", Hüthig-Verlag,Heidelberg, 1984 und in Heuermann, „Sichere Verfahren zur Kalibrierungvon Netzwerkanalysatoren fürkoaxiale und Planare Leitungssysteme", Dissertationsschrift, Institut für Hochfrequenztechnik, Ruhr-Universität Bochum,1995, ISBN 3-8265-1495-5 beschrieben wurden. Man führt für jede Durchverbindungeine Zweitorkalibrierung durch und kennt die Fehlerkoeffizientenfür dieseVerbindung. Der Weg zur Behandlung des Multiport-Verfahrens wirddann als dritter Schritt beschrieben.
    [0044] Für die Verfahrennach Anspruch 2 und 4 werden Wege der 7-Term-Verfahren zur Berechnung der Fehlerkoeffizientenebenfalls in Heuermann „SichereVerfahren zur Kalibrierung von Netzwerkanalysatoren für koaxialeund planare Leitungssysteme",Dissertationsschrift, Institut fürHochfrequenztechnik, Ruhr-Universität Bochum, 1995, ISBN 3-8265-1495-5für ähnlicheZweitor-Verfahren beschrieben. Die Zusammenführung dieser Resultate derZweitor-Verfahren in ein Multiport-Verfahren wird ebenfalls im nächsten Schrittdargestellt.
    [0045] Beimdritten Schritt zur Durchführungeiner Systemfehlerkorrektur werden die Messdaten eines unbekanntenMessobjektes von den Fehlern des vektoriellen Netzwerkanalysatorsund den Zuleitungen korrigiert.
    [0046] Für die Verfahrennach Anspruch 1 und 3, die auf dem 10-Term-Prinzip basieren, bildet die Ausgangsbasisfür diemathematische Beschreibung der 10-Term Mehrtorverfahren (oft auchMultiportverfahren genannt) das Fehlermodell in 2. Der Einfachheit halber soll hier diemathematische Herleitung nur fürden in der Praxis interessantesten Fall, die Vermessung von Dreitoren,durchgeführtwerden. Die Verallgemeinerung dieser Vorgehensweise zu n-Toren istauf einfache Art und Weise möglich,indem man einen Umschalter mit n Ausgangstoren vorsieht und für jedesweitere Tor des Messobjektes zwei zusätzliche Messstellen berücksichtigt.
    [0047] ZurErmittlung der klassischen Fehlermatrizen des 10-Term Modells wirdeine Zweitorkalibrierung zwischen jeder Messtorkombination mit denFehlermatrizen [A], [F] und [G] durchgeführt. Es gilt: [F] = [BI]-1 und [G] = [BII]-1.
    [0048] Für die SchalterstellungI ist die Fehlermatrix [A] das Referenztor, das drei Fehlergrößen enthält, für II istes [F] und fürIII [G], Die fürjede Schalterstellung zwei anderen Messtore enthalten nur die zweiFehlergrößen (z.B.;FT, FL) des Transmissionsfehlernetzwerkes. Die zugehörigen Größen sollenim Weiteren abhängig vonder Schalterstellung einfach, zweifach und dreifach gestrichen werden.Für denDreitorfall ergeben sich somit 3*3+3*2*2=21 Fehlergrößen.
    [0049] DieKorrekturrechnung der Messwerte des Messobjektes (mi) unter Verwendungder 21 Fehlergrößen lässt sichwie folgt ansetzen:
    [0050] NachUmstellung erhältman 6 Gleichungen fürdie 6 Wellengrößen a'1,a'2,a'3,b'1,b'2,b'3.
    [0051] Genausoverfährtman fürdie übrigenSchalterstellungen. Diese 3*6 Gleichungen lassen sich in der Gleichung
    [0052] Für die Verfahrennach Anspruch 2 und 4, die auf dem 7-Term-Prinzip basieren bildet die Ausgangsbasisfür diemathematische Beschreibung der 7-Term Mehrtorverfahren (oft auchMultiportverfahren genannt) ebenfalls das Fehlermodell im 2. Der Einfachheit halbersoll hier ebenfalls die mathematische Herleitung nur für Fall derVermessung von Dreitoren durchgeführt werden. Die Verallgemeinerungdieser Vorgehensweise zu n-Torenkann wiederum auf einfache Art und Weise durchgeführt werden,indem man einen Umschalter mit n Ausgangstoren vorsieht und für jedesweitere Tor des Messobjektes zwei zusätzliche Messstellen berücksichtigt.
    [0053] ZurErmittlung der klassischen Fehlermatrizen des 7-Term Modells wirdeine Zweitorkalibrierung zwischen dem Referenztor mit der Fehlermatrix[A] und den Fehlermatrizen [Bi] (i=1,2,..,n)durchgeführt.Die Bezeichnung 7-Term Modell rührtvon der Tatsache, dass die zugehörigen2*2 Fehlermatrizen [A] und [Bi] insgesamt7 Fehlerterme enthalten, da immer eine der 8 enthaltenen Größen auf1 gesetzt werden kann.
    [0054] ImWeiteren ist es vorteilhaft, die mathematische Formulierung desZweitormodells in der inversen Form der angegebenen Transmissionsparameteranzusetzen:
    wobeifür dieEin- und Ausgängean den Fehlernetzwerken gilt. Diese Gleichungen lassen sich nachden ai und bi Wellen
    größen auflösen und in der Gleichung einsetzen.Hierbei bekommt man fürjede Schalterstellung die Werte einer Matrixspalte, was letztlichzu einem linearen Gleichungssystem bestehend aus zwei n*n Messwertmatrizen undder n*n Streumatrix führt.Löst mandieses Gleichungssystem nach der [Sx]-Matrixauf, so stehen die fehlerkorrigierten Streuparameter eines n-Toreszur Verfügung.
    10 Tor 11 Tor 12 Tor 13 Fehlermatrize 14a Fehlermatrize 14b Fehlermatrize 15 Messstelle 16 Umschalter 17 Quelle 18 Zweig 19 Zweig 20 Zweig 21 Messobjekt
    权利要求:
    Claims (6)
    [1] Verfahren zum Kalibrieren eines n Messtore undmindestens 2n Messstellen (n>1)aufweisenden vektoriellen Netzwerkanalysators durch aufeinanderfolgende Messung der Reflexions- und Transmissionsparameter an k=Summe(n-i)für (i=1,2,...,n-1)oder n-1 verschiedenen, zwischen den Messtoren in beliebiger Reihenfolgegeschalteten Zweitor-Kalibrierstandards, die alle einen Transmissionspfadaufweisen müssen,und drei verschiedenen zwischen den Messtoren in beliebiger Reihenfolgegeschalteten n-Tor-Kalibrierstandards, die keine Transmission aufweisendürfen,durch rechnerische Ermittlung der Fehlerkoeffizienten des Netzwerkanalysatorsrgemessenen Zweitor-Kalibierstandardsmittels 10-Term-Verfahren in k-facher Anwendung unter Verwendungder gemessenen Zweitor-Kalibierstandards sowie durch rechnerischeErmittlung der fehlerkorrigierten Streumatrix [Sx]des n-Tores aus den Fehlerkoeffizienten jedes Zweitor-Kalibierstandardsunter Berücksichtigungder Transmissions-Fehlergrößen der übrigen n-1Messtore mittels 10-Term-Mehrtor-Verfahren, dadurchgekennzeichnet, dass (a) die ersten k Kalibriermessungenan einem Zweitor, das mittels der direkten Verbindung der Messtore (Durchver bindung,T = Thru) oder einer kurzen angepassten Leitung (L = Line) bekannterLänge undDämpfungrealisiert ist, und das zwischen jeder k möglichen Messtorkombinationangeschlossen wird, durchgeführt werden, (b)eine weitere Kalibriermessung an einem n-fachen Eintor (n-Eintor),das mittels n bekannten ggf. unterschiedlichen Impedanzen (z.B.so genannte Wellenabschlüssemit 50 Ω,M = Match) realisiert ist, durchgeführt wird, (c) eine weitereKalibriermessung an einem n-Eintor, das mittels n unbekannter starkreflektierenden Abschlüsse(R=Reflect), die Kurzschlüssen(S=Short) ähneln,realisiert ist, durchgeführtwird, (d) eine weitere Kalibriermessung an einem n-Eintor,das mittels n unbekannter stark reflektierenden Abschlüsse (R=Reflect),die Leerläufen(O=Open) ähneln,realisiert ist, durchgeführtwird und (e) die Reflexionswerte der n-Eintore, welche durchunbekannte reflektierende, Kurzschlüssen oder Leerläufen ähnelndenAbschlüsserealisiert sind, rechnerisch ermittelt werden.
    [2] Verfahren zum Kalibrieren eines n Messtore und mindestens2n Messstellen (n>1)aufweisenden vektoriellen Netzwerkanalysators durch aufeinanderfolgende Messung der Reflexions- und Transmissionsparameter an n-1verschiedenen, zwischen den Messtoren in beliebiger Reihenfolgegeschalteten Zweitor-Kalibrierstandards,die alle einen Transmissionspfad aufweisen müssen, und drei verschiedenenzwischen den Messtoren in beliebiger Reihenfolge geschalteten n-Tor-Kalibrierstandards,die keine Transmission aufweisen dürfen, durch rechnerische Ermittlungder Fehlerkoeffizienten des Netzwerkanalysators mittels 7-Term-Verfahrenin n-1-facher Anwendung und gemessenen Zweitor-Kalibierstandardssowie durch rechnerische Ermittlung der fehlerkorrigierten Streumatrix[Sx] mittels 7-Term-Mehrtor-Verfahren, dadurchgekennzeichnet, dass (a) die ersten n-1 Kalibriermessungenan einem Zweitor, das mittels der direkten Verbindung der Messtore (Durchverbindung,T = Thru) oder einer kurzen angepassten Leitung (L = Line) bekannterLänge undDämpfungrealisiert ist und das zwischen einem als Referenzmesstor festgelegtenMesstor und den n-1 restlichen Toren angeschlossen wird, durchgeführt werden. (b)eine weitere Kalibriermessung an einem n-Eintor, das mittels n bekanntenggf. unterschiedlichen Impedanzen (z.B. sog. Wellenabschlüsse mit50 Ω, M= Match) realisiert ist, durchgeführt wird. (c) eine weitereKalibriermessung an einem n-Eintor, das mittels n unbekannter starkreflektierender Abschlüsse(R = Reflect), die Kurzschlüssen(S = Short) ähneln,realisiert ist, durchgeführtwird. (d) eine weitere Kalibriermessung an einem n-Eintor,das mittels n unbekannter stark reflektierender Abschlüsse (R =Reflect), die Leerläufen(O = Open) ähneln,realisiert ist, durchgeführtwird. (e) die Reflexionswerte der n-Eintore, welche durch unbekanntereflektierende, Kurzschlüssenoder Leerläufen ähnelndenAbschlüsserealisiert sind, rechnerisch ermittelt werden.
    [3] Verfahren zum Kalibrieren eines Netzwerkanalysatorsnach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass (a) n>2 gilt, (b) dieweitere Kalibriermessung anstelle an einem n-Eintor, realisiertmittels n bekannter Impedanzen, an einem Eintor durchgeführt wird,welches mittels einer bekannten Impedanz (z.B. so genannte Wellenabschlüsse mit50 Ω, M= Match) realisiert ist.
    [4] Verfahren zum Kalibrieren eines Netzwerkanalysatorsnach An spruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass (a) n>2 gilt, (b) dieweitere Kalibriermessung anstelle an einem n-Eintor, realisiertmittels n bekannter Impedanzen, an einem Eintor durchgeführt wird,welches mittels einer bekannten Impedanz (z.B. so genannte Wellenabschlüsse mit50 Ω, M= Match) realisiert ist.
    [5] Verfahren zum Kalibrieren eines Netzwerkanalysatorsnach einem der Ansprüche1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für n>2 die weitere Kalibriermessung anstellean einem n-Eintor, realisiert mittels n bekannter Impedanzen, aneinem (n-i)-Eintor,wobei i<n, durchgeführt wird,welches mittels einer bekannten Impedanz (z.B. so genannte Wellenabschlüsse mit50 Ω, M= Match) realisiert ist.
    [6] Verfahren zum Kalibrieren eines Netzwerkanalysatorsnach einem der Ansprüche1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass einer der stark reflektierendenAbschlüssebekannt ist.
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    法律状态:
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