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網(wǎng)絡(luò)分析儀搭配校準(zhǔn)件使用，可能是工程師們每天的日常。然而很多工程師甚至沒意識到，校準(zhǔn)件也是需要計量校準(zhǔn)的。
是德科技成都服務(wù)中心自2021年11月開始提供電子校準(zhǔn)件校準(zhǔn)和維修服務(wù)以來，接收的電子校準(zhǔn)件超過三成有端口嚴(yán)重磨損、磕碰、偏針的問題，導(dǎo)致無法通過預(yù)檢，需要維修更換連接器。即使通過預(yù)檢的電子校準(zhǔn)件中，也有大約兩成在校準(zhǔn)過程中發(fā)現(xiàn)超差。
因此我們結(jié)合理論和實踐，
嘔心瀝血整理了一篇超超超長且超超超干的文章。在本文中您將會了解以下內(nèi)容：
1.當(dāng)我們討論網(wǎng)分校準(zhǔn)的時候，我們校準(zhǔn)的是什么？
2.當(dāng)我們討論網(wǎng)分校準(zhǔn)件校準(zhǔn)的時候，我們校準(zhǔn)的又是什么？
3.校準(zhǔn)件能提高網(wǎng)分精度大家都懂，那還有什么東西可以校準(zhǔn)校準(zhǔn)件？
4.校準(zhǔn)件校準(zhǔn)報告里面包含了哪些有價值的信息？
5.校準(zhǔn)件超差意味著什么？還能用嗎？
6.您的校準(zhǔn)件在原廠還會得到哪些特殊服務(wù)？
鑒于篇幅關(guān)系，我們將會分為上下兩篇。本次推出的上篇為您介紹第1-4章，而剩下的5、6兩章則會作為下篇，后續(xù)推送。
首先來看看，我們與一些工程師聊到網(wǎng)分校準(zhǔn)件的時候，他們的一些典型反饋，開啟上篇之旅。
A：校準(zhǔn)件就是用來校準(zhǔn)的，它自己當(dāng)然不用校準(zhǔn)。
B：這位大哥對于計量校準(zhǔn)和自校準(zhǔn)的概念有些模糊，可以看看第一章內(nèi)容能否幫到您。
C：從來就沒考慮過這個問題，校準(zhǔn)件不是網(wǎng)分的附件么？它還有自己的技術(shù)指標(biāo)？
B：很好的問題，建議關(guān)注第二章內(nèi)容，什么是指標(biāo)，校準(zhǔn)件的指標(biāo)又是什么。
D：既然你們這么說了，那校準(zhǔn)件肯定要校準(zhǔn)，但是校準(zhǔn)件應(yīng)該比網(wǎng)分準(zhǔn)吧，還有什么技術(shù)手段能校準(zhǔn)校準(zhǔn)件呢？好像沒聽說過。
B：這個問題很有深度，相信第三章內(nèi)容能解答您的問題。
E：校準(zhǔn)件校準(zhǔn)證書里有什么內(nèi)容？老實說貴司的證書都是幾十頁，還是全英文的，我就沒怎么讀懂過。
B：是德的校準(zhǔn)證書在全球都有較高的公信力，想要讀懂一份全英文60多頁的證書報告確實有點“門檻”，沒關(guān)系第四章我們保證教會您。
話不多說，這就開始。
1.當(dāng)我們討論網(wǎng)分校準(zhǔn)的時候，我們校準(zhǔn)的是什么？
無論是中文校準(zhǔn)，還是英文calibration，都是電子測量領(lǐng)域經(jīng)常遇到的詞。由于它頻繁地出現(xiàn)在各種場合，以至于它代表的準(zhǔn)確意義經(jīng)常被混淆。
測試工程師更熟悉的“校準(zhǔn)”，往往指的是設(shè)備自身取參考面，消除系統(tǒng)誤差的過程。比如網(wǎng)分校準(zhǔn)就是用已知反射系數(shù)和相位的校準(zhǔn)件，去去除網(wǎng)分系統(tǒng)誤差。甚至掃描儀，打印機開機，也會顯示self-calibration。
在服務(wù)領(lǐng)域，校準(zhǔn)指的是對測試設(shè)備的周期性計量校準(zhǔn)。這是一種通過更精確且具有溯源性的外部設(shè)備，檢查測試設(shè)備是否還滿足出產(chǎn)時的技術(shù)指標(biāo)的過程。計量校準(zhǔn)非常類似員工體檢，主要通過外部設(shè)備檢查生理指標(biāo)。本文專注討論狹義的計量校準(zhǔn)（Metrological Calibration），但也會涉及到自校準(zhǔn)，為避免混淆，會盡量使用計量校準(zhǔn)全稱。
使用校準(zhǔn)件校準(zhǔn)網(wǎng)分時，重新選取了測試端面，極大降低了系統(tǒng)誤差。而網(wǎng)分做年度計量校準(zhǔn)的時候，對網(wǎng)分的功率精度和線性度、接收機、底噪、動態(tài)精度、頻率精度、跡線噪聲和出廠指標(biāo)進行了對比。尤其是網(wǎng)分原廠計量校準(zhǔn)的最后一項——校準(zhǔn)系數(shù)（Calibration Coefficients），給出了各個端口未校準(zhǔn)狀態(tài)下的能力（方向性、源匹配、負載匹配），是重要的整體指標(biāo)。請注意這一項是未校準(zhǔn)狀態(tài)下的指標(biāo)，和其他項目一樣，這一項和客戶日常使用什么校準(zhǔn)件無關(guān)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)伢w現(xiàn)被測網(wǎng)分的單機性能。
簡單的說：
網(wǎng)分和校準(zhǔn)件的計量校準(zhǔn)，是定期使用外部高等級標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，進行量值溯源和性能查驗，看看是否“合格”。雖然大多數(shù)情況下計量前后儀表的狀態(tài)以及精度沒有變化，但是，校準(zhǔn)和體檢一樣，目的就是不讓小概率事件引發(fā)大問題，況且是德原廠校準(zhǔn)的部分項目在超差時還提供了調(diào)整（Adjustment）。而網(wǎng)分的自校準(zhǔn)則是日常使用中重建參考端面的過程，以降低系統(tǒng)誤差。千萬不要再混淆了。
2.?當(dāng)我們討論網(wǎng)分校準(zhǔn)件校準(zhǔn)的時候，我們校準(zhǔn)的又是什么？
在討論網(wǎng)分校準(zhǔn)件計量校準(zhǔn)的具體項目之前，首先應(yīng)該明確幾件事情：
1 儀表的技術(shù)指標(biāo)是什么？
2 哪些參數(shù)應(yīng)該列入計量校準(zhǔn)項目？
是德科技有一份自惠普時代沿用至今的技術(shù)文檔叫Specifications Guidelines，里面詳細闡述了是德產(chǎn)品的產(chǎn)品信息包含了哪些內(nèi)容，指標(biāo)的概念和意義，以及它們和計量校準(zhǔn)的關(guān)系。
上圖產(chǎn)品信息里的Specifications也就是我們常說的技術(shù)指標(biāo)，它取決于儀表的不同選件，同時和計量校準(zhǔn)密切相關(guān)。計量報告會以技術(shù)指標(biāo)的上下限，給出Pass/Fail的結(jié)論，這一過程也是儀表出廠前必備的一步，這也是為什么儀表出廠會自帶一份計量校準(zhǔn)報告的原因。
除了指標(biāo)外，產(chǎn)品信息還包括功能（Features）和特性（Characteristics）。功能大多無法用數(shù)值描述，例如GPIB接口就是一種功能。而特性有時被稱為典型值或補充特性，雖然描述了典型性能，但是這些性能不在產(chǎn)品質(zhì)保范圍之內(nèi)。
這篇文章也描述了針對產(chǎn)品的不同信息，是德科技采取哪些驗證方式。如上圖所示，對于有質(zhì)保的性能指標(biāo)參數(shù)，我們會通過計量校準(zhǔn)實現(xiàn)儀器性能測試和系統(tǒng)驗證；而對于產(chǎn)品功能和操作性驗證，我們會執(zhí)行功能性測試。這兩部分內(nèi)容，用戶都可以在是德的校準(zhǔn)報告中看到。
那么，電子校準(zhǔn)件的參數(shù)有哪些呢？以N4691D為例，是德科技在Electronic Calibration Modules Reference Guide中給出了N4691D的指標(biāo)和特性，首先是反射方面的指標(biāo)：
熟悉網(wǎng)絡(luò)分析儀12項誤差模型的人對上面提到的Directivity（方向性），Source Match（源匹配），Reflection Tracking（反射跟蹤）比較熟悉。對于大部分工程師，利用如下公式把這三項誤差模型合成為反射系數(shù)會更加直觀：
這一公式中S11是被校準(zhǔn)端面的實際反射系數(shù)，Гm則是網(wǎng)分測出來的反射系數(shù)。有經(jīng)驗的工程師在完成網(wǎng)分校準(zhǔn)時經(jīng)常用一個負載來驗證校準(zhǔn)結(jié)果，并以“單端口反射小于XX dB，傳輸小于0.XX dB”作為驗證標(biāo)準(zhǔn)。（具體取決于頻段和驗證負載，在低頻單端口通常小于-40dB）。通過觀察上面這個公式可以看出，當(dāng)使用理想負載驗證的時候S11趨近于0。因此公式后半部分趨近于0，這使得算出的Гm≈ED。換句話來說當(dāng)使用理想負載驗證校準(zhǔn)結(jié)果時，單端口反射主要體現(xiàn)校準(zhǔn)件的方向性；使用不那么理想的負載驗證校準(zhǔn)結(jié)果時，單端口反射結(jié)果會比校準(zhǔn)件的方向性略差。對于N4691D的指標(biāo)來說，這個結(jié)果在不同頻段應(yīng)該達到大概30dB或40dB的水平。
電子校準(zhǔn)件的Data Sheets同時給出了N4691D的傳輸和插針深度方面的特性。請注意這些參數(shù)是Characteristics（典型值），不參與Pass/Fail判斷，在第四章您將看到一份真實的是德科技原廠校準(zhǔn)報告，其中插針深度做為功能性測試的一部分給出了完整的數(shù)據(jù)。
綜上所述，一份電子校準(zhǔn)件原廠計量報告給出了反射系數(shù)是否符合技術(shù)指標(biāo)的技術(shù)判斷。這是最重要的部分，但是還沒完，我們還提供了電子校準(zhǔn)件在不同鏈路下的特征值、傳輸特性、以及包含端口重復(fù)性和插針深度的功能性測試數(shù)據(jù)。一個26.5GHz兩端口的校準(zhǔn)報告可能包含70頁的數(shù)據(jù)，四端口或更高頻率的電子校準(zhǔn)件的校準(zhǔn)報告中數(shù)據(jù)信息更多。我們在第四章會有詳細的報告解讀。
3.?校準(zhǔn)件能提高網(wǎng)分精度大家都懂，那還有什么東西可以校準(zhǔn)校準(zhǔn)件？
在正式開始這一部分前，先考考大家。
校準(zhǔn)網(wǎng)分不用校準(zhǔn)件校準(zhǔn)，校準(zhǔn)校準(zhǔn)件倒用校準(zhǔn)件校準(zhǔn)網(wǎng)分
這一描述正確嗎？
乍一聽像是個繞口令，也像是個冷笑話。本文第一章提到在整個網(wǎng)分計量校準(zhǔn)過程中，我們僅用校準(zhǔn)件作為一個“標(biāo)準(zhǔn)源”來檢查網(wǎng)分的未校準(zhǔn)整體性能，所以繞口令的前半部分“校準(zhǔn)（計量）網(wǎng)分不用校準(zhǔn)件校準(zhǔn)”雖然念起來像是鬼扯，背后還是成立的 。后面這句“校準(zhǔn)（計量）校準(zhǔn)件倒用校準(zhǔn)件校準(zhǔn)（過的）網(wǎng)分”到底靠不靠譜，看完本章相信您自有分曉。
校準(zhǔn)件用什么標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備做計量校準(zhǔn)呢？證書的第二頁給出了完整的溯源信息：
是的，校準(zhǔn)件的計量需要一臺網(wǎng)分和一套特制的校準(zhǔn)件，在這份報告中是ET33700。特在哪里？
眾所周知，射頻阻抗的特性參數(shù)取決于幾何尺寸，因此這套校準(zhǔn)件就是千里挑一特意選出的一套機械精度格外好，且穩(wěn)定性格外高的設(shè)備。同樣的，由于熱脹冷縮，幾何尺寸是會改變的，因此作為計量標(biāo)準(zhǔn)的這套校準(zhǔn)件在是德科技美國的實驗室中做了標(biāo)定，并帶有該溫濕度下的阻抗特性數(shù)據(jù)。而成都服務(wù)中心計量校準(zhǔn)件的實驗室可以做到恒溫在23±1攝氏度（見證書第一頁）。在這個條件下，作為計量標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)分和校準(zhǔn)件完成全兩端口校準(zhǔn)后有足夠高的精度為校準(zhǔn)件計量校準(zhǔn)。
因此，表面上來看，做校準(zhǔn)件的計量校準(zhǔn)僅僅需要對應(yīng)的網(wǎng)分和精度更高的一套校準(zhǔn)件就可以了。但是這背后還包含了對這套標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件的特性分析、不確定度分析、溯源鏈、實驗室環(huán)境、人員操作、校準(zhǔn)方法研發(fā)、測試可靠性控制等一系列必要條件。
這是一張是德科技成都服務(wù)中心電子校準(zhǔn)件校準(zhǔn)工位的真實照片，巨大的木頭匣子里裝的就是上面提到的神器ET33700。這樣的校準(zhǔn)件在服務(wù)中心有近10套，來服務(wù)不同接口不同頻段的被測校準(zhǔn)件。
圖片上還展示了校準(zhǔn)件預(yù)檢所需要的設(shè)備：電子顯微鏡、玻璃尺、插針深度量規(guī)、力矩扳手、固定扳手。以及清潔用的壓縮空氣、異丙醇、棉簽。
4.校準(zhǔn)件校準(zhǔn)報告里面包含了哪些有價值的信息？
校準(zhǔn)件的計量校準(zhǔn)在技術(shù)上是很有挑戰(zhàn)性的，而一份原廠計量報告包含了大幾十頁的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)到底描述了那些信息？我們敢拍著胸脯向您保證，當(dāng)您讀懂一份校準(zhǔn)件的原廠計量報告時，您對射頻阻抗的了解也會上一個臺階。
是德科技的支持門戶網(wǎng)站(https://support.keysight.com/）為客戶提供了下載本公司設(shè)備校準(zhǔn)報告的功能，我們就以服務(wù)部門自己的校準(zhǔn)件做的報告為例，為大家解讀一下原廠計量報告。這份報告測試的是一只兩端口3.5 mm 的電子校準(zhǔn)件，型號是N4691D。
首先，在證書的第四頁，列出了所有測試項目：
我們可以看到，整個計量報告包含了5個計量校準(zhǔn)項目（Calibration Test Results Summary），和3項功能性測試項目（Functional Test Results Summary）。計量項目包含了A、B端口的單端口反射（4項測試），以及兩端口傳輸特性。功能性測試則是插針深度和兩個端口的重復(fù)性測試。
還記得第二章我們提到插針深度的參數(shù)是特征值（Characteristics），因此我們把它放在功能性測試這部分。這幾項的結(jié)論是As Expected/Not As Expected，證書中也有關(guān)于這部分的解釋說明。
Connector Repeatability 指的是穩(wěn)定性測試。是電子校準(zhǔn)件的端口連接角度發(fā)生180度變化時的反射系數(shù)的重復(fù)性衡量。這一測試參數(shù)甚至沒有在Data Sheets中提及。但是實際測試中確實碰到不少計量結(jié)果正常，但是重復(fù)性不能通過的例子，這會給實際使用帶來極大的偶然性，因此我們把這一項列入報告，并建議遇到這一問題的客戶通過更換連接器解決問題。
插針深度（Mechanical Inspection）也是非常重要的一項。雖然不作為Pass/Fail判斷的依據(jù)，但是根據(jù)我們的經(jīng)驗，這一項超出上下限往往會導(dǎo)致該端口的反射性能超差，尤其是高頻部分。
總的來說這三項功能性測試雖然不影響Pass/Fail結(jié)論，但是從其他角度為DUT提供了更全面的數(shù)據(jù)，也是計量項目或維修建議強有力的數(shù)據(jù)支撐。
接下來讓我們觀察一下這8個項目的結(jié)論。電子校準(zhǔn)件是可以通過重寫EEPROM實現(xiàn)參數(shù)調(diào)整的，另外硬件超差損壞后的維修也會帶來校準(zhǔn)件性能的改變。因此以上8個項目的結(jié)論分為剛收到校準(zhǔn)件時的數(shù)據(jù)和狀態(tài)（As Received）和完成校準(zhǔn)時的數(shù)據(jù)和狀態(tài)（As Completed）。前者可以讓用戶判斷上一個校準(zhǔn)周期內(nèi)對校準(zhǔn)件的使用是否符合指標(biāo)要求；后者則可以給用戶在接下來的一個校準(zhǔn)周期的使用提供符合指標(biāo)要求的依據(jù)和信心。我們可以看到剛收到時候端口B狀態(tài)是Passed?，這就是俗稱的“卡邊”的狀態(tài)（專業(yè)說法是可能發(fā)生False Pass，詳細可參考證書第二頁的說明），其他項目都沒問題。之后我們重新刷新了電子校準(zhǔn)件的數(shù)據(jù)，完成狀態(tài)的測試結(jié)果就沒有任何問題了。
如果您細心觀察，或許會問如下問題：
1) 計量的1、3項目（Reflection Characterization）和2、4項目（Reflection Performance Verification）看起來差不多，為什么結(jié)論不一樣？
2)?對于上面提到的“卡邊”的數(shù)據(jù)，測的到底是什么量？橫軸縱軸分別代表什么？
不錯，1、3項目和2、4項目本質(zhì)上是一樣的，都是關(guān)于反射特性的指標(biāo)。第一個測試項目分別測試了電子校準(zhǔn)件Port A在Open、Short、Load、Mismatch四種狀態(tài)下S11反射系數(shù)的模和相位。其中反射系數(shù)的模，取了對數(shù)單位，感興趣的朋友可以轉(zhuǎn)換成線性單位，看看電子校準(zhǔn)件的OSL狀態(tài)是否為理想模型。
與機械校準(zhǔn)件不同，電子校準(zhǔn)件有著更為多樣和復(fù)雜的阻抗模式，每一個模式?jīng)]有、也不需要單獨的技術(shù)指標(biāo)來判斷 Pass/Fail，而是由是德科技的網(wǎng)分將不同的狀態(tài)的參數(shù)結(jié)合起來，算出等效的方向性、源匹配和反射跟蹤，并合成為等效的反射系數(shù)。這個由實測值等效計算的反射系數(shù)就可以和指標(biāo)推導(dǎo)出的反射系數(shù)對比，得到Pass/Fail結(jié)論了。這就是第二項測試Port A - Reflection Performance Verification的內(nèi)容。
也就是說，做Pass/Fail判斷的第2、4項其實并沒有一個點到一個點真正地在測試，所有數(shù)據(jù)是基于前一個項目計算得到的。橫軸是反射系數(shù)的模，這是一個理論值。Measured和Maximum分別為根據(jù)合成公式得到的反射系數(shù)誤差和誤差上限。因為是計算得到的，所以后面有一個注釋：*Measured Value is based on the difference between the reference error terms and the device under test generated error terms.
另外需要注意的是，這一項根據(jù)不同指標(biāo)分了7個頻段，報告上體現(xiàn)的是這一頻段最差的一個點。在本報告中，我們可以看到收到校準(zhǔn)件時的狀態(tài)，不但10~20 GHz的最差點出現(xiàn)Pass?的情況，2~10 GHz，20~26.5 GHz雖然Pass但是數(shù)據(jù)也不是很好。之后由于刷新了EEPROM，校準(zhǔn)完成時的數(shù)據(jù)都整整齊齊，漂漂亮亮了。
讀到這里，您可能會問，那校準(zhǔn)件如果超差了，到底對于測量結(jié)果影響有多大？
這個問題，我們將在下篇給您解答。同時，我們還會介紹您的校準(zhǔn)件送來是德校準(zhǔn)的時候，我們還會做哪些“特殊服務(wù)”。敬請關(guān)注！
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