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网络分析仪搭配校准件使用，可能是工程师们每天的日常。然而很多工程师甚至没意识到，校准件也是需要计量校准的。
是德科技成都服务中心自2021年11月开始提供电子校准件校准和维修服务以来，接收的电子校准件超过三成有端口严重磨损、磕碰、偏针的问题，导致无法通过预检，需要维修更换连接器。即使通过预检的电子校准件中，也有大约两成在校准过程中发现超差。
因此我们结合理论和实践，
呕心沥血整理了一篇超超超长且超超超干的文章。在本文中您将会了解以下内容：
1.当我们讨论网分校准的时候，我们校准的是什么？
2.当我们讨论网分校准件校准的时候，我们校准的又是什么？
3.校准件能提高网分精度大家都懂，那还有什么东西可以校准校准件？
4.校准件校准报告里面包含了哪些有价值的信息？
5.校准件超差意味着什么？还能用吗？
6.您的校准件在原厂还会得到哪些特殊服务？
鉴于篇幅关系，我们将会分为上下两篇。本次推出的上篇为您介绍第1-4章，而剩下的5、6两章则会作为下篇，后续推送。
首先来看看，我们与一些工程师聊到网分校准件的时候，他们的一些典型反馈，开启上篇之旅。
A：校准件就是用来校准的，它自己当然不用校准。
B：这位大哥对于计量校准和自校准的概念有些模糊，可以看看第一章内容能否帮到您。
C：从来就没考虑过这个问题，校准件不是网分的附件么？它还有自己的技术指标？
B：很好的问题，建议关注第二章内容，什么是指标，校准件的指标又是什么。
D：既然你们这么说了，那校准件肯定要校准，但是校准件应该比网分准吧，还有什么技术手段能校准校准件呢？好像没听说过。
B：这个问题很有深度，相信第三章内容能解答您的问题。
E：校准件校准证书里有什么内容？老实说贵司的证书都是几十页，还是全英文的，我就没怎么读懂过。
B：是德的校准证书在全球都有较高的公信力，想要读懂一份全英文60多页的证书报告确实有点“门槛”，没关系第四章我们保证教会您。
话不多说，这就开始。
1.当我们讨论网分校准的时候，我们校准的是什么？
无论是中文校准，还是英文calibration，都是电子测量领域经常遇到的词。由于它频繁地出现在各种场合，以至于它代表的准确意义经常被混淆。
测试工程师更熟悉的“校准”，往往指的是设备自身取参考面，消除系统误差的过程。比如网分校准就是用已知反射系数和相位的校准件，去去除网分系统误差。甚至扫描仪，打印机开机，也会显示self-calibration。
在服务领域，校准指的是对测试设备的周期性计量校准。这是一种通过更精确且具有溯源性的外部设备，检查测试设备是否还满足出产时的技术指标的过程。计量校准非常类似员工体检，主要通过外部设备检查生理指标。本文专注讨论狭义的计量校准（Metrological Calibration），但也会涉及到自校准，为避免混淆，会尽量使用计量校准全称。
使用校准件校准网分时，重新选取了测试端面，极大降低了系统误差。而网分做年度计量校准的时候，对网分的功率精度和线性度、接收机、底噪、动态精度、频率精度、迹线噪声和出厂指标进行了对比。尤其是网分原厂计量校准的最后一项——校准系数（Calibration Coefficients），给出了各个端口未校准状态下的能力（方向性、源匹配、负载匹配），是重要的整体指标。请注意这一项是未校准状态下的指标，和其他项目一样，这一项和客户日常使用什么校准件无关，严谨地体现被测网分的单机性能。
简单的说：
网分和校准件的计量校准，是定期使用外部高等级标准设备，进行量值溯源和性能查验，看看是否“合格”。虽然大多数情况下计量前后仪表的状态以及精度没有变化，但是，校准和体检一样，目的就是不让小概率事件引发大问题，况且是德原厂校准的部分项目在超差时还提供了调整（Adjustment）。而网分的自校准则是日常使用中重建参考端面的过程，以降低系统误差。千万不要再混淆了。
2. 当我们讨论网分校准件校准的时候，我们校准的又是什么？
在讨论网分校准件计量校准的具体项目之前，首先应该明确几件事情：
1 仪表的技术指标是什么？
2 哪些参数应该列入计量校准项目？
是德科技有一份自惠普时代沿用至今的技术文档叫Specifications Guidelines，里面详细阐述了是德产品的产品信息包含了哪些内容，指标的概念和意义，以及它们和计量校准的关系。
上图产品信息里的Specifications也就是我们常说的技术指标，它取决于仪表的不同选件，同时和计量校准密切相关。计量报告会以技术指标的上下限，给出Pass/Fail的结论，这一过程也是仪表出厂前必备的一步，这也是为什么仪表出厂会自带一份计量校准报告的原因。
除了指标外，产品信息还包括功能（Features）和特性（Characteristics）。功能大多无法用数值描述，例如GPIB接口就是一种功能。而特性有时被称为典型值或补充特性，虽然描述了典型性能，但是这些性能不在产品质保范围之内。
这篇文章也描述了针对产品的不同信息，是德科技采取哪些验证方式。如上图所示，对于有质保的性能指标参数，我们会通过计量校准实现仪器性能测试和系统验证；而对于产品功能和操作性验证，我们会执行功能性测试。这两部分内容，用户都可以在是德的校准报告中看到。
那么，电子校准件的参数有哪些呢？以N4691D为例，是德科技在Electronic Calibration Modules Reference Guide中给出了N4691D的指标和特性，首先是反射方面的指标：
熟悉网络分析仪12项误差模型的人对上面提到的Directivity（方向性），Source Match（源匹配），Reflection Tracking（反射跟踪）比较熟悉。对于大部分工程师，利用如下公式把这三项误差模型合成为反射系数会更加直观：
这一公式中S11是被校准端面的实际反射系数，Гm则是网分测出来的反射系数。有经验的工程师在完成网分校准时经常用一个负载来验证校准结果，并以“单端口反射小于XX dB，传输小于0.XX dB”作为验证标准。（具体取决于频段和验证负载，在低频单端口通常小于-40dB）。通过观察上面这个公式可以看出，当使用理想负载验证的时候S11趋近于0。因此公式后半部分趋近于0，这使得算出的Гm≈ED。换句话来说当使用理想负载验证校准结果时，单端口反射主要体现校准件的方向性；使用不那么理想的负载验证校准结果时，单端口反射结果会比校准件的方向性略差。对于N4691D的指标来说，这个结果在不同频段应该达到大概30dB或40dB的水平。
电子校准件的Data Sheets同时给出了N4691D的传输和插针深度方面的特性。请注意这些参数是Characteristics（典型值），不参与Pass/Fail判断，在第四章您将看到一份真实的是德科技原厂校准报告，其中插针深度做为功能性测试的一部分给出了完整的数据。
综上所述，一份电子校准件原厂计量报告给出了反射系数是否符合技术指标的技术判断。这是最重要的部分，但是还没完，我们还提供了电子校准件在不同链路下的特征值、传输特性、以及包含端口重复性和插针深度的功能性测试数据。一个26.5GHz两端口的校准报告可能包含70页的数据，四端口或更高频率的电子校准件的校准报告中数据信息更多。我们在第四章会有详细的报告解读。
3. 校准件能提高网分精度大家都懂，那还有什么东西可以校准校准件？
在正式开始这一部分前，先考考大家。
校准网分不用校准件校准，校准校准件倒用校准件校准网分
这一描述正确吗？
乍一听像是个绕口令，也像是个冷笑话。本文第一章提到在整个网分计量校准过程中，我们仅用校准件作为一个“标准源”来检查网分的未校准整体性能，所以绕口令的前半部分“校准（计量）网分不用校准件校准”虽然念起来像是鬼扯，背后还是成立的 。后面这句“校准（计量）校准件倒用校准件校准（过的）网分”到底靠不靠谱，看完本章相信您自有分晓。
校准件用什么标准设备做计量校准呢？证书的第二页给出了完整的溯源信息：
是的，校准件的计量需要一台网分和一套特制的校准件，在这份报告中是ET33700。特在哪里？
众所周知，射频阻抗的特性参数取决于几何尺寸，因此这套校准件就是千里挑一特意选出的一套机械精度格外好，且稳定性格外高的设备。同样的，由于热胀冷缩，几何尺寸是会改变的，因此作为计量标准的这套校准件在是德科技美国的实验室中做了标定，并带有该温湿度下的阻抗特性数据。而成都服务中心计量校准件的实验室可以做到恒温在23±1摄氏度（见证书第一页）。在这个条件下，作为计量标准的网分和校准件完成全两端口校准后有足够高的精度为校准件计量校准。
因此，表面上来看，做校准件的计量校准仅仅需要对应的网分和精度更高的一套校准件就可以了。但是这背后还包含了对这套标准校准件的特性分析、不确定度分析、溯源链、实验室环境、人员操作、校准方法研发、测试可靠性控制等一系列必要条件。
这是一张是德科技成都服务中心电子校准件校准工位的真实照片，巨大的木头匣子里装的就是上面提到的神器ET33700。这样的校准件在服务中心有近10套，来服务不同接口不同频段的被测校准件。
图片上还展示了校准件预检所需要的设备：电子显微镜、玻璃尺、插针深度量规、力矩扳手、固定扳手。以及清洁用的压缩空气、异丙醇、棉签。
4.校准件校准报告里面包含了哪些有价值的信息？
校准件的计量校准在技术上是很有挑战性的，而一份原厂计量报告包含了大几十页的数据。这些数据到底描述了那些信息？我们敢拍着胸脯向您保证，当您读懂一份校准件的原厂计量报告时，您对射频阻抗的了解也会上一个台阶。
是德科技的支持门户网站(https://support.keysight.com/）为客户提供了下载本公司设备校准报告的功能，我们就以服务部门自己的校准件做的报告为例，为大家解读一下原厂计量报告。这份报告测试的是一只两端口3.5 mm 的电子校准件，型号是N4691D。
首先，在证书的第四页，列出了所有测试项目：
我们可以看到，整个计量报告包含了5个计量校准项目（Calibration Test Results Summary），和3项功能性测试项目（Functional Test Results Summary）。计量项目包含了A、B端口的单端口反射（4项测试），以及两端口传输特性。功能性测试则是插针深度和两个端口的重复性测试。
还记得第二章我们提到插针深度的参数是特征值（Characteristics），因此我们把它放在功能性测试这部分。这几项的结论是As Expected/Not As Expected，证书中也有关于这部分的解释说明。
Connector Repeatability 指的是稳定性测试。是电子校准件的端口连接角度发生180度变化时的反射系数的重复性衡量。这一测试参数甚至没有在Data Sheets中提及。但是实际测试中确实碰到不少计量结果正常，但是重复性不能通过的例子，这会给实际使用带来极大的偶然性，因此我们把这一项列入报告，并建议遇到这一问题的客户通过更换连接器解决问题。
插针深度（Mechanical Inspection）也是非常重要的一项。虽然不作为Pass/Fail判断的依据，但是根据我们的经验，这一项超出上下限往往会导致该端口的反射性能超差，尤其是高频部分。
总的来说这三项功能性测试虽然不影响Pass/Fail结论，但是从其他角度为DUT提供了更全面的数据，也是计量项目或维修建议强有力的数据支撑。
接下来让我们观察一下这8个项目的结论。电子校准件是可以通过重写EEPROM实现参数调整的，另外硬件超差损坏后的维修也会带来校准件性能的改变。因此以上8个项目的结论分为刚收到校准件时的数据和状态（As Received）和完成校准时的数据和状态（As Completed）。前者可以让用户判断上一个校准周期内对校准件的使用是否符合指标要求；后者则可以给用户在接下来的一个校准周期的使用提供符合指标要求的依据和信心。我们可以看到刚收到时候端口B状态是Passed‡，这就是俗称的“卡边”的状态（专业说法是可能发生False Pass，详细可参考证书第二页的说明），其他项目都没问题。之后我们重新刷新了电子校准件的数据，完成状态的测试结果就没有任何问题了。
如果您细心观察，或许会问如下问题：
1) 计量的1、3项目（Reflection Characterization）和2、4项目（Reflection Performance Verification）看起来差不多，为什么结论不一样？
2) 对于上面提到的“卡边”的数据，测的到底是什么量？横轴纵轴分别代表什么？
不错，1、3项目和2、4项目本质上是一样的，都是关于反射特性的指标。第一个测试项目分别测试了电子校准件Port A在Open、Short、Load、Mismatch四种状态下S11反射系数的模和相位。其中反射系数的模，取了对数单位，感兴趣的朋友可以转换成线性单位，看看电子校准件的OSL状态是否为理想模型。
与机械校准件不同，电子校准件有着更为多样和复杂的阻抗模式，每一个模式没有、也不需要单独的技术指标来判断 Pass/Fail，而是由是德科技的网分将不同的状态的参数结合起来，算出等效的方向性、源匹配和反射跟踪，并合成为等效的反射系数。这个由实测值等效计算的反射系数就可以和指标推导出的反射系数对比，得到Pass/Fail结论了。这就是第二项测试Port A - Reflection Performance Verification的内容。
也就是说，做Pass/Fail判断的第2、4项其实并没有一个点到一个点真正地在测试，所有数据是基于前一个项目计算得到的。横轴是反射系数的模，这是一个理论值。Measured和Maximum分别为根据合成公式得到的反射系数误差和误差上限。因为是计算得到的，所以后面有一个注释：*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，这一项根据不同指标分了7个频段，报告上体现的是这一频段最差的一个点。在本报告中，我们可以看到收到校准件时的状态，不但10~20 GHz的最差点出现Pass‡的情况，2~10 GHz，20~26.5 GHz虽然Pass但是数据也不是很好。之后由于刷新了EEPROM，校准完成时的数据都整整齐齐，漂漂亮亮了。
读到这里，您可能会问，那校准件如果超差了，到底对于测量结果影响有多大？
这个问题，我们将在下篇给您解答。同时，我们还会介绍您的校准件送来是德校准的时候，我们还会做哪些“特殊服务”。敬请关注！
