王宜輝，高建軍

(華東師范大學(xué)信息學(xué)院通信系，上海200241)

對于非同軸接口器件(如表面貼裝器件)的測量，必須使用測試夾具連接器件和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。因此測量結(jié)果中就包含了測試夾具帶來的誤差，要得到精確的器件等效電路模型，必須去嵌測試夾具。有各種方法得到器件的精確模型，比如通過精確的校準(zhǔn)［1－2］，或者通過理論得到器件的閉式方程［3］。然而，對于電小尺寸或者非均勻三維連接器(如SMA 接頭)很難使用閉式方程分析器件。現(xiàn)在基于麥克斯韋方程的數(shù)值方法在處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)的器件建模問題中已經(jīng)成為不可或缺的有用工具。近年來，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)用于分析任意三維連接器的問題有了長足的發(fā)展，有越來越多的電磁問題使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具來解決［4－5］。測量法是先制造再設(shè)計(jì)，利用已經(jīng)實(shí)際制造出來的元件的測量結(jié)果進(jìn)行建模，關(guān)鍵參數(shù)通過擬合得到，可以得到各種實(shí)際的非理想效應(yīng)的影響，非常可靠。

本文使用基于電磁仿真的去嵌技術(shù)去除測試夾具的影響。圖1 顯示了系統(tǒng)各參考面和各部分的散射參數(shù)定義。在待測器件的左右兩邊分別嵌入了連接網(wǎng)絡(luò)，去嵌就是去除嵌入網(wǎng)絡(luò)的影響從而得到待測器件參數(shù)的過程。對于嵌入網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的確定，可通過測量同等結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)件來實(shí)現(xiàn)［6］。本文通過分別測量和仿真“開路”和“短路”標(biāo)準(zhǔn)件來確定測量夾具的參數(shù)。通過HFSS 對開路和短路標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果和使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀得到的測量結(jié)果進(jìn)行比較，直到18 GHz 的吻合結(jié)果驗(yàn)證了仿真的正確性，接著就可以單獨(dú)仿真測試夾具，得到測試夾具的參數(shù)。最后使用ADS 中的去嵌功能去除測試夾具的影響，使用測量法得到待測件的參數(shù)，建立待測件的等效電路模型。

1 去嵌的數(shù)值方法

去嵌是通過數(shù)學(xué)方法去除測量的待測器件數(shù)據(jù)中的多余成分，這一過程可以通過矩陣運(yùn)算實(shí)現(xiàn)。我們可以把測試夾具和待測件看成三個二端口網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)，如圖1 所示。St是一個2×2 的表示整體的散射矩陣，S 代表待測件的散射參數(shù)，S1和S2是2×2 的分別代表位于待測件和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀之間的二端口網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣參數(shù)。因?yàn)槭羌壜?lián)，將散射矩陣轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的傳輸散射矩陣Ti(i=1，2 and t)，可得

St可以通過測量得到，則Ti可以得到，如果S1和S2可以得到，則T1和T2就可以得到。從式(1)可得

然后將T 矩陣轉(zhuǎn)換成S 矩陣［7］，就得到了待測件的散射矩陣，現(xiàn)在的問題是如何得到S1和S2矩陣。

圖1 測試夾具各參考面和各部分散射參數(shù)的定義

2 測試夾具參數(shù)提取

為了得到SMA 轉(zhuǎn)接頭和微帶線部分的散射參數(shù)，我們首先將測量的“開路”和“短路”結(jié)構(gòu)參數(shù)和仿真的參數(shù)進(jìn)行比較，以驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性。圖2 所示為“開路”和“短路”標(biāo)準(zhǔn)件，測試夾具外圍金屬材料是可伐金，金屬的內(nèi)部尺寸是30 mm×25 mm×12 mm，兩邊的微帶線具有對稱結(jié)構(gòu)，其尺寸為12.5 mm×1.5 mm×0.02 mm，基片的材料是Rogers 5880，具有介電常數(shù)Er=2.2 和厚度0.5 mm。對于這個尺寸，微帶線的特性阻抗為Zc=50 Ω?！岸搪贰睒?biāo)準(zhǔn)件與“開路”標(biāo)準(zhǔn)件類似，只是終端通過金屬化通孔接地。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Agilent 8363c)使用SOLT 校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)到與SMA 的接觸面。圖3 所示分別為“開路”和“短路”標(biāo)準(zhǔn)件的測試數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的比較，通過幅度和角度的比較，可以看出直到18 GHz 測試和仿真吻合良好，其中相位的吻合更為重要，因?yàn)橄辔桓资艿礁鞣N干擾，而超過18 GHz吻合度降低，因?yàn)镾MA 接頭的最高工作頻率既是18 GHz，超過此頻率的測量結(jié)果本身就是不可靠的。這一吻合結(jié)果驗(yàn)證了仿真中所建立的測試夾具模型的準(zhǔn)確性。

圖2 “開路”和“短路”標(biāo)準(zhǔn)件

圖3 “開路”和“短路”標(biāo)準(zhǔn)件的測試數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的對比

3 表面貼裝電阻的參數(shù)提取

電阻的高頻等效電路模型由圖4 所示。本文以標(biāo)稱值為100 Ω 的電阻為例進(jìn)行參數(shù)提取。

圖4 電阻的高頻等效電路模型

在這種情況下，電阻的輸入導(dǎo)納可以表示為:

在諧振點(diǎn)(i.e.，Bin=0)，輸入阻抗為

從圖5 等效電路中的R 值可以在低頻提取，L 和C可以表示為式(6)和式(7)。

因此R、L、C 可以從式(5)、式(6)和式(7)中提取出來。使用ADS 可以得到R、L 和C 的曲線，分別由圖5、圖6 和圖7 所示。

圖5 電阻等效電路中參數(shù)R 的曲線

圖6 電阻等效電路中參數(shù)L 的曲線

圖7 電阻等效電路中參數(shù)C 的曲線

提取出R、L 和C 的值后使用ADS 進(jìn)行仿真。仿真電路圖如圖8 所示。圖9 顯示了基于測量和ADS 仿真的電阻散射參數(shù)，可以看出直到10 GHz結(jié)果吻合良好。

圖8 ADS 中100 Ω 電阻的等效電路模型

圖9 基于測量和ADS 仿真的電阻散射參數(shù)比較

4 結(jié)論

本文使用基于電磁仿真的方法去除測試夾具的影響，再使用測量法提取表面貼裝器件的參數(shù)建立模型。所建立的模型能夠在很寬的頻率范圍內(nèi)表征器件(高達(dá)10 GHz)。這一方法避免使用復(fù)雜的校準(zhǔn)方法，(只需使用標(biāo)準(zhǔn)的SOLT 方法校準(zhǔn))且能夠在很寬的頻率范圍表征器件。

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