賀同云 江巖

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，山東青島 266555）

0 引言

在微波射頻領(lǐng)域，當(dāng)測(cè)試一個(gè)器件時(shí)，最大的挑戰(zhàn)之一，是如何消除有害的夾具效應(yīng)。端口延伸和TRL校準(zhǔn)是補(bǔ)償校準(zhǔn)參考平面和儀器的測(cè)量平面不一致而引起的誤差的最簡(jiǎn)單方法之一。校準(zhǔn)之后，可以利用端口延伸特性來(lái)補(bǔ)償由于增加諸如電纜、適配器或夾具所引起的延伸測(cè)量參考面的誤差。當(dāng)要求很高的測(cè)量精度，并且沒(méi)有與被測(cè)件連接器類(lèi)型相同的校準(zhǔn)件時(shí)，例如使用夾具進(jìn)行測(cè)量或使用探針進(jìn)行晶片上測(cè)量時(shí)，經(jīng)常需要進(jìn)行TRL校準(zhǔn)。TRL校準(zhǔn)通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)傳輸標(biāo)準(zhǔn)和一個(gè)反射標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定12項(xiàng)誤差系數(shù)，而傳統(tǒng)的SOLT校準(zhǔn)通過(guò)測(cè)量一個(gè)傳輸標(biāo)準(zhǔn)（T）和三個(gè)反射標(biāo)準(zhǔn)（SOL）來(lái)確定同樣多的誤差系數(shù)。

1 端口延伸的實(shí)現(xiàn)

在端口延伸之前，一般需要兩個(gè)步驟。第一步，做一個(gè)全雙端口的校準(zhǔn)，這一步去除了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、連接電纜和各種同軸連接器的誤差，并給所有的夾具連接處以很好的源匹配。第二步是使用端口延伸進(jìn)行測(cè)試夾具、電纜或適配器的校準(zhǔn)。這一步就可以去掉它們的插損和響應(yīng)延遲。

端口延伸包括手動(dòng)端口延伸和自動(dòng)端口延伸，手動(dòng)端口延伸是在已知附加傳輸線的某些特性的情況下進(jìn)行的，否則可以使用自動(dòng)端口延伸。端口延伸的主界面如圖1所示。

圖1

1.1 手動(dòng)端口延伸的過(guò)程

1）選擇一個(gè)校準(zhǔn)后的S11測(cè)量（端口1）；若要對(duì)端口2進(jìn)行延伸，請(qǐng)選擇校準(zhǔn)后的S22測(cè)量。

2）選擇顯示格式為相位格式。

3）在校準(zhǔn)參考面上連接OPEN或SHORT，檢驗(yàn)相位在頻率跨度內(nèi)是否在0或0附近。

4）連接附加傳輸線或夾具，并在DUT的位置連接一個(gè)OPEN或SHORT。然后逐步增加延時(shí)，直到相位響應(yīng)在整個(gè)關(guān)心的頻率跨度內(nèi)為平坦的。

5）若已知附加傳輸線的損耗，直接輸入損耗補(bǔ)償值，可以使用一個(gè)（損耗1）或兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)（損耗1和損耗2）進(jìn)行損耗補(bǔ)償。

如果已知附加傳輸線的電長(zhǎng)度，則直接在圖1“時(shí)間”中輸入即可。如果已知附加傳輸線的物理長(zhǎng)度，增加“時(shí)間”直到“距離”等于附加傳輸線的物理長(zhǎng)度即可。如果既不知道附加傳輸線的電長(zhǎng)度也不知道附加傳輸線的物理長(zhǎng)度，那必須在新的參考面上連接一個(gè)開(kāi)路器或短路器。這樣就可以使用自動(dòng)端口延伸。

1.2 自動(dòng)端口延伸過(guò)程

1）連接附加的傳輸線或夾具后，在新的參考面上連接開(kāi)路器或短路器。

2）在圖1中點(diǎn)擊“自動(dòng)端口延伸”，出現(xiàn)如圖2所示的對(duì)話框，然后點(diǎn)擊圖2中的“顯示配置”進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。

3）點(diǎn)擊圖2中的“開(kāi)路”或“短路”進(jìn)行自動(dòng)端口延伸的計(jì)算，自動(dòng)計(jì)算出來(lái)的延時(shí)與損耗會(huì)顯示在圖1相應(yīng)的文本框中，同時(shí)，自動(dòng)計(jì)算完畢后會(huì)自動(dòng)打開(kāi)端口延伸功能。

1.3 自動(dòng)端口延伸的實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)端口延伸的界面如圖2所示。

圖2

2 TRL校準(zhǔn)

TRL（Thru-Reflect-Line）校準(zhǔn)包括一系列的校準(zhǔn)技術(shù)，如TRM(Thru-Reflect-Match)。TRL校準(zhǔn)通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)傳輸標(biāo)準(zhǔn)和一個(gè)反射標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定12項(xiàng)誤差系數(shù)，而傳統(tǒng)的SOLT校準(zhǔn)通過(guò)測(cè)量一個(gè)傳輸標(biāo)準(zhǔn)（T）和三個(gè)反射標(biāo)準(zhǔn)（SOL）來(lái)確定同樣多的誤差系數(shù)。

如果需要對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行TRL校準(zhǔn)，由于支持TRL校準(zhǔn)的校準(zhǔn)件非常少，此時(shí)必須構(gòu)建和定義與被測(cè)件介質(zhì)相同的校準(zhǔn)件，而制造3個(gè)TRL標(biāo)準(zhǔn)比制造4個(gè)SOLT標(biāo)準(zhǔn)要更容易。TRL校準(zhǔn)適合窄帶校準(zhǔn)，當(dāng)需要進(jìn)行寬帶校準(zhǔn)時(shí)必須使用多個(gè)傳輸線標(biāo)準(zhǔn)，例如，2GHz～26GHz頻段需要兩個(gè)傳輸線標(biāo)準(zhǔn)，而在低頻段，傳輸線標(biāo)準(zhǔn)會(huì)特別長(zhǎng)。

TRL校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)需要定義三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：直通標(biāo)準(zhǔn)、反射標(biāo)準(zhǔn)和傳輸線標(biāo)準(zhǔn)。下面分別對(duì)這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在定義和構(gòu)建的過(guò)程中應(yīng)該注意的事項(xiàng)一一進(jìn)行介紹。

2.1 直通標(biāo)準(zhǔn)

直通標(biāo)準(zhǔn)可以是零長(zhǎng)度也可以是非零長(zhǎng)度，零長(zhǎng)度直通因?yàn)闆](méi)有損耗和特征阻抗要更精確一些。直通標(biāo)準(zhǔn)的電延時(shí)不能與傳輸線標(biāo)準(zhǔn)相同，如果精確的定義了其相位和電長(zhǎng)度，可以用它在校準(zhǔn)時(shí)建立測(cè)量參考平面。

2.2 反射標(biāo)準(zhǔn)

反射標(biāo)準(zhǔn)可以是有高反射系數(shù)的任何物理器件，連接到兩個(gè)測(cè)量端口反射標(biāo)準(zhǔn)的特性必須完全相同。在校準(zhǔn)時(shí)并不需要知道標(biāo)準(zhǔn)件反射的幅度，但必須知道相位，而且其電長(zhǎng)度必須在1/4波長(zhǎng)以內(nèi)。如果精確的定義了反射標(biāo)準(zhǔn)的幅度和相位，可以用它來(lái)建立測(cè)量參考平面。

2.3 傳輸線標(biāo)準(zhǔn)

傳輸線標(biāo)準(zhǔn)用來(lái)建立校準(zhǔn)后的測(cè)量參考阻抗，TRL校準(zhǔn)由于傳輸線標(biāo)準(zhǔn)的限制存在以下不足：

· 傳輸線標(biāo)準(zhǔn)必須與直通標(biāo)準(zhǔn)的阻抗相同。

· 傳輸線標(biāo)準(zhǔn)的電長(zhǎng)度不能與直通標(biāo)準(zhǔn)相同。

· 傳輸線標(biāo)準(zhǔn)在整個(gè)頻率范圍內(nèi)必須有適當(dāng)?shù)碾婇L(zhǎng)度，在每個(gè)頻率點(diǎn)，傳輸線標(biāo)準(zhǔn)與直通標(biāo)準(zhǔn)的相位差必須大于20o小于160o，因此實(shí)際單根傳輸線能覆蓋的頻率范圍為8：1。為了覆蓋更寬的頻率范圍，需要多個(gè)傳輸線標(biāo)準(zhǔn)。

· 在低頻段，傳輸線標(biāo)準(zhǔn)會(huì)特別長(zhǎng)，傳輸線標(biāo)準(zhǔn)的最優(yōu)長(zhǎng)度為頻率跨度幾何平均頻率（起始頻率×終止頻率的平方根）的1/4波長(zhǎng)。

2.4 匹配標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)所需長(zhǎng)度或損耗的傳輸線不能制造時(shí)，可以使用匹配標(biāo)準(zhǔn)來(lái)代替?zhèn)鬏斁€。

· 匹配標(biāo)準(zhǔn)為連接到端口上的低反射終端。

· 在TRL校準(zhǔn)的誤差系數(shù)計(jì)算時(shí)，將匹配標(biāo)準(zhǔn)作為高損耗、無(wú)限長(zhǎng)度的傳輸線。

· 匹配標(biāo)準(zhǔn)的阻抗變?yōu)闇y(cè)量的參考阻抗

3 TRL校準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的TRL校準(zhǔn)功能測(cè)量表面貼裝器件的S參數(shù)，必須制作相應(yīng)的測(cè)試夾具，測(cè)試夾具制作好后才能在相應(yīng)的測(cè)試夾具上制作TRL校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件。下面以MAX2640低噪聲放大器（LNA）的S參數(shù)測(cè)量和穩(wěn)定性分析為例介紹一下TRL校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件制作的過(guò)程。

對(duì)MAX2640進(jìn)行S參數(shù)測(cè)量時(shí)使用了兩套評(píng)估（EV）板和一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)分析儀（HP8753D）。將第一套評(píng)估板（kit#1）的IC去掉用于校準(zhǔn)，利用第二套評(píng)估板（kit#2）進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，該套評(píng)估板保留了IC，但無(wú)匹配元件。

1.對(duì)雙口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了完整的校準(zhǔn)操作，校準(zhǔn)范圍包括與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相連接的電纜。

2.當(dāng)我們測(cè)量第二套評(píng)估板（kit#2）上不帶匹配元件時(shí)IC的S參數(shù)時(shí)，將短接線放置到了第一套評(píng)估板（kit#1）上MAX2640輸入和輸出引腳的焊接位置（參見(jiàn)圖3）。

3.調(diào)整網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口延時(shí)，使315MHz時(shí)輸入端和輸出端的阻抗都盡可能接近于短路狀態(tài)。此時(shí)我們就可以利用該校準(zhǔn)在第二套評(píng)估板（kit#2）上的MAX2640器件引腳處進(jìn)行S參數(shù)測(cè)量。

圖3 用于MAX2640的S參數(shù)測(cè)量的校準(zhǔn)電路

4.然后修改第一套評(píng)估板（kit#1），將上面的短接線移置到上次匹配元件的放置點(diǎn)。再一次調(diào)整網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口延時(shí)，使315MHz時(shí)輸入端和輸出端的阻抗都盡可能接近于短路狀態(tài)。

圖4 仿真和性能測(cè)試S11 (dB)的比較

圖5 仿真和性能測(cè)試S11 (相位)的比較

圖6 仿真和性能測(cè)試S22 (dB)的比較

圖7 仿真和性能測(cè)試S22 (相位)的比較

圖8 仿真和性能測(cè)試S21 (dB)的比較

圖9 仿真和性能測(cè)試S21 (相位)的比較

5.接著將匹配元件放回到第二套評(píng)估板（kit#2）上，對(duì)評(píng)估板上帶有匹配元件的IC進(jìn)行S參數(shù)測(cè)量。

6.為了證實(shí)僅測(cè)試IC時(shí)（上述步驟3）S參數(shù)的正確性，將所得的S參數(shù)導(dǎo)入ADS（微波仿真軟件），并在所建模型中加入匹配元件和傳輸線。同時(shí)為了模擬板上存在的寄生效應(yīng)，在模型的輸入引腳和輸出引腳加一只0.5pF電容。然后將所建立的模型的仿真性能曲線與評(píng)估板上帶有匹配元件時(shí)所測(cè)得的IC S參數(shù)（上述步驟5）進(jìn)行比較。

4 測(cè)試結(jié)果

圖4至圖9曲線標(biāo)注定義如下：

MAX2640_Epcos_1GHz_simulation：只對(duì)工作臺(tái)上不帶匹配元件的IC進(jìn)行了測(cè)量，利用所測(cè)得的S參數(shù)進(jìn)行仿真，并在ADS的仿真模型中加入了匹配元件。

MAX2640_Epcos_1GHz_bench：在評(píng)估板上加入了匹配元件后再對(duì)IC進(jìn)行S參數(shù)測(cè)量。

上述數(shù)據(jù)表明所進(jìn)行的兩個(gè)測(cè)試中，幅值和相位性能都非常接近。除去微小的頻率偏移，仿真結(jié)果(利用不帶匹配元件的IC的測(cè)試S參數(shù)建立模型，并在ADS模型中加入匹配元件后對(duì)模擬工作臺(tái)進(jìn)行仿真測(cè)量)非常接近于實(shí)際性能測(cè)試(在評(píng)估板上加入匹配元件后，對(duì)實(shí)際性能進(jìn)行測(cè)試)。所以可以得到這樣的結(jié)論：對(duì)MAX2640進(jìn)行測(cè)量所得的S參數(shù)是可靠的，可用于仿真和穩(wěn)定性分析。

5 結(jié)論

本文簡(jiǎn)單介紹了利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量表面貼裝器件（SMD）S參數(shù)的兩種方法。即端口延伸法和TRL校準(zhǔn)法，這兩種方法在實(shí)際的測(cè)試過(guò)程中，可以根據(jù)對(duì)測(cè)量精度要求的高低來(lái)選擇，當(dāng)要求的測(cè)量精度不高時(shí)，一般選擇端口延伸法。當(dāng)要求很高的測(cè)量精度時(shí)，并且沒(méi)有與被測(cè)件連接器類(lèi)型相同的校準(zhǔn)件時(shí)，經(jīng)常選擇TRL校準(zhǔn)法。

[1] In-fixture measurement Using Vector Network Analyzer, Agilent AN 1287-9, 2006

[2] 《利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀去除和嵌入S參數(shù)網(wǎng)絡(luò)》,國(guó)外電子測(cè)量技術(shù), Michael Knox , 2000年第5期

[3] 《矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口延伸和去嵌入功能的研究》,科技信息, 段飛等 , 2011年第11期

[4] 《非同軸微波器件測(cè)試夾具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用》,電子元件與材料, 雷靜, 第30卷第7期

[5] 《S參數(shù)測(cè)試校準(zhǔn)技術(shù)中SOLT和TRL校準(zhǔn)方法的比較》,第五屆中國(guó)測(cè)試學(xué)術(shù)會(huì)議論文集, 李偉等, 2008年5月