程婷婷 張一治 任 翔 李 靜 李 碩 苗志坤

（航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心 北京 100854）

1 引言

目前，隨著航天航空，信息技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的微波器件被運(yùn)用到了武器系統(tǒng)，航空產(chǎn)品和通訊產(chǎn)品中。微波器件組成的系統(tǒng)對(duì)功能和相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)有很高要求，對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)的每個(gè)微波器件功能和技術(shù)指標(biāo)要求也很高。因此元器件制造商和設(shè)計(jì)工程師需要對(duì)每個(gè)部件性能進(jìn)行規(guī)劃和參數(shù)測(cè)試，才能保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定正常的工作。

2 需求

通常，人們將工作在微波波段（頻率為300MHz～300000MHz）的器件，稱(chēng)為微波器件。目前，常用的微波器種類(lèi)很多，有功率合成/分配器、隔離器、濾波器、波導(dǎo)組件、射頻開(kāi)關(guān)、微波放大器、微波晶體管等，由此被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。

隨著武器系統(tǒng)、航空產(chǎn)品和通訊產(chǎn)品的小型化、快速化、精細(xì)化的需求，微波器件的材料和工藝不斷更新?lián)Q代，非同軸微波器件越來(lái)越多的涌現(xiàn)出來(lái)。實(shí)現(xiàn)非同軸微波器件的準(zhǔn)確測(cè)試變的日益重要。想要實(shí)現(xiàn)非同軸微波器件的準(zhǔn)確測(cè)試，測(cè)試夾具的合理設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，由于測(cè)試夾具設(shè)計(jì)不合理，造成測(cè)試結(jié)果有誤的例子時(shí)有發(fā)生，甚至有時(shí)還會(huì)損傷被測(cè)微波器件和測(cè)試設(shè)備，因此合理設(shè)計(jì)夾具是實(shí)現(xiàn)微波器件準(zhǔn)確測(cè)試的關(guān)鍵所在［1～2］。

3 微波器件測(cè)試原理

目前，微波器件的測(cè)試除了需要測(cè)試夾具，還需要有測(cè)試設(shè)備和測(cè)試電纜。常用的測(cè)試設(shè)備有網(wǎng)絡(luò)分析儀、信號(hào)分析儀和信號(hào)發(fā)生器等，常見(jiàn)的測(cè)試為網(wǎng)絡(luò)分析儀通過(guò)半剛性同軸電纜組件連接測(cè)試夾具的方式對(duì)非同軸微波器件進(jìn)行測(cè)試。如圖1所示。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)主要由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、專(zhuān)用測(cè)試夾具（含專(zhuān)用校準(zhǔn)件）、半剛性同軸電纜組件和被測(cè)微波器件組成［3～4］。

圖1 微波器件測(cè)試原理圖

4 非同軸微波器件夾具設(shè)計(jì)方法

微波器件種類(lèi)很多，有同軸微波器件和非同軸微波器件。非同軸微波器件有多種封裝，例如圖2中表貼封裝、帶線(xiàn)封裝或者插針?lè)庋b等。這些封裝類(lèi)型微波器件不能直接與同軸接口形式的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接進(jìn)行測(cè)試，需要工程師設(shè)計(jì)和制作與器件相匹配的測(cè)試夾具。在非同軸微波器件測(cè)試時(shí)，由于非同軸微波器件本身的特殊封裝與高頻特性，以及測(cè)試時(shí)的非焊接要求，因此非同軸微波器件的夾具需要具備高精度、高可靠性、高重復(fù)性、使用方面等多重特點(diǎn)。在夾具設(shè)計(jì)時(shí)需要從夾具結(jié)構(gòu)、夾具電路兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。文章接下來(lái)將從夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和夾具電路設(shè)計(jì)兩個(gè)方面介紹夾具設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)器件準(zhǔn)確穩(wěn)定的測(cè)試。

圖2 非同軸微波器件封裝圖

4.1 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在測(cè)試非同軸微波器件時(shí)，由于被測(cè)器件封裝各異，所以測(cè)試夾具需要滿(mǎn)足各種封裝器件的測(cè)試要求，同時(shí)測(cè)試夾具使用頻率較高，還需要滿(mǎn)足耐磨損，易操作的使用要求。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，夾具通常按照?qǐng)D3的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先設(shè)計(jì)一個(gè)共用的平臺(tái)，然后針對(duì)不同封裝的器件設(shè)計(jì)不同的載片。當(dāng)測(cè)試不同封裝器件時(shí)，只需要更換相應(yīng)的載片，即可以完成相應(yīng)的測(cè)試連接。這個(gè)共用的平臺(tái)通過(guò)射頻同軸轉(zhuǎn)接器與網(wǎng)絡(luò)分析儀的半剛性電纜組件相接，通過(guò)微帶線(xiàn)與載片相接，實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的測(cè)試。同軸至微帶的轉(zhuǎn)接是指射頻同軸轉(zhuǎn)接器內(nèi)接射頻探針與微帶線(xiàn)相連的部分。通常情況下，為了保證器件測(cè)試時(shí)安裝方便、測(cè)試可靠，會(huì)在載片上方增加一個(gè)彈性的壓接上蓋，將被測(cè)器件壓緊，以增加測(cè)試可靠性［5～7］。

圖3 測(cè)試夾具結(jié)構(gòu)圖

4.2 夾具電路設(shè)計(jì)

夾具的電路設(shè)計(jì)是夾具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，夾具的阻抗匹配是夾具電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。由于夾具本身具有一定插入損耗和相位延遲，夾具制作時(shí)所采用的材料和工藝一定會(huì)影響系統(tǒng)的特性阻抗，因此需要在夾具電路設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算好夾具的特性阻抗。本設(shè)計(jì)中將夾具分為三個(gè)部分，同軸部分，微帶部分，同軸與微帶相接部分，如圖4所示［5，8］。

圖4 測(cè)試夾具電路等效圖

在測(cè)試夾具等效電路中，SMA同軸部分可以看作特性阻抗為50Ω的同軸傳輸線(xiàn)。微帶線(xiàn)的的特性阻抗可以通過(guò)計(jì)算模型得到，如圖5所示，特性阻抗的計(jì)算公式如下：

圖5 微帶線(xiàn)特性阻抗計(jì)算模型圖

其中Z0是微帶線(xiàn)的特性阻抗，w是印制導(dǎo)線(xiàn)寬度，t是印制導(dǎo)線(xiàn)厚度，h是電介質(zhì)厚度，c是印制導(dǎo)線(xiàn)之間的距離，εr是印制電路板電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

在非同軸微波器件的測(cè)試夾具中，微帶線(xiàn)一般都設(shè)計(jì)成阻抗為50Ω，微帶線(xiàn)模型如圖6。微帶線(xiàn)的特征阻抗的值由微帶線(xiàn)的寬度W，PCB板的電介質(zhì)常數(shù)εr，PCB板的厚度H，銅箔厚度T等參數(shù)決定。在材料一定的情況下，特性阻抗只取決于微帶線(xiàn)的寬度［9～11］。

圖6 50Ω微帶線(xiàn)模型圖

除此之外，同軸與微帶轉(zhuǎn)接的射頻特性主要由寄生效應(yīng)決定，該寄生可以用一個(gè)由電容C和電感L構(gòu)成的L形網(wǎng)絡(luò)等效。電容用來(lái)表示轉(zhuǎn)接部分的寄生電容以及邊緣電容，電感表示轉(zhuǎn)接部分的寄生電感。電感與電容共同構(gòu)成一個(gè)電容量隨頻率變化的可變電容結(jié)構(gòu)，用來(lái)模擬實(shí)際中寄生電容量與頻率的變化關(guān)系。同時(shí)轉(zhuǎn)接處還會(huì)存在微小的接觸電阻，也一并等效到L形網(wǎng)絡(luò)中。可以通過(guò)去嵌入同軸傳輸線(xiàn)以及微帶傳輸線(xiàn)的影響得到L型網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)參數(shù)值［5］。

當(dāng)包括夾具在內(nèi)的整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中出現(xiàn)阻抗不匹配時(shí)，可以使用變壓器做阻抗轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，也可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電容或電感的方式，或者考慮串聯(lián)/并聯(lián)電阻的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，這些方法在調(diào)試射頻電路中經(jīng)常使用。

值得注意的是，在夾具設(shè)計(jì)完畢后，定制生產(chǎn)時(shí)還要選擇好夾具的生產(chǎn)材料，一般共用平臺(tái)整體采用黃銅加工，表面鍍金處理，微帶線(xiàn)及載片導(dǎo)線(xiàn)部分也均采取鍍金處理［5，8］。

5 夾具校準(zhǔn)設(shè)計(jì)

夾具設(shè)計(jì)只能解決被測(cè)器件連接問(wèn)題，要真正得到被測(cè)器件的真實(shí)S參數(shù)，還需要考慮包括夾具在內(nèi)的測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)問(wèn)題。校準(zhǔn)問(wèn)題的關(guān)鍵是要解決夾具的校準(zhǔn)，在技術(shù)上主要是解決針對(duì)于夾具中非同軸部分的校準(zhǔn)問(wèn)題。

網(wǎng)絡(luò)分析儀提供的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件只能完成同軸端口的校準(zhǔn)，對(duì)于非同軸接口的夾具部分則無(wú)法直接校準(zhǔn)，所以非同軸微波器件測(cè)試的結(jié)果是被測(cè)器件和測(cè)試夾具的性能。測(cè)試夾具的損耗、相位延時(shí)、阻抗的失配等因素肯定會(huì)影響到測(cè)試結(jié)果的精度。針對(duì)這樣產(chǎn)生的測(cè)量誤差，需要采用相應(yīng)的技術(shù)措施去除測(cè)試夾具的影響，從而得到被測(cè)器件的真實(shí)性能。

消除測(cè)試夾具影響的方法通常有以下4種，分別是端口延伸法、夾具上校準(zhǔn)法、利用時(shí)間域和時(shí)間門(mén)功能的方法和去嵌入處理法［12］。

5.1 端口延伸法

端口延伸法是消除測(cè)試夾具最簡(jiǎn)單的方法，它是通過(guò)數(shù)字運(yùn)算將網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)面延伸到被測(cè)件的測(cè)試端面，如圖7。相當(dāng)于對(duì)相位增加一個(gè)偏移量。使用端口延伸的前提是測(cè)試夾具模型具有線(xiàn)性相位特性，阻抗與儀表特性阻抗相同，網(wǎng)絡(luò)分析儀可以補(bǔ)償夾具的相位延遲和功率損耗。端口延伸的延遲參數(shù)要保證校準(zhǔn)面精確延伸到被測(cè)器件測(cè)試端面。

圖7 測(cè)試端面圖

在網(wǎng)絡(luò)分析儀和測(cè)試夾具連接的同軸接口處進(jìn)行雙端口校準(zhǔn)，消除儀表的系統(tǒng)誤差，確定校準(zhǔn)面。連接測(cè)試夾具，然后把測(cè)試夾具上被測(cè)件安裝位置處短路。網(wǎng)絡(luò)分析儀表測(cè)試狀態(tài)設(shè)置為反射參數(shù)S11，S11顯示方式為史密斯圓圖和相位，讀出測(cè)試端口阻抗和反射相位值。調(diào)整端口延時(shí)設(shè)值，直到網(wǎng)絡(luò)分析儀史密斯圓圖指示為短路位置，此時(shí)相位值應(yīng)該為180°。這說(shuō)明校準(zhǔn)面已經(jīng)被延伸到被測(cè)件安裝端面，此時(shí)，校準(zhǔn)面等于測(cè)試面。

這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但不能消除夾具失配反射的影響，所以測(cè)試精度不高。如果被測(cè)試件的反射和損耗性能明顯低于測(cè)試夾具水平，可以使用端口延伸方法。

5.2 夾具上校準(zhǔn)

這是徹底解決精確夾具上器件的測(cè)試問(wèn)題的方法，通過(guò)測(cè)試夾具上標(biāo)準(zhǔn)件的測(cè)試，可以完全消除測(cè)試夾具和儀表的系統(tǒng)誤差，這時(shí)候，可以把測(cè)試夾具和測(cè)試儀表看成一個(gè)整體。但夾具上校準(zhǔn)需要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高精度的夾具上校準(zhǔn)件，實(shí)現(xiàn)難度大。這種方法在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中用得不多。

5.3 利用時(shí)間域和時(shí)間門(mén)功能

時(shí)間域和時(shí)間門(mén)功能可以消除測(cè)試夾具的反射影響，但不能消除夾具的損耗影響。如果測(cè)試夾具損耗與被測(cè)件相比明顯低，可以使用該方法。

5.4 去嵌入處理

去嵌入處理的關(guān)鍵是首先需建立測(cè)試夾具的精確數(shù)學(xué)模型，并得到其參數(shù)。現(xiàn)在ADS軟件可以方便地完成電路的建模工作。然后根據(jù)測(cè)試夾具和儀表的連接狀態(tài)，確定需要進(jìn)行處理的儀表端口。接下來(lái)將外圍轉(zhuǎn)接電路的模型參數(shù)文件輸入到儀表內(nèi)，電路參數(shù)文件為touchstone，文件形式為.s2p。最后，啟動(dòng)去嵌入處理功能（De-Embeding：On）。利用這種方法，可以大大提高電路設(shè)計(jì)精度，依靠仿真軟件的分析功可以為具體測(cè)試電路實(shí)現(xiàn)提供依據(jù)和指導(dǎo)［13～15］。

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了非同軸微波器件測(cè)試夾具的設(shè)計(jì)方法，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和電路設(shè)計(jì)方法，并且介紹了測(cè)試夾具的校準(zhǔn)方法。設(shè)計(jì)合理優(yōu)良的測(cè)試夾具不僅能提高測(cè)試的精度，而且能提高器件的測(cè)試效率。隨著越來(lái)越多非同軸微波器件的選用，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的非同軸微波器件測(cè)試迫在眉睫，非同軸微波器件測(cè)試夾具的設(shè)計(jì)直接影響了非同軸微波器件測(cè)試的可靠性。本文提出的夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)方法，和校準(zhǔn)方法可以有效地指導(dǎo)非同軸微波器件測(cè)試夾具的設(shè)計(jì)，有助于實(shí)現(xiàn)非同軸微波器件的可靠性測(cè)試。