彭安虎， 韓周安， 李志強(qiáng)

(1. 電子科技大學(xué)，四川 成都 610000; 2. 成都愛科特科技發(fā)展有限公司，四川 成都 610000)

0 引 言

T/R組件是構(gòu)成相控陣?yán)走_(dá)的基礎(chǔ)，是相控陣?yán)走_(dá)的核心部件，一部雷達(dá)中通常有幾百個(gè)甚至更多T/R組件[1]。T/R組件的各項(xiàng)指標(biāo)直接影響雷達(dá)的整機(jī)指標(biāo)，在T/R組件研制前期以及大規(guī)模批量生產(chǎn)階段，大量全面的電性能指標(biāo)測(cè)試是必需的[2-3]。傳統(tǒng)測(cè)試方法自動(dòng)化程度低，多為手工操作測(cè)試，測(cè)試過程相當(dāng)繁瑣，需進(jìn)行大量的重復(fù)測(cè)試，并且測(cè)試數(shù)量繁多、測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量大，測(cè)試覆蓋大量的頻點(diǎn)、通道，涉及的測(cè)試指標(biāo)包含移相、衰減、噪聲系數(shù)等復(fù)雜指標(biāo)[4]。為滿足T/R組件的測(cè)試需求，T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于T/R組件的研發(fā)生產(chǎn)、維修調(diào)試過程。

近年來，隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，T/R組件呈現(xiàn)出多通道、高頻段、高性能的特點(diǎn)，為滿足相應(yīng)的測(cè)試需求，多通道、多組件、高精度T/R測(cè)試系統(tǒng)的研制顯得愈發(fā)重要。T/R測(cè)試系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試的目的，不可避免地會(huì)引入額外的線纜、矩陣開關(guān)等嵌入網(wǎng)絡(luò)，如何保證在嵌入網(wǎng)絡(luò)的影響下，準(zhǔn)確獲取待測(cè)件的真實(shí)指標(biāo)是保證測(cè)試系統(tǒng)精度的關(guān)鍵。目前的去嵌入技術(shù)研究主要集中在非同軸環(huán)境和非插入式器件的測(cè)量，對(duì)于非同軸環(huán)境的測(cè)量，例如PCB上表貼器件、片上晶圓測(cè)試等，比較常用的方法為 AFR（automatic fixture removal）、LRL（line -reflect-line）等去嵌入技術(shù)，而對(duì)于非插入式器件的測(cè)量主要有夾具建模、基于端口延伸的SOLT（shortopen-load-thru）校準(zhǔn)等手段實(shí)現(xiàn)去嵌入[5]。目前的去嵌入方法在進(jìn)行去嵌入時(shí)，關(guān)注的是單臺(tái)儀器的通道去嵌入問題，沒有考慮大規(guī)模通道去嵌入的情況。為了消除T/R陣列自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中嵌入網(wǎng)絡(luò)的影響，目前主要采用基于端口延伸的SOLT校準(zhǔn)方式，即在測(cè)量端面進(jìn)行矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)，把嵌入網(wǎng)絡(luò)當(dāng)作矢量網(wǎng)絡(luò)分析的系統(tǒng)誤差進(jìn)行消除，該方法操作步驟簡(jiǎn)單，無需進(jìn)行額外的標(biāo)準(zhǔn)件制作[6]，但隨著測(cè)試通道數(shù)增加，需進(jìn)行大量的重復(fù)校準(zhǔn)工作。傳統(tǒng)上對(duì)于T/R測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)是采用單臺(tái)儀器分別進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)和系統(tǒng)功能檢查來完成的，這種方法存在的弊端：首先是工作量大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；其次是投入的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備多，無法解決現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)問題[7]。大量的重復(fù)性校準(zhǔn)過程導(dǎo)致校準(zhǔn)效率低，同時(shí)容易引入重復(fù)性誤差和造成校準(zhǔn)件的嚴(yán)重磨損，而重復(fù)性、穩(wěn)定性是測(cè)試系統(tǒng)能夠滿足精度要求的基本條件[8]。

本文針對(duì)T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中的鏈路校準(zhǔn)問題，設(shè)計(jì)了TRL標(biāo)準(zhǔn)件，并實(shí)現(xiàn)了TRL校準(zhǔn)算法，運(yùn)用該方法對(duì)含有嵌入網(wǎng)絡(luò)的濾波器模型實(shí)現(xiàn)去嵌入。對(duì)于多通道的盲拔插T/R陣列自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，根據(jù)陣列規(guī)模的大小，可直接采用所設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)件，制成相應(yīng)通道的去嵌入套件，能實(shí)現(xiàn)極少次物理連接就可去嵌入所有通道。

1 T/R陣列測(cè)試系統(tǒng)誤差模型分析

T/R陣列自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試鏈路主要包括射頻線纜、矩陣開關(guān)兩個(gè)嵌入網(wǎng)絡(luò)，只有通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀完成該部分的去嵌入工作，才能保證測(cè)試系統(tǒng)中其他測(cè)試儀器的正常測(cè)試。系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

對(duì)于T/R陣列自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的嵌入網(wǎng)絡(luò)可以分為嵌入網(wǎng)絡(luò)L、嵌入網(wǎng)絡(luò)R兩部分，整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試鏈路可以等效為如圖2所式的二端口網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)。

圖2 S參數(shù)形式8項(xiàng)誤差模型

圖2給出了由嵌入網(wǎng)絡(luò)引入的8項(xiàng)誤差模型。

式(1)和式(2)表示由嵌入網(wǎng)絡(luò)引入的各個(gè)誤差項(xiàng)，執(zhí)行去嵌入的過程實(shí)質(zhì)就是對(duì)各個(gè)誤差項(xiàng)進(jìn)行求解的過程。嵌入網(wǎng)絡(luò)L、嵌入網(wǎng)絡(luò)R、待測(cè)件三者級(jí)聯(lián)后的S參數(shù)可以通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量得到。

為實(shí)現(xiàn)T/R陣列自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的去嵌入，需要通過標(biāo)準(zhǔn)件的輔助測(cè)試，才能完成對(duì)嵌入網(wǎng)絡(luò)的8個(gè)誤差項(xiàng)的求解。與采用傳統(tǒng)的端口延伸SOLT校準(zhǔn)相比，TRL校準(zhǔn)是準(zhǔn)確度更高的校準(zhǔn)方式，尤其適合于非同軸環(huán)境測(cè)量。本文為解決T/R陣列自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的去嵌入問題，采用更高精度的基于TRL標(biāo)準(zhǔn)件的去嵌入方式。

2 TRL標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)試系統(tǒng)特性分析

由于很少有直接的TRL標(biāo)準(zhǔn)件的存在，一般要求用戶根據(jù)嵌入網(wǎng)絡(luò)的材料及物理尺寸、特性阻抗、工作頻率等來設(shè)計(jì)制造出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件[6]。本文針對(duì)的T/R陣列自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，其待測(cè)件工作頻率為14～ 18 GHz，矩陣開關(guān)在嵌入網(wǎng)絡(luò)中起主導(dǎo)作用，系統(tǒng)輸入輸出阻抗為50 Ω。為保證與嵌入網(wǎng)絡(luò)的特性阻抗保持一致，TRL標(biāo)準(zhǔn)件的板材選取Rogers4350B，介質(zhì)層厚度為 0.254 mm，金屬層厚度為 35 μm，介電常數(shù)為 3.66，損耗因子為 0.0037（@10 GHz）。該印制板是高頻板材中較為常用的一種，加工工藝相對(duì)成熟，能保證制作TRL去嵌入套件的工程可行性。

2.2 直通標(biāo)準(zhǔn)件T設(shè)計(jì)

理想的直通標(biāo)準(zhǔn)件電氣長(zhǎng)度為0，無損耗，無反射，傳輸系數(shù)為1；電氣長(zhǎng)度不為0時(shí)，直通標(biāo)準(zhǔn)件的特性阻抗必須和延遲線標(biāo)準(zhǔn)件相同，無需知道損耗，如果作為參考測(cè)量面，電氣長(zhǎng)度具體值必須知道，如果此時(shí)群時(shí)延設(shè)為0，則參考測(cè)量面位于直通標(biāo)準(zhǔn)件的中間[9-13]。

考慮到加工工藝和后期TRL去嵌入套件的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)采用非0電長(zhǎng)度的形式，特性阻抗與延遲線保持一致，且考慮反射標(biāo)準(zhǔn)件的反射相位要求，直通標(biāo)準(zhǔn)件的物理長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為22.07 mm，圖3是直通標(biāo)準(zhǔn)件在HFSS中的仿真模型。

圖3 直通標(biāo)準(zhǔn)件T仿真模型

直通標(biāo)準(zhǔn)件仿真結(jié)果如圖4所示，S11<–30 dB，駐波比<1.06，工作頻帶內(nèi)插損小于0.21 dB，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 直通標(biāo)準(zhǔn)件T仿真結(jié)果

2.3 反射標(biāo)準(zhǔn)件R設(shè)計(jì)

反射標(biāo)準(zhǔn)件的反射系數(shù)相位必須在±90°以內(nèi)，反射系數(shù)最好接近1，所有端口上的反射系數(shù)必須相同，如果用作參考測(cè)量面，相位響應(yīng)必須知道[9-13]。

本設(shè)計(jì)中用作測(cè)量參考面的是直通標(biāo)準(zhǔn)件，反射標(biāo)準(zhǔn)件采用開路方式實(shí)現(xiàn)，其特性阻抗與直通和延遲線標(biāo)準(zhǔn)件保持一致，為滿足反射系數(shù)的相位要求，其物理長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為11.035 mm，是直通標(biāo)準(zhǔn)件的一半，圖5是反射標(biāo)準(zhǔn)件在HFSS中的仿真模型。

圖5 反射標(biāo)準(zhǔn)件R仿真模型

反射標(biāo)準(zhǔn)件仿真結(jié)果如圖6所示，工作頻帶內(nèi)，反射系數(shù)>0.975，反射系數(shù)相位在±89.3°之間，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 反射標(biāo)準(zhǔn)件R仿真結(jié)果

2.4 延遲線標(biāo)準(zhǔn)件L設(shè)計(jì)

延遲線的特性阻抗作為測(cè)量時(shí)的參考阻抗，系統(tǒng)阻抗定義為和延遲線特性阻抗一致。延遲線標(biāo)準(zhǔn)件和直通之間的插入相位差值必須在20°～ 160°之間或–160°～ –20°之間，如果相位差值接近 0°或者180°時(shí)，由于正切函數(shù)的特性，很容易造成相位模糊。此外，最有效的相位差值一般取1/4波長(zhǎng)或90°[9-13]。圖7是延遲線標(biāo)準(zhǔn)件在HFSS中的仿真模型。為保證去嵌入的精度，當(dāng)中心頻率與校準(zhǔn)帶寬比值超過8∶1時(shí)需要使用多根延遲線。本設(shè)計(jì)中僅使用一根延遲線。為保證與直通標(biāo)準(zhǔn)件的相位關(guān)系，延遲線的物理長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為24.14 mm，3種標(biāo)準(zhǔn)件的特性阻抗一致。

圖7 延遲線標(biāo)準(zhǔn)件L仿真模型

延遲線標(biāo)準(zhǔn)件仿真結(jié)果如圖8所示，工作頻帶內(nèi)，S11<–30 dB，駐波比<1.06，插損<0.225 dB，與直通標(biāo)準(zhǔn)件的相位差在50°～ 75°之間，雖然沒有達(dá)到最優(yōu)的90°相位差的要求，但已滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 延遲線標(biāo)準(zhǔn)件L仿真結(jié)果

3 TRL去嵌入算法實(shí)現(xiàn)

在進(jìn)行去嵌入之前，先對(duì)T/R陣列自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行一次SOLT自校準(zhǔn)，消除矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀自身的系統(tǒng)誤差。之后，開始T/R陣列測(cè)試系統(tǒng)的去嵌入過程，連接TRL標(biāo)準(zhǔn)件，用該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)分別測(cè)試接入直通、反射、延遲線標(biāo)準(zhǔn)件時(shí)的S參數(shù)，分別記作、、，為方便去嵌入過程中的參數(shù)級(jí)聯(lián)運(yùn)算，需要進(jìn)行參數(shù)間的轉(zhuǎn)換，此處將S參數(shù)轉(zhuǎn)換為T參數(shù)，其轉(zhuǎn)換關(guān)系如下式所示：

表1給出了在去嵌入過程中需要用到的各組成部分的T參數(shù)表達(dá)式。

表1 系統(tǒng)各組成部分T參數(shù)矩陣

4 去嵌入結(jié)果分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的TRL標(biāo)準(zhǔn)件及去嵌入算法的正確性，選取一個(gè)帶通濾波器模型作為待測(cè)件，中心頻率 16 GHz，3 dB 帶寬為 2.2 GHz，帶內(nèi)波動(dòng)小于0.3 dB，帶外抑制度大于13 dB。所選取的嵌入網(wǎng)絡(luò)插損大于4 dB，輸入輸出端口駐波比小于1.2，特性阻抗與待測(cè)件的特性阻抗相近但不相等，存在較小失配，符合實(shí)際情況。待測(cè)件的反射參數(shù)去嵌入結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 S11幅度去嵌入結(jié)果對(duì)比

圖10 S11相位去嵌入結(jié)果對(duì)比

S11的去嵌入結(jié)果表明，去嵌入后S11的幅值與待測(cè)件幅值基本一致，去嵌入后的S11相位在濾波器的工作頻段內(nèi)與原始數(shù)據(jù)有較好的吻合。

待測(cè)件的傳輸指標(biāo)去嵌入結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11 S21幅度去嵌入結(jié)果對(duì)比

圖12 S21相位去嵌入結(jié)果對(duì)比

S21的去嵌入結(jié)果對(duì)比表明，去嵌入后的S21幅度、相位在濾波器的工作頻段內(nèi)與原始數(shù)據(jù)有較好的吻合。去嵌入的S21幅度誤差、駐波比誤差如圖13和圖14所示。

圖13 S21幅度誤差

圖14 VSWR誤差

在整個(gè)去嵌入頻段內(nèi)S21的幅度誤差小于0.2 dB，滿足幅度測(cè)試誤差需求，駐波比測(cè)試誤差在校準(zhǔn)頻段內(nèi)波動(dòng)較大，但誤差最大值不超過0.07，滿足該T/R陣列自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的去嵌入準(zhǔn)確度要求，傳輸相位測(cè)量誤差≤2°。各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期的精度要求。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)T/R陣列自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)多通道、多嵌入網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，介紹了一種基于TRL標(biāo)準(zhǔn)件的去嵌入技術(shù)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的TRL標(biāo)準(zhǔn)件及去嵌入算法，通過仿真分析驗(yàn)證了該方法的正確性和可行性。該方法不需要用到目前采用的SOLT端口延伸方式一樣高精度的校準(zhǔn)件就能實(shí)現(xiàn)更高精度的去嵌入，能提升T/R陣列自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)準(zhǔn)確度，其對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件的加工工藝要求相對(duì)較小，生產(chǎn)成本較低。該方法不需要用到目前采用的SOLT端口延伸方式一樣高精度的校準(zhǔn)件就能實(shí)現(xiàn)更高精度的去嵌入，能提升T/R陣列自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)準(zhǔn)確度，其對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件的加工工藝要求相對(duì)較小，生產(chǎn)成本較低。該方法也能很好的適應(yīng)T/R陣列多通道、多嵌入網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，對(duì)不同組件、不同規(guī)模的T/R陣列自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，可根據(jù)其阻抗特性、組件結(jié)構(gòu)、通道規(guī)模制成相應(yīng)的去嵌入工具箱，最終實(shí)現(xiàn)工具箱的極少次物理連接就能去嵌入所有通道的嵌入網(wǎng)絡(luò)，極大提升T/R陣列自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)效率，同時(shí)，還減少了校準(zhǔn)件多次連接引入的重復(fù)性誤差和標(biāo)準(zhǔn)件磨損引起的誤差。