確保矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀夾具內(nèi)器件特性的精度

    射頻和微波系統(tǒng)中元件和子系統(tǒng)的小型化顯著減少了同軸連接器的數(shù)量,而用直接印制電路板（PCB）安裝來(lái)代替同軸連接器。因此,在確定器件的特性時(shí),應(yīng)與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的常用接口相連。測(cè)試夾具代替了這類(lèi)接口并提供了優(yōu)良的解決方案,但測(cè)試夾具結(jié)構(gòu)必須精確設(shè)計(jì),且特性為已知。此外,夾具對(duì)電路的影響必須從測(cè)量結(jié)果中除去。夾具還須加以校標(biāo)準(zhǔn),通常是借助短路-開(kāi)路-負(fù)載-直通（SOLT）校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。為了獲得精確、重復(fù)的測(cè)量結(jié)果,全面了解具內(nèi)測(cè)量的過(guò)程是重要的。對(duì)用來(lái)評(píng)估移動(dòng)電話的帶通濾波器的夾具進(jìn)行校準(zhǔn),可以為必須考慮的細(xì)節(jié)和處理過(guò)程提供一個(gè)范例。

用來(lái)測(cè)試帶通濾波器的典型夾具。該夾具的SMA連接器是與網(wǎng)絡(luò)分析儀的接口,而“Pogo”型連接器則與被測(cè)濾波器相連（見(jiàn)圖1）。

夾具內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

全套夾具標(biāo)準(zhǔn)由短路器、開(kāi)路器、負(fù)載和直通段組成,且尺寸與被測(cè)件相同,所以它們?cè)谛��?zhǔn)期間可以插入夾具。這樣還可以使“Pogo”引腳對(duì)標(biāo)準(zhǔn)和被測(cè)件均保持相同的觸壓面積,從而有助于確定測(cè)量面。在校準(zhǔn)過(guò)程中,確定測(cè)量面是一個(gè)關(guān)鍵因素,因?yàn)樗鼪Q定了分析儀進(jìn)行測(cè)量的位置。因此,仔細(xì)確定這個(gè)位置能保證在測(cè)量結(jié)果中不會(huì)包含在測(cè)量面之前存在的無(wú)用的電特性。理想情況下,測(cè)量面應(yīng)處在被測(cè)件的射頻連接處。

短路標(biāo)準(zhǔn)是一塊導(dǎo)電材料,開(kāi)路標(biāo)準(zhǔn)則是一個(gè)非導(dǎo)電介質(zhì)塊。負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)由與短微帶線相連的兩個(gè)并聯(lián)的100Ω電阻器組成,短微帶線的終端與插入夾具時(shí)間“Pogo”引腳接觸的連接片相連。利用并聯(lián)電阻器能減小串聯(lián)電感,因而能改善負(fù)載元件性能。直通標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)插入夾具時(shí)同時(shí)與兩個(gè)“Pogo”引腳相連的微帶傳輸線。

校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的特性必須加以確定,這些電氣數(shù)據(jù)確定了校準(zhǔn)配件的技術(shù)數(shù)據(jù)必須輸入網(wǎng)絡(luò)分析儀,以便進(jìn)行所需的誤差修正。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)包括阻抗、頻率、損耗、延遲、邊緣電容和電感值。

確定標(biāo)準(zhǔn)的特性

為實(shí)施校準(zhǔn),首先要端接與測(cè)試夾具相配合的連接器的低損耗微波軟電纜,必須用適當(dāng)?shù)男��?zhǔn)配件和分析儀的相關(guān)校準(zhǔn)配件技術(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。例如Agilent 8720 ES矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀以及85052D校準(zhǔn)配件和技術(shù)數(shù)據(jù)文件。然后,將夾具與分析儀相連,將頻標(biāo)放在1 GHz處。由于偏置延遲議程要求在1GHz處測(cè)量直通標(biāo)準(zhǔn)的插入損耗,故為了一致,其余的測(cè)量也應(yīng)在1 GHz處完成。開(kāi)路標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)（C0-C3）在這個(gè)頻率處的影響可以忽略。

分析儀的設(shè)置如下：

初始頻率 50MHz

終止頻率 20.05GHz

測(cè)量點(diǎn)數(shù) 401

時(shí)域工作方式 低通步進(jìn)

校準(zhǔn) 二端口SOLT

短路標(biāo)準(zhǔn)定義為具有全反射和180°相移。它規(guī)定了測(cè)量面所在的位置。短路標(biāo)準(zhǔn)插入夾具,分析儀設(shè)定到測(cè)量S11,而測(cè)量格式則設(shè)定到相位。然后,調(diào)節(jié)端口1和端口延伸,直到在頻標(biāo)處讀出180°的相位。將顯示的參考值調(diào)到180°,以防在±180°處出現(xiàn)跳動(dòng),而同時(shí)調(diào)節(jié)端口延伸是有幫助的。得到的值測(cè)量面的偏離,應(yīng)當(dāng)將其貯存起來(lái)供隨后使用,因?yàn)樗�是定義其余標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)。對(duì)于短路器,與測(cè)量面的偏離長(zhǎng)度為零,因此,偏離損耗和阻抗互不相關(guān)。

開(kāi)路標(biāo)準(zhǔn)定義為具有全反射而無(wú)相移。實(shí)際開(kāi)路由于存在邊緣電容而很可能有一些相移。除偏置參數(shù)之外,還必須測(cè)量邊緣電容。將開(kāi)路標(biāo)準(zhǔn)插入夾具,利用對(duì)短路標(biāo)準(zhǔn)確定的值,對(duì)端口1仍然保留端口延伸。將分析儀設(shè)置到測(cè)量S11,最終的格式變?yōu)槭访芩箞A圖。

邊緣電容被模擬成校準(zhǔn)配件技術(shù)數(shù)據(jù)中的“分路”元件,因此,史密斯圓圖的標(biāo)記應(yīng)改變?yōu)橛?jì)讀導(dǎo)納（G+jB）。利用1GHz的標(biāo)記,將記錄下邊緣電容（Co）。高次邊緣電容項(xiàng)C1-C3的值到大約3GHz的頻率可忽略不計(jì)。邊緣電容需輸入到校準(zhǔn)配件的技術(shù)數(shù)據(jù)中。

直通標(biāo)準(zhǔn)的偏置參數(shù),包括偏置延遲、偏置阻抗和偏置損耗也必須加以表征。偏置延遲是能過(guò)將直通標(biāo)準(zhǔn)放入夾具來(lái)測(cè)量的,其中有一小部分銅連接夾具來(lái)測(cè)量的,其中有一小部分銅連接片壓在直通段的輸出“Pogo”引腳一側(cè)。

端口延伸應(yīng)設(shè)置到由短路標(biāo)準(zhǔn)確定的值。這時(shí),便測(cè)出S11參數(shù),測(cè)試形式轉(zhuǎn)換成相位。同短路標(biāo)準(zhǔn)一樣,應(yīng)調(diào)節(jié)端口1的端口延伸,真到在頻標(biāo)處讀出180°的相位。在這種情況下,使顯示的參考值為180°,以避免在±180°處出現(xiàn)跳動(dòng),而同時(shí)調(diào)節(jié)端口延伸也可能有幫助。在頻標(biāo)為1 GHz處記錄下數(shù)值,這個(gè)值與對(duì)短路標(biāo)準(zhǔn)測(cè)得的值之間的差即是偏置延遲。

將此延遲輸入校準(zhǔn)配件的技術(shù)數(shù)據(jù)中。

現(xiàn)在,將分析儀切換到時(shí)域低通步進(jìn)工作方式并測(cè)量S11。在時(shí)域測(cè)量中,測(cè)量的格式必須設(shè)定到Real(實(shí)時(shí))。分析儀將顯示線性反射系數(shù),直通標(biāo)準(zhǔn)的偏置阻抗可以由將頻標(biāo)放在兩個(gè)“Pogo”過(guò)渡段之間加以確定。反射系數(shù)由方程（1）確定,由該方程可以算出Z（直通標(biāo)準(zhǔn)的特性阻抗）

P=(Z-Z0) / (Z+Z0)(1)

Z0=50Ω

偏置損耗將由測(cè)量格式變回到對(duì)數(shù)幅度并通過(guò)測(cè)量裝有連接片的S11加以確定、將端口1的端口延伸調(diào)節(jié)到短路標(biāo)準(zhǔn)測(cè)得的值,將頻標(biāo)放在1GHz處。進(jìn)行單次掃描,將得到的數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器。若響應(yīng)改變,則可利用平均因數(shù)8。然后,用一小段非導(dǎo)電介質(zhì)材料代替銅連接片（用線也能起作用）。進(jìn)行單次掃描,記錄數(shù)據(jù)跡線值和存儲(chǔ)跡線值。在理想情況下,跡線完全重合,但由于誤差信號(hào)與被測(cè)信號(hào)的相互作用,故源匹配和方向性誤差會(huì)帶來(lái)某些差別。

兩條跡線的平均是直通標(biāo)準(zhǔn)和夾具端口1一側(cè)的雙向插入損耗。利用相同方法可以經(jīng)過(guò)夾具端口1一側(cè)的雙向損耗。減去夾具損耗便給出直通標(biāo)準(zhǔn)的雙向插入損耗。將這個(gè)數(shù)值除以2即給出直通段的插入損耗（dB）。校準(zhǔn)配件技術(shù)數(shù)據(jù)的偏置損耗用單位GΩ/s給出。方程（2）用來(lái)計(jì)算偏置損耗,式中Zo的單位為Ω（針對(duì)直通標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的Z值）,損耗的單位為dB,而延遲的單位為S。

偏置損耗=[(Zo×loss) / delay×10log（e）]（e）

對(duì)于負(fù)載標(biāo)準(zhǔn),偏置延遲和阻抗的調(diào)節(jié)必須利用分析儀的選通功能去除夾具的影響。將負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)插入夾具,并利用測(cè)量短路標(biāo)準(zhǔn)時(shí)所確定的值來(lái)保留對(duì)端口1的端口延伸。將分析儀切換到時(shí)域工作方式。設(shè)置選通的起止點(diǎn),以便將夾具的影響從測(cè)量中移去。

繼續(xù)利用選通功能,使變換中斷。將測(cè)量格式變?yōu)槭访芩箞A圖。這些數(shù)值將是串聯(lián)電感,因此,標(biāo)記格式必須變?yōu)镽+jX。記錄下得到的電感值。這是“正確”值,即通過(guò)迭代法試圖確定偏置延遲和偏置阻抗所追尋的最終結(jié)果。

將短路、開(kāi)路和開(kāi)通校準(zhǔn)配件技術(shù)數(shù)據(jù)輸入分析儀,并對(duì)與負(fù)載元件相連的短微帶線的偏置長(zhǎng)度和阻抗作出恰當(dāng)估計(jì)。將這個(gè)值輸入分析儀,用夾具內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行單端口校準(zhǔn)。插入負(fù)載元件,以史密斯圓圖格式測(cè)量負(fù)載元件的匹配（S11）。

然后,將得到的電感值與先前記錄的電感值作比較。調(diào)節(jié)偏置延遲和偏置阻抗,直到校準(zhǔn)后的電感值與先前用選通法得到的記錄值幾乎一樣為止。經(jīng)迭代過(guò)程所得到的值便是負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)的偏置長(zhǎng)度和偏置阻抗。在這種情況下,偏置長(zhǎng)度和偏置阻抗。在這種情況下,偏置長(zhǎng)度足夠短,以便能忽略偏置損耗。表1示出夾具內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的最終校準(zhǔn)配件技術(shù)數(shù)據(jù)。表下方所示的值對(duì)應(yīng)于理想校準(zhǔn)配件的技術(shù)數(shù)據(jù)。由這個(gè)處理過(guò)程得到的值表明,盡管校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)很精密,但并不完美元缺,通常會(huì)出現(xiàn)某些差異。

結(jié)論

精確的校準(zhǔn)將給出完全相同的S21和S12響應(yīng)。利用表1下方的單一校準(zhǔn)配件的技術(shù)數(shù)據(jù)得到的結(jié)果表明,在某些頻率處,跡線相差大到3dB。出現(xiàn)這種差別是由于標(biāo)準(zhǔn)配件的技術(shù)數(shù)據(jù)與校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)不相符。圖2中示出利用新校準(zhǔn)配件的技術(shù)數(shù)據(jù)得到的結(jié)果。兩條跡線的一致性在0.1dB以內(nèi),這是一個(gè)明顯的改善。

為了將校準(zhǔn)配件的技術(shù)數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)分析儀,可以在網(wǎng)址www.vnahelp.com上下載有用的VNACal kit manager軟件。