確保矢量網絡分析儀夾具內器件特性的精度

    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量,而用直接印制電路板（PCB）安裝來代替同軸連接器。因此,在確定器件的特性時,應與矢量網絡分析儀的常用接口相連。測試夾具代替了這類接口并提供了優(yōu)良的解決方案,但測試夾具結構必須精確設計,且特性為已知。此外,夾具對電路的影響必須從測量結果中除去。夾具還須加以校標準,通常是借助短路-開路-負載-直通（SOLT）校準技術進行校準。為了獲得精確、重復的測量結果,全面了解具內測量的過程是重要的。對用來評估移動電話的帶通濾波器的夾具進行校準,可以為必須考慮的細節(jié)和處理過程提供一個范例。

用來測試帶通濾波器的典型夾具。該夾具的SMA連接器是與網絡分析儀的接口,而“Pogo”型連接器則與被測濾波器相連（見圖1）。

夾具內標準

全套夾具標準由短路器、開路器、負載和直通段組成,且尺寸與被測件相同,所以它們在校準期間可以插入夾具。這樣還可以使“Pogo”引腳對標準和被測件均保持相同的觸壓面積,從而有助于確定測量面。在校準過程中,確定測量面是一個關鍵因素,因為它決定了分析儀進行測量的位置。因此,仔細確定這個位置能保證在測量結果中不會包含在測量面之前存在的無用的電特性。理想情況下,測量面應處在被測件的射頻連接處。

短路標準是一塊導電材料,開路標準則是一個非導電介質塊。負載標準由與短微帶線相連的兩個并聯(lián)的100Ω電阻器組成,短微帶線的終端與插入夾具時間“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,因而能改善負載元件性能。直通標準是當插入夾具時同時與兩個“Pogo”引腳相連的微帶傳輸線。

校準標準的特性必須加以確定,這些電氣數據確定了校準配件的技術數據必須輸入網絡分析儀,以便進行所需的誤差修正。校準數據包括阻抗、頻率、損耗、延遲、邊緣電容和電感值。

確定標準的特性

為實施校準,首先要端接與測試夾具相配合的連接器的低損耗微波軟電纜,必須用適當的校準配件和分析儀的相關校準配件技術數據進行校準。例如Agilent 8720 ES矢量網絡分析儀以及85052D校準配件和技術數據文件。然后,將夾具與分析儀相連,將頻標放在1 GHz處。由于偏置延遲議程要求在1GHz處測量直通標準的插入損耗,故為了一致,其余的測量也應在1 GHz處完成。開路標準項（C0-C3）在這個頻率處的影響可以忽略。

分析儀的設置如下：

初始頻率 50MHz

終止頻率 20.05GHz

測量點數 401

時域工作方式 低通步進

校準 二端口SOLT

短路標準定義為具有全反射和180°相移。它規(guī)定了測量面所在的位置。短路標準插入夾具,分析儀設定到測量S11,而測量格式則設定到相位。然后,調節(jié)端口1和端口延伸,直到在頻標處讀出180°的相位。將顯示的參考值調到180°,以防在±180°處出現跳動,而同時調節(jié)端口延伸是有幫助的。得到的值測量面的偏離,應當將其貯存起來供隨后使用,因為它是定義其余標準的依據。對于短路器,與測量面的偏離長度為零,因此,偏離損耗和阻抗互不相關。

開路標準定義為具有全反射而無相移。實際開路由于存在邊緣電容而很可能有一些相移。除偏置參數之外,還必須測量邊緣電容。將開路標準插入夾具,利用對短路標準確定的值,對端口1仍然保留端口延伸。將分析儀設置到測量S11,最終的格式變?yōu)槭访芩箞A圖。

邊緣電容被模擬成校準配件技術數據中的“分路”元件,因此,史密斯圓圖的標記應改變?yōu)橛嬜x導納（G+jB）。利用1GHz的標記,將記錄下邊緣電容（Co）。高次邊緣電容項C1-C3的值到大約3GHz的頻率可忽略不計。邊緣電容需輸入到校準配件的技術數據中。

直通標準的偏置參數,包括偏置延遲、偏置阻抗和偏置損耗也必須加以表征。偏置延遲是能過將直通標準放入夾具來測量的,其中有一小部分銅連接夾具來測量的,其中有一小部分銅連接片壓在直通段的輸出“Pogo”引腳一側。

端口延伸應設置到由短路標準確定的值。這時,便測出S11參數,測試形式轉換成相位。同短路標準一樣,應調節(jié)端口1的端口延伸,真到在頻標處讀出180°的相位。在這種情況下,使顯示的參考值為180°,以避免在±180°處出現跳動,而同時調節(jié)端口延伸也可能有幫助。在頻標為1 GHz處記錄下數值,這個值與對短路標準測得的值之間的差即是偏置延遲。

將此延遲輸入校準配件的技術數據中。

現在,將分析儀切換到時域低通步進工作方式并測量S11。在時域測量中,測量的格式必須設定到Real(實時)。分析儀將顯示線性反射系數,直通標準的偏置阻抗可以由將頻標放在兩個“Pogo”過渡段之間加以確定。反射系數由方程（1）確定,由該方程可以算出Z（直通標準的特性阻抗）

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

Z0=50Ω

偏置損耗將由測量格式變回到對數幅度并通過測量裝有連接片的S11加以確定、將端口1的端口延伸調節(jié)到短路標準測得的值,將頻標放在1GHz處。進行單次掃描,將得到的數據存入存儲器。若響應改變,則可利用平均因數8。然后,用一小段非導電介質材料代替銅連接片（用線也能起作用）。進行單次掃描,記錄數據跡線值和存儲跡線值。在理想情況下,跡線完全重合,但由于誤差信號與被測信號的相互作用,故源匹配和方向性誤差會帶來某些差別。

兩條跡線的平均是直通標準和夾具端口1一側的雙向插入損耗。利用相同方法可以經過夾具端口1一側的雙向損耗。減去夾具損耗便給出直通標準的雙向插入損耗。將這個數值除以2即給出直通段的插入損耗（dB）。校準配件技術數據的偏置損耗用單位GΩ/s給出。方程（2）用來計算偏置損耗,式中Zo的單位為Ω（針對直通標準計算出的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）

對于負載標準,偏置延遲和阻抗的調節(jié)必須利用分析儀的選通功能去除夾具的影響。將負載標準插入夾具,并利用測量短路標準時所確定的值來保留對端口1的端口延伸。將分析儀切換到時域工作方式。設置選通的起止點,以便將夾具的影響從測量中移去。

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

將短路、開路和開通校準配件技術數據輸入分析儀,并對與負載元件相連的短微帶線的偏置長度和阻抗作出恰當估計。將這個值輸入分析儀,用夾具內標準進行單端口校準。插入負載元件,以史密斯圓圖格式測量負載元件的匹配（S11）。

然后,將得到的電感值與先前記錄的電感值作比較。調節(jié)偏置延遲和偏置阻抗,直到校準后的電感值與先前用選通法得到的記錄值幾乎一樣為止。經迭代過程所得到的值便是負載標準的偏置長度和偏置阻抗。在這種情況下,偏置長度和偏置阻抗。在這種情況下,偏置長度足夠短,以便能忽略偏置損耗。表1示出夾具內標準的最終校準配件技術數據。表下方所示的值對應于理想校準配件的技術數據。由這個處理過程得到的值表明,盡管校準標準很精密,但并不完美元缺,通常會出現某些差異。

結論

精確的校準將給出完全相同的S21和S12響應。利用表1下方的單一校準配件的技術數據得到的結果表明,在某些頻率處,跡線相差大到3dB。出現這種差別是由于標準配件的技術數據與校準標準不相符。圖2中示出利用新校準配件的技術數據得到的結果。兩條跡線的一致性在0.1dB以內,這是一個明顯的改善。

為了將校準配件的技術數據輸入網絡分析儀,可以在網址www.vnahelp.com上下載有用的VNACal kit manager軟件。