表面贴装器件S参数测量方法
2019-05-07
在微波射频领域，当测试一个器件时，最大的挑战之一，是如何消除有害的夹具效应.端口延伸和TRL 校准是补偿校准参考平面和仪器的测量平面不一致而引起的误差的最简单方法之一.
校准之后，可以利用端口延伸特性来补偿由于增加诸如电缆.适配器或夹具所引起的延伸测量参考面的误差.当要求很高的测量精度，并且没有与被测件连接器类型相同的校准件时，例如使用夹具进行测量或使用探针进行晶片上测量时，经常需要进行TRL校准.TRL 校准通过测量两个传输标准和一个反射标准来确定12 项误差系数，而传统的SOLT 校准通过测量一个传输标准（T）和三个反射标准（SOL）来确定同样多的误差系数.
1 端口延伸的实现
在端口延伸之前，一般需要两个步骤.第一步，做一个全双端口的校准，这一步去除了矢量网络分析仪.连接电缆和各种同轴连接器的误差，并给所有的夹具连接处以很好的源匹配.第二步是使用端口延伸进行测试夹具.电缆或适配器的校准.这一步就可以去掉它们的插损和响应延迟.
端口延伸包括手动端口延伸和自动端口延伸，手动端口延伸是在已知附加传输线的某些特性的情况下进行的，否则可以使用自动端口延伸.端口延伸的主界面如图1 所示：
1.1 手动端口延伸的过程
1）选择一个校准后的S11 测量（端口1）；若要对端口2 进行延伸，请选择校准后的S22 测量.
2）选择显示格式为相位格式.
3）在校准参考面上连接OPEN 或SHORT,检验相位在频率跨度内是否在0 或0 附近.
4）连接附加传输线或夹具，并在DUT 的位置连接一个OPEN或SHORT?然后逐步增加延时，直到相位响应在整个关心的频率跨度内为平坦的.
5）若已知附加传输线的损耗，直接输入损耗补偿值，可以使用一个（损耗1）或两个数据点（损耗1 和损耗2）进行损耗补偿.
如果已知附加传输线的电长度，则直接在图1“时间”中输入即可.如果已知附加传输线的物理长度，增加“时间”直到“距离”
等于附加传输线的物理长度即可.如果既不知道附加传输线的电长度也不知道附加传输线的物理长度，那必须在新的参考面上连接一个开路器或短路器.这样就可以使用自动端口延伸.
1.2 自动端口延伸过程
1）连接附加的传输线或夹具后，在新的参考面上连接开路器或短路器.
2）在图1 中点击“自动端口延伸”,出现如图2 所示的对话框，然后点击图2 中的“显示配置”进行相应的设置.
3）点击图2 中的“开路”或“短路”进行自动端口延伸的计算，自动计算出来的延时与损耗会显示在图1 相应的文本框中，同时，自动计算完毕后会自动打开端口延伸功能.
1.3 自动端口延伸的实现
自动端口延伸的界面如图2 所示.
2 TRL 校准
TRL（Thru-Reflect-Line）校准包括一系列的校准技术，如TRM（Thru-Reflect-Match）.TRL 校准通过测量两个传输标准和一个反射标准来确定12 项误差系数，而传统的SOLT 校准通过测量一个传输标准（T）和三个反射标准（SOL）来确定同样多的误差系数.
如果需要对矢量网络分析仪进行TRL 校准，由于支持TRL校准的校准件非常少，此时必须构建和定义与被测件介质相同的校准件，而制造3 个TRL 标准比制造4 个SOLT 标准要更容易.
TRL 校准适合窄带校准，当需要进行宽带校准时必须使用多个传输线标准，例如，2GHz ~ 26GHz 频段需要两个传输线标准，而在低频段，传输线标准会特别长.
TRL 校准标准需要定义三个标准：直通标准.反射标准和传输线标准.下面分别对这三个标准在定义和构建的过程中应该注意的事项一一进行介绍.
2.1 直通标准
直通标准可以是零长度也可以是非零长度，零长度直通因为没有损耗和特征阻抗要更精确一些.直通标准的电延时不能与传输线标准相同，如果精确的定义了其相位和电长度，可以用它在校准时建立测量参考平面.
2.2 反射标准
反射标准可以是有高反射系数的任何物理器件，连接到两个测量端口反射标准的特性必须完全相同.在校准时并不需要知道标准件反射的幅度，但必须知道相位，而且其电长度必须在1/4 波长以内.如果精确的定义了反射标准的幅度和相位，可以用它来建立测量参考平面.
2.3 传输线标准
传输线标准用来建立校准后的测量参考阻抗，TRL 校准由于传输线标准的限制存在以下不足：
· 传输线标准必须与直通标准的阻抗相同.
· 传输线标准的电长度不能与直通标准相同.
· 传输线标准在整个频率范围内必须有适当的电长度，在每个频率点，传输线标准与直通标准的相位差必须大于20小于160,因此实际单根传输线能覆盖的频率范围为8 :1?为了覆盖更宽的频率范围，需要多个传输线标准.
· 在低频段，传输线标准会特别长，传输线标准的最优长度为频率跨度几何平均频率（起始频率× 终止频率的平方根）的1/4 波长.
2.4 匹配标准
当所需长度或损耗的传输线不能制造时，可以使用匹配标准来代替传输线.
· 匹配标准为连接到端口上的低反射终端.
· 在TRL 校准的误差系数计算时，将匹配标准作为高损耗.无限长度的传输线.
· 匹配标准的阻抗变为测量的参考阻抗.
3 TRL 校准的实现
要实现利用矢量网络分析仪的TRL 校准功能测量表面贴装器件的S 参数，必须制作相应的测试夹具，测试夹具制作好后才能在相应的测试夹具上制作TRL 校准标准件.下面以MAX2640 低噪声放大器（LNA）的S参数测量和稳定性分析为例介绍一下TRL校准标准件制作的过程.
对MAX2640 进行S 参数测量时使用了两套评估（EV）板和一台网络分析仪（HP8753D）.将第一套评估板（kit#1）的IC 去掉用于校准，利用第二套评估板（kit#2）进行实际测量，该套评估板保留了IC,但无匹配元件.
1. 对双口网络进行了完整的校准操作，校准范围包括与矢量网络分析仪相连接的电缆.
2. 当我们测量第二套评估板（kit#2）上不带匹配元件时IC 的S 参数时，将短接线放置到了第一套评估板（kit#1）上MAX2640 输入和输出引脚的焊接位置（参见图3）.
3. 调整网络分析仪的端口延时，使315MHz 时输入端和输出端的阻抗都尽可能接近于短路状态.此时我们就可以利用该校准在第二套评估板（kit#2）上的MAX2640 器件引脚处进行S 参数测量.
4. 然后修改第一套评估板（kit#1），将上面的短接线移置到上次匹配元件的放置点.再一次调整网络分析仪的端口延时，使315MHz 时输入端和输出端的阻抗都尽可能接近于短路状态.
5. 接着将匹配元件放回到第二套评估板（kit#2）上，对评估板上带有匹配元件的IC 进行S 参数测量.
6. 为了证实仅测试IC 时（上述步骤3）S 参数的正确性，将所得的S 参数导入ADS（微波仿真软件），并在所建模型中加入匹配元件和传输线.同时为了模拟板上存在的寄生效应，在模型的输入引脚和输出引脚加一只0.5pF 电容.然后将所建立的模型的仿真性能曲线与评估板上带有匹配元件时所测得的IC S 参数（上述步骤5）进行比较.
4 测试结果
图4 至图9 曲线标注定义如下：
MAX2640_Epcos_1GHz_simulation :只对工作台上不带匹配元件的IC 进行了测量，利用所测得的S 参数进行仿真，并在ADS的仿真模型中加入了匹配元件.
MAX2640_Epcos_1GHz_bench :在评估板上加入了匹配元件后再对IC 进行S 参数测量.
上述数据表明所进行的两个测试中，幅值和相位性能都非常接近.除去微小的频率偏移，仿真结果（ 利用不带匹配元件的IC 的测试S 参数建立模型，并在ADS 模型中加入匹配元件后对模拟工作台进行仿真测量） 非常接近于实际性能测试（ 在评估板上加入匹配元件后，对实际性能进行测试）.所以可以得到这样的结论：对MAX2640 进行测量所得的S 参数是可靠的，可用于仿真和稳定性分析.
5 结论
本文简单介绍了利用矢量网络分析仪测量表面贴装器件（SMD）S 参数的两种方法.即端口延伸法和TRL 校准法，这两种方法在实际的测试过程中，可以根据对测量精度要求的高低来选择，当要求的测量精度不高时，一般选择端口延伸法.当要求很高的测量精度时，并且没有与被测件连接器类型相同的校准件时，经常选择TRL 校准法。