消除測試設(shè)備對器件測量影響

提高精度已成為最早期矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）測量的目標(biāo)。通過校準(zhǔn)和矢量誤差校正技術(shù)，可以將VNA精度從儀器端口擴(kuò)展到測試電纜的端點。當(dāng)待測器件（DUT）直接連接到測試端口電纜時，校準(zhǔn)面和測量面是同一平面。在這種情況下，校準(zhǔn)和誤差校正是直截了當(dāng)?shù)倪^程，其涉及機械或電子同軸校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。然而，對引腳貼裝或表面貼裝封裝的DUT而言，必須使用測試設(shè)備，而目前同軸校準(zhǔn)平面和測量平面是分開的，并需要額外的誤差校正技術(shù)來達(dá)到高測量精度。這些方法經(jīng)常采用裝置的建模響應(yīng)，來有效地將校正平面移至DUT的端口。部分工程師則選擇采取最小影響的測試設(shè)備，并僅僅測量DUT和設(shè)備的總響應(yīng)。本文討論了兩種基于模型的校正，其增加了測量精度，并不再需要忽略由測試設(shè)備引入的測量誤差。

直接測量涉及到測量的物理校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)以及計算誤差項。這種方法提供了高精度，這主要是基于校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)精確特性的程度是已知的。多年來已有很多有關(guān)各種直接測量校準(zhǔn)技術(shù)的文章。所有詳細(xì)內(nèi)容可以在安捷倫應(yīng)用筆記1287-3和1287-11中閱讀到。1-3基于模型的校準(zhǔn)采用了從網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)建模中推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)校正。該建模響應(yīng)可能來自仿真結(jié)果或理論性行為，但往往是從實際測量得出的。通常，測量和建模的結(jié)合有助于實現(xiàn)最高質(zhì)量的結(jié)果。

如圖1所示的端口擴(kuò)展是最簡單的建模技術(shù)。它依賴于簡單的測試設(shè)備延遲（并且，在某些情況下，有衰減的）模型。去嵌入采用設(shè)備的完整S參數(shù)模型。這兩種技術(shù)不再需要建立精確的設(shè)備內(nèi)部校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，這是難以實現(xiàn)地（特別是對負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)），并花費了很多時間和精力。

測試設(shè)備的差別很大，這取決于應(yīng)用和成本。同時，在制造業(yè)中所使用的測試設(shè)備是嚴(yán)格的，并且往往價格昂貴，特別是印制電路板（PCB）設(shè)備在研究和開發(fā)（R＆D）實驗室中是共同的。其相對便宜并易于制作，盡管對頻率超過3GHz的信號損失不能被忽略。目前無線應(yīng)用中的許多器件必須在高達(dá)13GHz的頻率進(jìn)行測試。因此，減少或消除裝置的損耗和延誤是必要的，這使得DUT的真實特性得以獲得分析。

所以，當(dāng)在裝置中測量器件時，將PCB板上的軌跡認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)分析儀和DUT之間同軸測試電纜的擴(kuò)展。通過實現(xiàn)每部分設(shè)備上的端口擴(kuò)展，將測量平面擴(kuò)展到超出同軸校準(zhǔn)平面的右側(cè)，達(dá)到DUT的端口。當(dāng)設(shè)備連接器和DUT之間的損耗和電長度已知時，可以通過在售的大部分VNA人工將其減去。

許多測試設(shè)備采用了具有SMA連接器的PCB測試設(shè)備（圖2）。測試設(shè)備/VNA的組合可以在SMA連接器平面進(jìn)行校準(zhǔn)。但是，當(dāng)測試設(shè)備用于測量電路板貼裝器件時，PCB測試設(shè)備的電氣特性可能改變DUT的測量幅度和相位。端口擴(kuò)展用于增加線性相位（連續(xù)延遲），以及轉(zhuǎn)移參考平面到DUT平面的同軸誤差校正陣列的損耗與頻率項。

當(dāng)測試設(shè)備的延遲和損耗未知時，必須在采用端口擴(kuò)展之前對其進(jìn)行測量。安捷倫科技已開發(fā)出自動化方法，并將其集成到PNA系列VNA中。安捷倫的自動端口擴(kuò)展（APE）使用簡單的開路或短路測量提供了簡便的方法來計算測試設(shè)備的損失和延遲。采用最適合的直線模型來計算電延遲。采用兩種方法之一來計算損耗項，這依靠用于傳輸線的媒介。損耗模型被假設(shè)是同軸或介質(zhì)。同軸和介電模型都提供了可變的損耗與頻率的關(guān)系，其不是簡單的直線。當(dāng)在PCB上建立測試設(shè)備時，要采用介電模型。

APE算法測量開路或短路，并計算測試設(shè)備所測試部分的插入損耗和電延遲。這一步對測試設(shè)備的每個部分重復(fù)進(jìn)行。這一步之后，只有測試設(shè)備失配仍然是誤差來源。失配誤差的主要來源是從同軸線纜到微帶線的過渡，這發(fā)生在每個測試設(shè)備端口的連接器處。該失配不能通過同軸校準(zhǔn)來去除，這是因為其出現(xiàn)在同軸校準(zhǔn)平面之后。

可以通過在過渡處采用良好質(zhì)量的邊緣突出的連接器減小反射來提高測量精度，并在測試設(shè)備中具有良好的50歐姆傳輸線。港口擴(kuò)展技術(shù)提供了良好的效果，并具有中等水平的精度。盡管并不和使用高質(zhì)量設(shè)備內(nèi)部校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)一樣精確，它仍是迄今為止較為容易在設(shè)備內(nèi)部測試器件的方法，并為多種應(yīng)用提供了足夠的精度。

APE技術(shù)采用了曲線擬合過程來計算低階損耗和相位響應(yīng)。同時，該算法容許失配紋波，其不會去除紋波本身。大多數(shù)情況下，只需一個高反射標(biāo)準(zhǔn)來精確計算損耗和延誤響應(yīng)。只用一個高反射標(biāo)準(zhǔn)來要求測量的頻率范圍足夠?qū)?，以便反射測量中的紋波通過至少有一個完整周期。在這種情況下，可以使用最方便的標(biāo)準(zhǔn)，這往往是開路的。采用兩個標(biāo)準(zhǔn)對寬帶測量而言差別不大，這是由于當(dāng)使用開路或短路時，紋波中出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)或經(jīng)過計算的損耗是一樣的。使用兩個標(biāo)準(zhǔn)來提高窄帶測量的精度，其中并不會出現(xiàn)完整的紋波周期。圖3中所示的更低軌跡的表示了在采用APE之前，測試設(shè)備的一部分響應(yīng)。上面的軌跡表明了在采用APE后的響應(yīng)。損耗補償可能以0dB誤差為中心（棕色軌跡），或?qū)⒓y波峰值保持在0dB以下（藍(lán)色軌跡）。

圖4表示了平衡到不平衡5.5GHz無線本地網(wǎng)（WLAN）濾波器測試到10GHz的響應(yīng)。表示了在自動端口擴(kuò)展工具欄內(nèi)，測試設(shè)備之一的端口延遲和損耗項。該值由安捷倫PNA網(wǎng)絡(luò)分析儀自動計算。下面的兩個軌跡表示了沒有端口擴(kuò)展的DUT測量。沒有端口擴(kuò)展，測量包括了DUT和測試設(shè)備。失真響應(yīng)是由于沒有相位補償（尤其重要的是對平衡端口），并沒有對PCB上該傳輸線的損耗進(jìn)行補償。具有端口擴(kuò)展，嚴(yán)重誤差由于測試設(shè)備被去除，并為WLAN濾波器的實際性能提供了相當(dāng)高的精度。

測試設(shè)備去嵌入是更為嚴(yán)格的建模技術(shù)。該過程一開始就建立DUT所使用的測試設(shè)備的模型。模型的精度直接影響去嵌入測量的精度。去嵌入被用于消除測試設(shè)備、適配器和探頭的不良影響。替代簡單地減去電長度和插入損耗，去嵌入使用經(jīng)過建模的響應(yīng)來作為頻率的函數(shù)，并采用數(shù)學(xué)從測量中去除測試設(shè)備的影響。不同于端口擴(kuò)展，去嵌入去除了同軸線到微帶線過渡的失配影響。測試設(shè)備電路的S參數(shù)存儲在一個.s2p文件格式中。

創(chuàng)建測試設(shè)備.s2p模型的最簡單方式就是采用測量探頭，其可以與該測試設(shè)備中傳輸線的DUT端點實現(xiàn)接口（圖5）。這種情況下，用戶在測試設(shè)備一側(cè)實現(xiàn)了一個使用同軸標(biāo)準(zhǔn)的未知的通過校準(zhǔn)，并使用了測試設(shè)備另一側(cè)的探頭阻抗標(biāo)準(zhǔn)基板（ISS）。測試設(shè)備的傳輸線是未知的路徑。經(jīng)過校準(zhǔn)后，測試設(shè)備只被簡單測量，并未移動探頭或同軸線纜。測量過程對測試設(shè)備的每個部分反復(fù)進(jìn)行，使用與第一個設(shè)備相同的校準(zhǔn)。為了用探頭來測量傳輸線端點，接地平面必須放在與測試探頭的節(jié)距間有正確間距的測試設(shè)備上。

替代探測測試設(shè)備的方法就是使用一項技術(shù)，其實現(xiàn)了兩個單端口校準(zhǔn)。這項技術(shù)假設(shè)測試設(shè)備部分是可互換的（即，S21=S12），總是如此。第一個單端口校準(zhǔn)是在同軸連接器的端點，采用同軸標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)。第二個單端口校準(zhǔn)是在放置DUT的地方，使用設(shè)施設(shè)備內(nèi)部的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。安捷倫PNA和ENA網(wǎng)絡(luò)分析儀都提供了宏來提取測試設(shè)備部分的.s2p數(shù)據(jù)，其使用兩套單端口校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。盡管這一方法具有優(yōu)勢，并不需要探針，但為了實現(xiàn)單端口測試設(shè)備內(nèi)的校準(zhǔn)，要求產(chǎn)生制作測試設(shè)備內(nèi)的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)及其特性。

如果測試設(shè)備的直接測量是不切實際的，那么可以實現(xiàn)仿真來確定測試設(shè)備部分的S參數(shù)行為。對基于這一技術(shù)的精確數(shù)據(jù)而言，PCB材料良好的損耗模型和精確的軌跡尺寸是必需的。

測試設(shè)備去嵌入準(zhǔn)確的反面是測試設(shè)備嵌入。如果網(wǎng)絡(luò)可以從測量中精確減去，其可以很容易地被添加到測量中也是合理的。VNA在50歐姆單端環(huán)境中匹配來實現(xiàn)S參數(shù)。當(dāng)測量設(shè)備不符合這一類別時，需要對該數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理。許多這些軟件設(shè)備工具被內(nèi)建到安捷倫科技的PNA和ENA矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中。對于非50歐姆的設(shè)備，有可能重述S參數(shù)數(shù)據(jù)，以便它看起來像使用VNA阻抗測量DUT，而非50歐姆。也有可能嵌入虛擬阻抗匹配電路，這往往需要例如聲表面波（SAW）濾波器等設(shè)備，而不必真向測試設(shè)備中增加電感和電容?？梢詫υO(shè)備計算混合模式（微分，共同和交叉模式）S參數(shù)，至少有一個平衡端口。圖6表示了部分常見的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)內(nèi)建到用于這一目的的VNA中。

對具有平衡端口的設(shè)備，4端口去嵌入允許測試端口之間的串?dāng)_仿真（圖7）。盡管當(dāng)使用同軸線纜時，串?dāng)_是微不足道的，但當(dāng)測試設(shè)備或探頭用于測量時有可能變得顯著。使用兩個二端口.s2p文件將比使用單一的四端口文件提供不同的測量結(jié)果，這是因為串?dāng)_項也不會包括在兩端口文件內(nèi)。

端口擴(kuò)展及去嵌入是很重要的工具，應(yīng)該被增加到每位工程師的測量工具包中，以獲得最準(zhǔn)確的結(jié)果。PNA的自動端口擴(kuò)展功能通過所要求的測量利用指導(dǎo)用戶憑借推斷來安裝。遇到實際情況，建議采用測試設(shè)備去嵌入來獲得最準(zhǔn)確的測量結(jié)果。PNA的校準(zhǔn)向?qū)Ш苋菀椎夭捎靡徊讲降囊龑?dǎo)過程實現(xiàn)了探針去嵌入完整的校準(zhǔn)步驟。