通過AFR提取的高頻探針模型

在很多PCB板、晶圓的測試中，高頻探針是一個(gè)必不可少的探測工具。特別是高速數(shù)字電路板、微波芯片的測試中，對于探針的阻抗、損耗等都有非常高的要求。那么問題來了，探針本身的性能好壞如何衡量?

下圖是我們拿到的兩根用于高速電路板飛針測試的探針，看起來外觀完全一樣，都是通過焊接把針尖、地線、探針主體和2.92mm接頭焊接在一起。為了對其進(jìn)行區(qū)分，我們姑且標(biāo)注為1號探針和2號探針。

對于這種探針來說，一種方法是用VNA通過測試針對探針設(shè)計(jì)的開路、短路和負(fù)載校準(zhǔn)件校準(zhǔn)到探針的末端，但這種方法并不能完整提取出探針的參數(shù)模型。另一種方法是把VNA校準(zhǔn)到2.92mm電纜的末端，然后對探針進(jìn)行測試，但這種方法只能測試反射參數(shù)，測試傳輸參數(shù)比較困難。綜合考慮下來，我們決定使用VNA的AFR(自動夾具移除)功能來進(jìn)行探針的參數(shù)提取。

AFR是VNA的一個(gè)新的測試功能，針對一端是同軸另一端是非同軸接口的夾具、PCB板等，可以通過一次反射測試就得到被測件的全S參數(shù)。使用AFR功能的前提是非同軸一端是接近理想的開路或短路，另外靠近非同軸一側(cè)有一段均勻的傳輸線(4~6倍上升時(shí)間)。考慮到這次測試的探針前端是有一段均勻傳輸線的，所以可以適用AFR功能;探針前端的針尖有一定長度，有一定的輻射效應(yīng)，可能不是理想的開路，所以可以通過連接在短路片上實(shí)現(xiàn)近似理想的短路。下圖是AFR的功能的使用場景。

測試中我們使用了利用40GHz頻率范圍的N5244A PNA-X矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和PLTS物理層分析軟件，能夠?qū)μ结樀男阅茏鋈轿坏臏y試和分析，從而作為判斷探針質(zhì)量的一個(gè)依據(jù)。首先利用PNAX和電子校準(zhǔn)件，測試探針經(jīng)過短路后的S11參數(shù)。再利用PLTS 分析軟件以及AFR校準(zhǔn)技術(shù)，得到探針的4 個(gè)S參數(shù)、時(shí)域阻抗參數(shù)和響應(yīng)時(shí)間參數(shù)。下面是分別測試1號探針和2 號探針后，再用PLTS軟件轉(zhuǎn)換，得到二個(gè)探針的特性曲線。

1、探針的頻域反射特性。圖1是1號針的S11，圖2 是2號針的S11。

圖1、1 號針的S11

圖2、2 號針的S11

從二個(gè)探針的S11曲線可以得出如下結(jié)果，1號針頻率范圍從10 MHz- 30GHz 的回波損耗好于-20dB, 典型值達(dá)到-24dB。而對于2號針，頻率高于15GHz時(shí)，回波損耗差于-20dB，從曲線上可以得到典型值：在24GHz時(shí)，為-15.07dB。說明1號針的工作頻率可以到達(dá)30GHz，而2號針在工作頻率高于15GHz時(shí)，存在的反射會明顯影響阻抗測試的一致性。

2、 探針的時(shí)域阻抗特性分析。圖3是1號針的時(shí)域阻抗，圖4 是2號針的時(shí)域阻抗。

圖3、1 號針的時(shí)域阻抗參數(shù)

圖4、2 號針的時(shí)域阻抗參數(shù)

利用PLTS軟件，能夠?qū)⑵骷念l域S參數(shù)，轉(zhuǎn)化為時(shí)域的阻抗參數(shù)，從而得到器件在信號傳播路徑上的阻抗參數(shù)。從二個(gè)探針的時(shí)域阻抗曲線可以測量到，在0.21ns 處，2 號針有一個(gè)高于1 號針的阻抗突變，經(jīng)過判斷，該阻抗突變點(diǎn)的位置在探針2.92mm同軸連機(jī)器與探針主體的過渡連接處。這個(gè)阻抗突變點(diǎn)表明2 號針過渡處的阻抗連續(xù)性要比1 號針差，其他位置的阻抗特性與1 號針相近。初步判斷是因?yàn)? 號針連接處的阻抗突變影響了探針的工作頻率范圍。

3、探針的響應(yīng)時(shí)間特性分析。圖5是1號針的響應(yīng)時(shí)間參數(shù)，圖6 是2號針的響應(yīng)時(shí)間參數(shù)。

圖5、1 號針的響應(yīng)時(shí)間參數(shù)

圖6、2 號針的響應(yīng)時(shí)間參數(shù)

探針的響應(yīng)時(shí)間特性測試，是利用測試系統(tǒng)提供的上升沿為16ps 時(shí)域激勵信號，激勵探針，測試探針響應(yīng)后的上升沿時(shí)間。測試功能由PLTS軟件完成。從測試的參數(shù)可以得到：經(jīng)過探針后，1號針將16ps 的系統(tǒng)上升時(shí)間延緩到28ps，2號針將16ps 的系統(tǒng)上升時(shí)間延緩到30ps。

通過以上對探針性能的測試與分析，我們了解到利用PNAX和PLTS物理層分析軟件，能夠測試器件的時(shí)域阻抗，從而可以分析器件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特性。同時(shí)又可以利用S參數(shù)，得出器件的頻域特性以及其工作的頻率范圍。PLTS軟件還可以進(jìn)一步得到該器件對信號上升沿時(shí)間的響應(yīng)特性。另外，PLTS軟件的AFR技術(shù)獨(dú)到之處在于，能夠測試得到單端口連接器件(如探針)的全S參數(shù)，從而可以詳細(xì)測試分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻抗、頻域和時(shí)域參數(shù)。

注：以上測試是一次典型的對探針性能參數(shù)的測試，其測試結(jié)果會受到多個(gè)因數(shù)的影響，如對探針的短路連接方式、轉(zhuǎn)接頭的類型等，都會影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。以上分析僅供了解AFR功能參考，其測試結(jié)果不做為任何判決依據(jù)。