表面貼裝器件S 參數(shù)測量方法研究

　　在微波射頻領(lǐng)域，當(dāng)測試一個器件時，最大的挑戰(zhàn)之一，是如何消除有害的夾具效應(yīng).端口延伸和TRL 校準(zhǔn)是補(bǔ)償校準(zhǔn)參考平面和儀器的測量平面不一致而引起的誤差的最簡單方法之一.

　　校準(zhǔn)之后，可以利用端口延伸特性來補(bǔ)償由于增加諸如電纜.適配器或夾具所引起的延伸測量參考面的誤差.當(dāng)要求很高的測量精度，并且沒有與被測件連接器類型相同的校準(zhǔn)件時，例如使用夾具進(jìn)行測量或使用探針進(jìn)行晶片上測量時，經(jīng)常需要進(jìn)行TRL校準(zhǔn).TRL 校準(zhǔn)通過測量兩個傳輸標(biāo)準(zhǔn)和一個反射標(biāo)準(zhǔn)來確定12 項(xiàng)誤差系數(shù)，而傳統(tǒng)的SOLT 校準(zhǔn)通過測量一個傳輸標(biāo)準(zhǔn)（T）和三個反射標(biāo)準(zhǔn)（SOL）來確定同樣多的誤差系數(shù).

　　1 端口延伸的實(shí)現(xiàn)

　　在端口延伸之前，一般需要兩個步驟.第一步，做一個全雙端口的校準(zhǔn)，這一步去除了矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀.連接電纜和各種同軸連接器的誤差，并給所有的夾具連接處以很好的源匹配.第二步是使用端口延伸進(jìn)行測試夾具.電纜或適配器的校準(zhǔn).這一步就可以去掉它們的插損和響應(yīng)延遲.

　　端口延伸包括手動端口延伸和自動端口延伸，手動端口延伸是在已知附加傳輸線的某些特性的情況下進(jìn)行的，否則可以使用自動端口延伸.端口延伸的主界面如圖1 所示

　　1.1 手動端口延伸的過程

　　1）選擇一個校準(zhǔn)后的S11 測量（端口1）；若要對端口2 進(jìn)行延伸，請選擇校準(zhǔn)后的S22 測量.

　　2）選擇顯示格式為相位格式.

　　3）在校準(zhǔn)參考面上連接OPEN或SHORT,檢驗(yàn)相位在頻率跨度內(nèi)是否在0 或0 附近.

　　4）連接附加傳輸線或夾具，并在DUT 的位置連接一個OPEN或SHORT?然后逐步增加延時，直到相位響應(yīng)在整個關(guān)心的頻率跨度內(nèi)為平坦的.

　　5）若已知附加傳輸線的損耗，直接輸入損耗補(bǔ)償值，可以使用一個（損耗1）或兩個數(shù)據(jù)點(diǎn)（損耗1 和損耗2）進(jìn)行損耗補(bǔ)償.

　　如果已知附加傳輸線的電長度，則直接在圖1“時間”中輸入即可.如果已知附加傳輸線的物理長度，增加“時間”直到“距離”

　　等于附加傳輸線的物理長度即可.如果既不知道附加傳輸線的電長度也不知道附加傳輸線的物理長度，那必須在新的參考面上連接一個開路器或短路器.這樣就可以使用自動端口延伸.

　　1.2 自動端口延伸過程

　　1）連接附加的傳輸線或夾具后，在新的參考面上連接開路器或短路器.

　　2）在圖1 中點(diǎn)擊“自動端口延伸”,出現(xiàn)如圖2 所示的對話框，然后點(diǎn)擊圖2 中的“顯示配置”進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置.

　　3）點(diǎn)擊圖2 中的“開路”或“短路”進(jìn)行自動端口延伸的計(jì)算，自動計(jì)算出來的延時與損耗會顯示在圖1 相應(yīng)的文本框中，同時，自動計(jì)算完畢后會自動打開端口延伸功能.

　　1.3 自動端口延伸的實(shí)現(xiàn)

　　自動端口延伸的界面如圖2 所示.

　　2 TRL 校準(zhǔn)

　　TRL（Thru-Reflect-Line）校準(zhǔn)包括一系列的校準(zhǔn)技術(shù)，如TRM（Thru-Reflect-Match）.TRL 校準(zhǔn)通過測量兩個傳輸標(biāo)準(zhǔn)和一個反射標(biāo)準(zhǔn)來確定12 項(xiàng)誤差系數(shù)，而傳統(tǒng)的SOLT 校準(zhǔn)通過測量一個傳輸標(biāo)準(zhǔn)（T）和三個反射標(biāo)準(zhǔn)（SOL）來確定同樣多的誤差系數(shù).

　　如果需要對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行TRL 校準(zhǔn)，由于支持TRL校準(zhǔn)的校準(zhǔn)件非常少，此時必須構(gòu)建和定義與被測件介質(zhì)相同的校準(zhǔn)件，而制造3 個TRL 標(biāo)準(zhǔn)比制造4 個SOLT 標(biāo)準(zhǔn)要更容易.

　　TRL 校準(zhǔn)適合窄帶校準(zhǔn)，當(dāng)需要進(jìn)行寬帶校準(zhǔn)時必須使用多個傳輸線標(biāo)準(zhǔn)，例如，2GHz ~ 26GHz 頻段需要兩個傳輸線標(biāo)準(zhǔn)，而在低頻段，傳輸線標(biāo)準(zhǔn)會特別長.

　　TRL 校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)需要定義三個標(biāo)準(zhǔn)：直通標(biāo)準(zhǔn).反射標(biāo)準(zhǔn)和傳輸線標(biāo)準(zhǔn).下面分別對這三個標(biāo)準(zhǔn)在定義和構(gòu)建的過程中應(yīng)該注意的事項(xiàng)一一進(jìn)行介紹.

　　2.1 直通標(biāo)準(zhǔn)

　　直通標(biāo)準(zhǔn)可以是零長度也可以是非零長度，零長度直通因?yàn)闆]有損耗和特征阻抗要更精確一些.直通標(biāo)準(zhǔn)的電延時不能與傳輸線標(biāo)準(zhǔn)相同，如果精確的定義了其相位和電長度，可以用它在校準(zhǔn)時建立測量參考平面.

　　2.2 反射標(biāo)準(zhǔn)

　　反射標(biāo)準(zhǔn)可以是有高反射系數(shù)的任何物理器件，連接到兩個測量端口反射標(biāo)準(zhǔn)的特性必須完全相同.在校準(zhǔn)時并不需要知道標(biāo)準(zhǔn)件反射的幅度，但必須知道相位，而且其電長度必須在1/4 波長以內(nèi).如果精確的定義了反射標(biāo)準(zhǔn)的幅度和相位，可以用它來建立測量參考平面.

　　2.3 傳輸線標(biāo)準(zhǔn)

　　傳輸線標(biāo)準(zhǔn)用來建立校準(zhǔn)后的測量參考阻抗，TRL 校準(zhǔn)由于傳輸線標(biāo)準(zhǔn)的限制存在以下不足：

　　· 傳輸線標(biāo)準(zhǔn)必須與直通標(biāo)準(zhǔn)的阻抗相同.

　　· 傳輸線標(biāo)準(zhǔn)的電長度不能與直通標(biāo)準(zhǔn)相同.

　　· 傳輸線標(biāo)準(zhǔn)在整個頻率范圍內(nèi)必須有適當(dāng)?shù)碾婇L度，在每個頻率點(diǎn)，傳輸線標(biāo)準(zhǔn)與直通標(biāo)準(zhǔn)的相位差必須大于20小于160,因此實(shí)際單根傳輸線能覆蓋的頻率范圍為8 :1?為了覆蓋更寬的頻率范圍，需要多個傳輸線標(biāo)準(zhǔn).

　　· 在低頻段，傳輸線標(biāo)準(zhǔn)會特別長，傳輸線標(biāo)準(zhǔn)的最優(yōu)長度為頻率跨度幾何平均頻率（起始頻率× 終止頻率的平方根）的1/4 波長.

　　2.4 匹配標(biāo)準(zhǔn)

　　當(dāng)所需長度或損耗的傳輸線不能制造時，可以使用匹配標(biāo)準(zhǔn)來代替?zhèn)鬏斁€.

　　· 匹配標(biāo)準(zhǔn)為連接到端口上的低反射終端.

　　· 在TRL 校準(zhǔn)的誤差系數(shù)計(jì)算時，將匹配標(biāo)準(zhǔn)作為高損耗.無限長度的傳輸線.

　　· 匹配標(biāo)準(zhǔn)的阻抗變?yōu)闇y量的參考阻抗.

　　3 TRL 校準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)

　　要實(shí)現(xiàn)利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的TRL 校準(zhǔn)功能測量表面貼裝器件的S 參數(shù)，必須制作相應(yīng)的測試夾具，測試夾具制作好后才能在相應(yīng)的測試夾具上制作TRL 校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件.下面以MAX2640低噪聲放大器（LNA）的S 參數(shù)測量和穩(wěn)定性分析為例介紹一下TRL校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件制作的過程.

　　對MAX2640 進(jìn)行S 參數(shù)測量時使用了兩套評估（EV）板和一臺網(wǎng)絡(luò)分析儀（HP8753D）.將第一套評估板（kit#1）的IC 去掉用于校準(zhǔn)，利用第二套評估板（kit#2）進(jìn)行實(shí)際測量，該套評估板保留了IC,但無匹配元件.

　　1. 對雙口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了完整的校準(zhǔn)操作，校準(zhǔn)范圍包括與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相連接的電纜.

　　2. 當(dāng)我們測量第二套評估板（kit#2）上不帶匹配元件時IC 的S 參數(shù)時，將短接線放置到了第一套評估板（kit#1）上MAX2640 輸入和輸出引腳的焊接位置（參見圖3）.

　　3. 調(diào)整網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口延時，使315MHz時輸入端和輸出端的阻抗都盡可能接近于短路狀態(tài).此時我們就可以利用該校準(zhǔn)在第二套評估板（kit#2）上的MAX2640 器件引腳處進(jìn)行S 參數(shù)測量.

　　4. 然后修改第一套評估板（kit#1），將上面的短接線移置到上次匹配元件的放置點(diǎn).再一次調(diào)整網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口延時，使315MHz 時輸入端和輸出端的阻抗都盡可能接近于短路狀態(tài).

　　5. 接著將匹配元件放回到第二套評估板（kit#2）上，對評估板上帶有匹配元件的IC 進(jìn)行S 參數(shù)測量.

　　6. 為了證實(shí)僅測試IC 時（上述步驟3）S 參數(shù)的正確性，將所得的S 參數(shù)導(dǎo)入ADS（微波仿真軟件），并在所建模型中加入匹配元件和傳輸線.同時為了模擬板上存在的寄生效應(yīng)，在模型的輸入引腳和輸出引腳加一只0.5pF電容.然后將所建立的模型的仿真性能曲線與評估板上帶有匹配元件時所測得的IC S 參數(shù)（上述步驟5）進(jìn)行比較.

　　4 測試結(jié)果：

　　圖4 至圖9 曲線標(biāo)注定義如下：

　　MAX2640_Epcos_1GHz_simulation :只對工作臺上不帶匹配元件的IC 進(jìn)行了測量，利用所測得的S 參數(shù)進(jìn)行仿真，并在ADS的仿真模型中加入了匹配元件.

　　MAX2640_Epcos_1GHz_bench :在評估板上加入了匹配元件后再對IC 進(jìn)行S 參數(shù)測量.

　　上述數(shù)據(jù)表明所進(jìn)行的兩個測試中，幅值和相位性能都非常接近.除去微小的頻率偏移，仿真結(jié)果（ 利用不帶匹配元件的IC 的測試S 參數(shù)建立模型，并在ADS 模型中加入匹配元件后對模擬工作臺進(jìn)行仿真測量） 非常接近于實(shí)際性能測試（ 在評估板上加入匹配元件后，對實(shí)際性能進(jìn)行測試）.所以可以得到這樣的結(jié)論：對MAX2640 進(jìn)行測量所得的S 參數(shù)是可靠的，可用于仿真和穩(wěn)定性分析.

　　5 結(jié)論

　　本文簡單介紹了利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量表面貼裝器件（SMD）S 參數(shù)的兩種方法.即端口延伸法和TRL 校準(zhǔn)法，這兩種方法在實(shí)際的測試過程中，可以根據(jù)對測量精度要求的高低來選擇，當(dāng)要求的測量精度不高時，一般選擇端口延伸法.當(dāng)要求很高的測量精度時，并且沒有與被測件連接器類型相同的校準(zhǔn)件時，經(jīng)常選擇TRL 校準(zhǔn)法.