表面貼裝器件S 參數(shù)測(cè)量方法研究

　　在微波射頻領(lǐng)域，當(dāng)測(cè)試一個(gè)器件時(shí)，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(cè)量平面不一致而引起的誤差的最簡(jiǎn)單方法之一.

　　校準(zhǔn)之后，可以利用端口延伸特性來(lái)補(bǔ)償由于增加諸如電纜.適配器或夾具所引起的延伸測(cè)量參考面的誤差.當(dāng)要求很高的測(cè)量精度，并且沒(méi)有與被測(cè)件連接器類型相同的校準(zhǔn)件時(shí)，例如使用夾具進(jìn)行測(cè)量或使用探針進(jìn)行晶片上測(cè)量時(shí)，經(jīng)常需要進(jìn)行TRL校準(zhǔn).TRL 校準(zhǔn)通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)傳輸標(biāo)準(zhǔn)和一個(gè)反射標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定12 項(xiàng)誤差系數(shù)，而傳統(tǒng)的SOLT 校準(zhǔn)通過(guò)測(cè)量一個(gè)傳輸標(biāo)準(zhǔn)（T）和三個(gè)反射標(biāo)準(zhǔn)（SOL）來(lái)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(gè)步驟.第一步，做一個(gè)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(cè)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(dòng)端口延伸和自動(dòng)端口延伸，手動(dòng)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(dòng)端口延伸.端口延伸的主界面如圖1 所示

　　1.1 手動(dòng)端口延伸的過(guò)程

　　1）選擇一個(gè)校準(zhǔn)后的S11 測(cè)量（端口1）；若要對(duì)端口2 進(jìn)行延伸，請(qǐng)選擇校準(zhǔn)后的S22 測(cè)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(gè)OPEN或SHORT?然后逐步增加延時(shí)，直到相位響應(yīng)在整個(gè)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(gè)（損耗1）或兩個(gè)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(zhǎng)度，則直接在圖1“時(shí)間”中輸入即可.如果已知附加傳輸線的物理長(zhǎng)度，增加“時(shí)間”直到“距離”

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

　　1.2 自動(dòng)端口延伸過(guò)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(dòng)端口延伸”,出現(xiàn)如圖2 所示的對(duì)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(dòng)端口延伸的計(jì)算，自動(dòng)計(jì)算出來(lái)的延時(shí)與損耗會(huì)顯示在圖1 相應(yīng)的文本框中，同時(shí)，自動(dòng)計(jì)算完畢后會(huì)自動(dòng)打開端口延伸功能.

　　1.3 自動(dòng)端口延伸的實(shí)現(xiàn)

　　自動(dòng)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(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)傳輸標(biāo)準(zhǔn)和一個(gè)反射標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定12 項(xiàng)誤差系數(shù)，而傳統(tǒng)的SOLT 校準(zhǔn)通過(guò)測(cè)量一個(gè)傳輸標(biāo)準(zhǔn)（T）和三個(gè)反射標(biāo)準(zhǔn)（SOL）來(lái)確定同樣多的誤差系數(shù).

　　如果需要對(duì)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(shí)必須構(gòu)建和定義與被測(cè)件介質(zhì)相同的校準(zhǔn)件，而制造3 個(gè)TRL 標(biāo)準(zhǔn)比制造4 個(gè)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(shí)必須使用多個(gè)傳輸線標(biāo)準(zhǔn)，例如，2GHz ~ 26GHz 頻段需要兩個(gè)傳輸線標(biāo)準(zhǔn)，而在低頻段，傳輸線標(biāo)準(zhǔn)會(huì)特別長(zhǎng).

　　TRL 校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)需要定義三個(gè)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(duì)這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在定義和構(gòu)建的過(guò)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(zhǎng)度也可以是非零長(zhǎng)度，零長(zhǎng)度直通因?yàn)闆](méi)有損耗和特征阻抗要更精確一些.直通標(biāo)準(zhǔn)的電延時(shí)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(zhǎng)度，可以用它在校準(zhǔn)時(shí)建立測(cè)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(gè)測(cè)量端口反射標(biāo)準(zhǔn)的特性必須完全相同.在校準(zhǔn)時(shí)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(zhǎng)度必須在1/4 波長(zhǎng)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(lái)建立測(cè)量參考平面.

　　2.3 傳輸線標(biāo)準(zhǔn)

　　傳輸線標(biāo)準(zhǔn)用來(lái)建立校準(zhǔn)后的測(cè)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(zhǎng)度不能與直通標(biāo)準(zhǔn)相同.

　　· 傳輸線標(biāo)準(zhǔn)在整個(gè)頻率范圍內(nèi)必須有適當(dāng)?shù)碾婇L(zhǎng)度，在每個(gè)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(gè)傳輸線標(biāo)準(zhǔn).

　　· 在低頻段，傳輸線標(biāo)準(zhǔn)會(huì)特別長(zhǎng)，傳輸線標(biāo)準(zhǔn)的最優(yōu)長(zhǎng)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(zhǎng).

　　2.4 匹配標(biāo)準(zhǔn)

　　當(dāng)所需長(zhǎng)度或損耗的傳輸線不能制造時(shí)，可以使用匹配標(biāo)準(zhǔn)來(lái)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(shí)，將匹配標(biāo)準(zhǔn)作為高損耗.無(wú)限長(zhǎng)度的傳輸線.

　　· 匹配標(biāo)準(zhǔn)的阻抗變?yōu)闇y(cè)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(cè)量表面貼裝器件的S 參數(shù)，必須制作相應(yīng)的測(cè)試夾具，測(cè)試夾具制作好后才能在相應(yīng)的測(cè)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(cè)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(guò)程.

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

　　1. 對(duì)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(cè)量第二套評(píng)估板（kit#2）上不帶匹配元件時(shí)IC 的S 參數(shù)時(shí)，將短接線放置到了第一套評(píng)估板（kit#1）上MAX2640 輸入和輸出引腳的焊接位置（參見(jiàn)圖3）.

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

　　4. 然后修改第一套評(píng)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(shí)，使315MHz 時(shí)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(píng)估板（kit#2）上，對(duì)評(píng)估板上帶有匹配元件的IC 進(jìn)行S 參數(shù)測(cè)量.

　　6. 為了證實(shí)僅測(cè)試IC 時(shí)（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(shí)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(píng)估板上帶有匹配元件時(shí)所測(cè)得的IC S 參數(shù)（上述步驟5）進(jìn)行比較.

　　4 測(cè)試結(jié)果：

　　圖4 至圖9 曲線標(biāo)注定義如下：

　　MAX2640_Epcos_1GHz_simulation :只對(duì)工作臺(tái)上不帶匹配元件的IC 進(jìn)行了測(cè)量，利用所測(cè)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(píng)估板上加入了匹配元件后再對(duì)IC 進(jìn)行S 參數(shù)測(cè)量.

　　上述數(shù)據(jù)表明所進(jìn)行的兩個(gè)測(cè)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(cè)試S 參數(shù)建立模型，并在ADS 模型中加入匹配元件后對(duì)模擬工作臺(tái)進(jìn)行仿真測(cè)量） 非常接近于實(shí)際性能測(cè)試（ 在評(píng)估板上加入匹配元件后，對(duì)實(shí)際性能進(jìn)行測(cè)試）.所以可以得到這樣的結(jié)論：對(duì)MAX2640 進(jìn)行測(cè)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(jiǎn)單介紹了利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)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(cè)試過(guò)程中，可以根據(jù)對(duì)測(cè)量精度要求的高低來(lái)選擇，當(dāng)要求的測(cè)量精度不高時(shí)，一般選擇端口延伸法.當(dāng)要求很高的測(cè)量精度時(shí)，并且沒(méi)有與被測(cè)件連接器類型相同的校準(zhǔn)件時(shí)，經(jīng)常選擇TRL 校準(zhǔn)法.