消除測(cè)試設(shè)備對(duì)器件測(cè)量影響

提高精度已成為最早期矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）測(cè)量的目標(biāo)。通過(guò)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(cè)試電纜的端點(diǎn)。當(dāng)待測(cè)器件（DUT）直接連接到測(cè)試端口電纜時(shí)，校準(zhǔn)面和測(cè)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^(guò)程，其涉及機(jī)械或電子同軸校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。然而，對(duì)引腳貼裝或表面貼裝封裝的DUT而言，必須使用測(cè)試設(shè)備，而目前同軸校準(zhǔn)平面和測(cè)量平面是分開(kāi)的，并需要額外的誤差校正技術(shù)來(lái)達(dá)到高測(cè)量精度。這些方法經(jīng)常采用裝置的建模響應(yīng)，來(lái)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(cè)試設(shè)備，并僅僅測(cè)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(cè)量精度，并不再需要忽略由測(cè)試設(shè)備引入的測(cè)量誤差。

直接測(cè)量涉及到測(cè)量的物理校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)以及計(jì)算誤差項(xiàng)。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(lái)已有很多有關(guān)各種直接測(cè)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(lái)自仿真結(jié)果或理論性行為，但往往是從實(shí)際測(cè)量得出的。通常，測(cè)量和建模的結(jié)合有助于實(shí)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(jiǎn)單的建模技術(shù)。它依賴于簡(jiǎn)單的測(cè)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(shí)現(xiàn)地（特別是對(duì)負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)），并花費(fèi)了很多時(shí)間和精力。

測(cè)試設(shè)備的差別很大，這取決于應(yīng)用和成本。同時(shí)，在制造業(yè)中所使用的測(cè)試設(shè)備是嚴(yán)格的，并且往往價(jià)格昂貴，特別是印制電路板（PCB）設(shè)備在研究和開(kāi)發(fā)（R＆D）實(shí)驗(yàn)室中是共同的。其相對(duì)便宜并易于制作，盡管對(duì)頻率超過(guò)3GHz的信號(hào)損失不能被忽略。目前無(wú)線應(yīng)用中的許多器件必須在高達(dá)13GHz的頻率進(jìn)行測(cè)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(shí)特性得以獲得分析。

所以，當(dāng)在裝置中測(cè)量器件時(shí)，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(cè)試電纜的擴(kuò)展。通過(guò)實(shí)現(xiàn)每部分設(shè)備上的端口擴(kuò)展，將測(cè)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(zhǎng)度已知時(shí)，可以通過(guò)在售的大部分VNA人工將其減去。

許多測(cè)試設(shè)備采用了具有SMA連接器的PCB測(cè)試設(shè)備（圖2）。測(cè)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(cè)試設(shè)備用于測(cè)量電路板貼裝器件時(shí)，PCB測(cè)試設(shè)備的電氣特性可能改變DUT的測(cè)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(xiàng)。

當(dāng)測(cè)試設(shè)備的延遲和損耗未知時(shí)，必須在采用端口擴(kuò)展之前對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。安捷倫科技已開(kāi)發(fā)出自動(dòng)化方法，并將其集成到PNA系列VNA中。安捷倫的自動(dòng)端口擴(kuò)展（APE）使用簡(jiǎn)單的開(kāi)路或短路測(cè)量提供了簡(jiǎn)便的方法來(lái)計(jì)算測(cè)試設(shè)備的損失和延遲。采用最適合的直線模型來(lái)計(jì)算電延遲。采用兩種方法之一來(lái)計(jì)算損耗項(xiàng)，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(jiǎn)單的直線。當(dāng)在PCB上建立測(cè)試設(shè)備時(shí)，要采用介電模型。

APE算法測(cè)量開(kāi)路或短路，并計(jì)算測(cè)試設(shè)備所測(cè)試部分的插入損耗和電延遲。這一步對(duì)測(cè)試設(shè)備的每個(gè)部分重復(fù)進(jìn)行。這一步之后，只有測(cè)試設(shè)備失配仍然是誤差來(lái)源。失配誤差的主要來(lái)源是從同軸線纜到微帶線的過(guò)渡，這發(fā)生在每個(gè)測(cè)試設(shè)備端口的連接器處。該失配不能通過(guò)同軸校準(zhǔn)來(lái)去除，這是因?yàn)槠涑霈F(xiàn)在同軸校準(zhǔn)平面之后。

可以通過(guò)在過(guò)渡處采用良好質(zhì)量的邊緣突出的連接器減小反射來(lái)提高測(cè)量精度，并在測(cè)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(cè)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(guò)程來(lái)計(jì)算低階損耗和相位響應(yīng)。同時(shí)，該算法容許失配紋波，其不會(huì)去除紋波本身。大多數(shù)情況下，只需一個(gè)高反射標(biāo)準(zhǔn)來(lái)精確計(jì)算損耗和延誤響應(yīng)。只用一個(gè)高反射標(biāo)準(zhǔn)來(lái)要求測(cè)量的頻率范圍足夠?qū)挘员惴瓷錅y(cè)量中的紋波通過(guò)至少有一個(gè)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(kāi)路的。采用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)寬帶測(cè)量而言差別不大，這是由于當(dāng)使用開(kāi)路或短路時(shí)，紋波中出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)或經(jīng)過(guò)計(jì)算的損耗是一樣的。使用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)提高窄帶測(cè)量的精度，其中并不會(huì)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(cè)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(bǔ)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(wú)線本地網(wǎng)（WLAN）濾波器測(cè)試到10GHz的響應(yīng)。表示了在自動(dòng)端口擴(kuò)展工具欄內(nèi)，測(cè)試設(shè)備之一的端口延遲和損耗項(xiàng)。該值由安捷倫PNA網(wǎng)絡(luò)分析儀自動(dòng)計(jì)算。下面的兩個(gè)軌跡表示了沒(méi)有端口擴(kuò)展的DUT測(cè)量。沒(méi)有端口擴(kuò)展，測(cè)量包括了DUT和測(cè)試設(shè)備。失真響應(yīng)是由于沒(méi)有相位補(bǔ)償（尤其重要的是對(duì)平衡端口），并沒(méi)有對(duì)PCB上該傳輸線的損耗進(jìn)行補(bǔ)償。具有端口擴(kuò)展，嚴(yán)重誤差由于測(cè)試設(shè)備被去除，并為WLAN濾波器的實(shí)際性能提供了相當(dāng)高的精度。

測(cè)試設(shè)備去嵌入是更為嚴(yán)格的建模技術(shù)。該過(guò)程一開(kāi)始就建立DUT所使用的測(cè)試設(shè)備的模型。模型的精度直接影響去嵌入測(cè)量的精度。去嵌入被用于消除測(cè)試設(shè)備、適配器和探頭的不良影響。替代簡(jiǎn)單地減去電長(zhǎng)度和插入損耗，去嵌入使用經(jīng)過(guò)建模的響應(yīng)來(lái)作為頻率的函數(shù)，并采用數(shù)學(xué)從測(cè)量中去除測(cè)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(guò)渡的失配影響。測(cè)試設(shè)備電路的S參數(shù)存儲(chǔ)在一個(gè).s2p文件格式中。

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

替代探測(cè)測(cè)試設(shè)備的方法就是使用一項(xiàng)技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)單端口校準(zhǔn)。這項(xiàng)技術(shù)假設(shè)測(cè)試設(shè)備部分是可互換的（即，S21=S12），總是如此。第一個(gè)單端口校準(zhǔn)是在同軸連接器的端點(diǎn)，采用同軸標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)。第二個(gè)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(lái)提取測(cè)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(shì)，并不需要探針，但為了實(shí)現(xiàn)單端口測(cè)試設(shè)備內(nèi)的校準(zhǔn)，要求產(chǎn)生制作測(cè)試設(shè)備內(nèi)的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)及其特性。

如果測(cè)試設(shè)備的直接測(cè)量是不切實(shí)際的，那么可以實(shí)現(xiàn)仿真來(lái)確定測(cè)試設(shè)備部分的S參數(shù)行為。對(duì)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(cè)試設(shè)備去嵌入準(zhǔn)確的反面是測(cè)試設(shè)備嵌入。如果網(wǎng)絡(luò)可以從測(cè)量中精確減去，其可以很容易地被添加到測(cè)量中也是合理的。VNA在50歐姆單端環(huán)境中匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)S參數(shù)。當(dāng)測(cè)量設(shè)備不符合這一類別時(shí)，需要對(duì)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(duì)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(lái)像使用VNA阻抗測(cè)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(cè)試設(shè)備中增加電感和電容?？梢詫?duì)設(shè)備計(jì)算混合模式（微分，共同和交叉模式）S參數(shù)，至少有一個(gè)平衡端口。圖6表示了部分常見(jiàn)的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)內(nèi)建到用于這一目的的VNA中。

對(duì)具有平衡端口的設(shè)備，4端口去嵌入允許測(cè)試端口之間的串?dāng)_仿真（圖7）。盡管當(dāng)使用同軸線纜時(shí)，串?dāng)_是微不足道的，但當(dāng)測(cè)試設(shè)備或探頭用于測(cè)量時(shí)有可能變得顯著。使用兩個(gè)二端口.s2p文件將比使用單一的四端口文件提供不同的測(cè)量結(jié)果，這是因?yàn)榇當(dāng)_項(xiàng)也不會(huì)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(cè)量工具包中，以獲得最準(zhǔn)確的結(jié)果。PNA的自動(dòng)端口擴(kuò)展功能通過(guò)所要求的測(cè)量利用指導(dǎo)用戶憑借推斷來(lái)安裝。遇到實(shí)際情況，建議采用測(cè)試設(shè)備去嵌入來(lái)獲得最準(zhǔn)確的測(cè)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(guò)程實(shí)現(xiàn)了探針去嵌入完整的校準(zhǔn)步驟。