消除测试设备对射频器件测量影响 - 全文

　　提高精度已成为最早期矢量网络分析仪(VNA)测量的目标。通过校准和矢量误差校正技术，可以将VNA精度从仪器端口扩展到测试电缆的端点。当待测器件(DUT)直接连接到测试端口电缆时，校准面和测量面是同一平面。在这种情况下，校准和误差校正是直截了当的过程，其涉及机械或电子同轴校准标准。然而，对引脚贴装或表面贴装封装的DUT而言，必须使用测试设备，而目前同轴校准平面和测量平面是分开的，并需要额外的误差校正技术来达到高测量精度。这些方法经常采用装置的建模响应，来有效地将校正平面移至DUT的端口。部分工程师则选择采取最小影响的测试设备，并仅仅测量DUT和设备的总响应。本文讨论了两种基于模型的校正，其增加了测量精度，并不再需要忽略由测试设备引入的测量误差。

　　直接测量涉及到测量的物理校准标准以及计算误差项。这种方法提供了高精度，这主要是基于校准标准精确特性的程度是已知的。多年来已有很多有关各种直接测量校准技术的文章。所有详细内容可以在安捷伦应用笔记1287-3和1287-11中阅读到。1-3基于模型的校准采用了从网络响应建模中推导出的数学校正。该建模响应可能来自仿真结果或理论性行为，但往往是从实际测量得出的。通常，测量和建模的结合有助于实现最高质量的结果。

　　如图1所示的端口扩展是最简单的建模技术。它依赖于简单的测试设备延迟(并且，在某些情况下，有衰减的)模型。去嵌入采用设备的完整S参数模型。这两种技术不再需要建立精确的设备内部校准标准，这是难以实现地(特别是对负载标准)，并花费了很多时间和精力。

　　测试设备的差别很大，这取决于应用和成本。同时，在制造业中所使用的测试设备是严格的，并且往往价格昂贵，特别是印制电路板(PCB)设备在研究和开发(R&D)实验室中是共同的。其相对便宜并易于制作，尽管对频率超过3GHz的信号损失不能被忽略。目前无线应用中的许多器件必须在高达13GHz的频率进行测试。因此，减少或消除装置的损耗和延误是必要的，这使得DUT的真实特性得以获得分析。

　　所以，当在装置中测量器件时，将PCB板上的轨迹认为是网络分析仪和DUT之间同轴测试电缆的扩展。通过实现每部分设备上的端口扩展，将测量平面扩展到超出同轴校准平面的右侧，达到DUT的端口。当设备连接器和DUT之间的损耗和电长度已知时，可以通过在售的大部分VNA人工将其减去。

　　许多测试设备采用了具有SMA连接器的PCB测试设备(图2)。测试设备/VNA的组合可以在SMA连接器平面进行校准。但是，当测试设备用于测量电路板贴装器件时，PCB测试设备的电气特性可能改变DUT的测量幅度和相位。端口扩展用于增加线性相位(连续延迟)，以及转移参考平面到DUT平面的同轴误差校正阵列的损耗与频率项。

　　当测试设备的延迟和损耗未知时，必须在采用端口扩展之前对其进行测量。安捷伦科技已开发出自动化方法，并将其集成到PNA系列VNA中。安捷伦的自动端口扩展(APE)使用简单的开路或短路测量提供了简便的方法来计算测试设备的损失和延迟。采用最适合的直线模型来计算电延迟。采用两种方法之一来计算损耗项，这依靠用于传输线的媒介。损耗模型被假设是同轴或介质。同轴和介电模型都提供了可变的损耗与频率的关系，其不是简单的直线。当在PCB上建立测试设备时，要采用介电模型。

APE算法测量开路或短路，并计算测试设备所测试部分的插入损耗和电延迟。这一步对测试设备的每个部分重复进行。这一步之后，只有测试设备失配仍然是误差来源。失配误差的主要来源是从同轴线缆到微带线的过渡，这发生在每个测试设备端口的连接器处。该失配不能通过同轴校准来去除，这是因为其出现在同轴校准平面之后。

　　可以通过在过渡处采用良好质量的边缘突出的连接器减小反射来提高测量精度，并在测试设备中具有良好的50欧姆传输线。港口扩展技术提供了良好的效果，并具有中等水平的精度。尽管并不和使用高质量设备内部校准标准一样精确，它仍是迄今为止较为容易在设备内部测试器件的方法，并为多种应用提供了足够的精度。

　　APE技术采用了曲线拟合过程来计算低阶损耗和相位响应。同时，该算法容许失配纹波，其不会去除纹波本身。大多数情况下，只需一个高反射标准来精确计算损耗和延误响应。只用一个高反射标准来要求测量的频率范围足够宽，以便反射测量中的纹波通过至少有一个完整周期。在这种情况下，可以使用最方便的标准，这往往是开路的。采用两个标准对宽带测量而言差别不大，这是由于当使用开路或短路时，纹波中出现的标准或经过计算的损耗是一样的。使用两个标准来提高窄带测量的精度，其中并不会出现完整的纹波周期。图3中所示的更低轨迹的表示了在采用APE之前，测试设备的一部分响应。上面的轨迹表明了在采用APE后的响应。损耗补偿可能以0dB误差为中心(棕色轨迹)，或将纹波峰值保持在0dB以下(蓝色轨迹)。

　　图4表示了平衡到不平衡5.5GHz无线本地网(WLAN)滤波器测试到10GHz的响应。表示了在自动端口扩展工具栏内，测试设备之一的端口延迟和损耗项。该值由安捷伦PNA网络分析仪自动计算。下面的两个轨迹表示了没有端口扩展的DUT测量。没有端口扩展，测量包括了DUT和测试设备。失真响应是由于没有相位补偿(尤其重要的是对平衡端口)，并没有对PCB上该传输线的损耗进行补偿。具有端口扩展，严重误差由于测试设备被去除，并为WLAN滤波器的实际性能提供了相当高的精度。

　　测试设备去嵌入是更为严格的建模技术。该过程一开始就建立DUT所使用的测试设备的模型。模型的精度直接影响去嵌入测量的精度。去嵌入被用于消除测试设备、适配器和探头的不良影响。替代简单地减去电长度和插入损耗，去嵌入使用经过建模的响应来作为频率的函数，并采用数学从测量中去除测试设备的影响。不同于端口扩展，去嵌入去除了同轴线到微带线过渡的失配影响。测试设备电路的S参数存储在一个.s2p文件格式中。

　　创建测试设备.s2p模型的最简单方式就是采用测量探头，其可以与该测试设备中传输线的DUT端点实现接口(图5)。这种情况下，用户在测试设备一侧实现了一个使用同轴标准的未知的通过校准，并使用了测试设备另一侧的探头阻抗标准基板(ISS)。测试设备的传输线是未知的路径。经过校准后，测试设备只被简单测量，并未移动探头或同轴线缆。测量过程对测试设备的每个部分反复进行，使用与第一个设备相同的校准。为了用探头来测量传输线端点，接地平面必须放在与测试探头的节距间有正确间距的测试设备上。

　　替代探测测试设备的方法就是使用一项技术，其实现了两个单端口校准。这项技术假设测试设备部分是可互换的(即，S21=S12)，总是如此。第一个单端口校准是在同轴连接器的端点，采用同轴标准实现。第二个单端口校准是在放置DUT的地方，使用设施设备内部的校准标准。安捷伦PNA和ENA网络分析仪都提供了宏来提取测试设备部分的.s2p数据，其使用两套单端口校准数据。尽管这一方法具有优势，并不需要探针，但为了实现单端口测试设备内的校准，要求产生制作测试设备内的校准标准及其特性。

如果测试设备的直接测量是不切实际的，那么可以实现仿真来确定测试设备部分的S参数行为。对基于这一技术的精确数据而言，PCB材料良好的损耗模型和精确的轨迹尺寸是必需的。

　　测试设备去嵌入准确的反面是测试设备嵌入。如果网络可以从测量中精确减去，其可以很容易地被添加到测量中也是合理的。VNA在50欧姆单端环境中匹配来实现S参数。当测量设备不符合这一类别时，需要对该数据进行进一步处理。许多这些软件设备工具被内建到安捷伦科技的PNA和ENA矢量网络分析仪中。对于非50欧姆的设备，有可能重述S参数数据，以便它看起来像使用VNA阻抗测量DUT，而非50欧姆。也有可能嵌入虚拟阻抗匹配电路，这往往需要例如声表面波(SAW)滤波器等设备，而不必真向测试设备中增加电感和电容。可以对设备计算混合模式(微分，共同和交叉模式)S参数，至少有一个平衡端口。图6表示了部分常见的阻抗匹配网络内建到用于这一目的的VNA中。

　　对具有平衡端口的设备，4端口去嵌入允许测试端口之间的串扰仿真(图7)。尽管当使用同轴线缆时，串扰是微不足道的，但当测试设备或探头用于测量时有可能变得显著。使用两个二端口.s2p文件将比使用单一的四端口文件提供不同的测量结果，这是因为串扰项也不会包括在两端口文件内。

　　端口扩展及去嵌入是很重要的工具，应该被增加到每位工程师的测量工具包中，以获得最准确的结果。PNA的自动端口扩展功能通过所要求的测量利用指导用户凭借推断来安装。遇到实际情况，建议采用测试设备去嵌入来获得最准确的测量结果。PNA的校准向导很容易地采用一步步的引导过程实现了探针去嵌入完整的校准步骤。