使用自动夹具移除校准技术对天线系统进行精确仿真详细讲解

Electromagnetic Professional（EMPro）是Keysight EEsof EDA 的软件设计平台，用于分析元器件的三维电磁场（EM）效应，例如高速和射频IC 封装、封装接线、天线、芯片上和芯片外嵌入式无源元件以及PCB 互连设备。EMPro 具有现代领先的设计、仿真和分析环境以及大容量仿真技术，并综合了业界领先的射频和微波电路设计环境――先进设计系统（ADS），可用于快速高效地进行射频和微波电路设计。

背景

用户在使用EMPro进行工作站天线仿真时，不仅使用了天线的实体模型，还考虑了天线载体（机箱）的影响。

测试结果和仿真结果在全频段插损差距明显，而且测试结果在高端有较为明显谐振。比较测试对象和仿真模型，测试对象使用较长的同轴线进行馈电，而且同轴接头在测试时并没有进行校准；而仿真模型使用集总端口进行馈电，完全没有考虑馈线效应。

为了使仿真模型尽可能接近测试对象，可以为天线加入接头及同轴馈线。但这需要获得测试接头及同轴线的三维结构文件及材料属性，建模及校准工作代价很高。

另一个办法是对测试结果进行校准，提取接头及同轴馈线的模型，并将其效应加入到仿真结果中。使用自动夹具移除（Automatic Fixture Removal）技术对接头及同轴馈线的模型进行快速且精确的提取。

自动夹具移除（AFR）校准技术

自动夹具移除（AFR）校准技术是一种提取准确的宽带夹具模型的简便方法。这种校准技术可以被用于各种夹具和互连的结构，例如转接头、芯片封装、线缆、PCB印刷传输线以及通孔等互连结构。这种校准技术和传统的TRL校准技术一样，拥有同样的高精度校准性能，在夹具制作时却更容易实现。

下图展示了一块通孔作为被测件的测试板。通孔结构作为被研究的对象在两段均匀传输线的中间，传输线的两端是SMA的转接器，用来连接网络分析仪，测量通孔的S参数。在这个例子中，我们关心的被测件是通孔。为了进行测量，通孔处于夹具的中间（夹具包括SMA连接器以及连接通孔的传输线）。从蓝色的TDR响应曲线可以看出，SMA转接器带来了不可忽视的不连续性，传输线也不是完全均匀。在传输过程中可以观测到阻抗的波动及传输损耗。

如何把被测件的测量结果从整个测量结果（被测件加上夹具）中分离出来，是AFR校准技术所要解决的问题。

通常的AFR技术是在被测件两边的夹具是镜像对称的情况下实现的。在这样的情况下，需要做一个夹具的校准件用来提取夹具的S参数。校准件的形式是把两侧的夹具直接连接在一起形成一个两倍于单侧夹具长度的直通结构。这种校准件通常被叫做2X直通参考夹具，如下图所示：

虽然单侧的夹具并不是对称的，但当两个对称的夹具级联后，新的2X直通参考夹具校准件是镜像对称的。所以通过测试得到的校准件的S参数中，S11=S22，S21=S12，可以得到两个已知量，但并不足求解出单侧夹具S参数（S21A=S12A）的三个未知量，如下图所示。

而AFR技术基于2X直通参考夹具校准件的中间包含一段均匀的传输线这一特性，通过采用时域信号处理的方法可以提取出夹具的S11A和S22B。借助多出来的一个已知量，单侧夹具的S参数就可以被唯一求解出。

利用去嵌入技术，夹具的影响就可以从测试结果中去除，得到被测件的S参数；或者在仿真中加入夹具的S参数，便于和测试结果进行比对。

对于天线测试，使用单端AFR则更为便捷。通过对时间门及信号流图进行求解，可以获得夹具的S2P文件。

仿真流程

为进行AFR校准，对同轴接头及开路馈线进行测试，获得S11结果。可以看到，由于接头的频域适用范围原因，在6GHz以上时谐振非常明显。

进行AFR校准时，要求夹具的S11没有明显谐振，测试带宽尽可能的宽。如在本例中需要用到的去嵌入频率最高至6GHz，但是最好还是测量夹具的直流至50GHz的S11，因为夹具的物理尺寸非常小，大测试带宽能够获得更高分辨率。

将测试S11结果导入PLTS，进行一端口AFR校准：

使用PLTS能够获得夹具（SMA接头及同轴线）的S2P文件，其响应如下：

将夹具的S2P文件和仿真结果进行级联，与天线的测试结果进行比较。

对比结果如下图。可见，在仿真中考虑接头及同轴线的响应后，获得的S11结果和测试结果非常接近。

结论

使用自动夹具移除校准技术能够在不额外进行夹具制作的前提下，提取天线测量系统中的同轴接头及馈线的S参数。将此S参数和仿真模型进行级联，能够准确逼近测试结果。