安捷倫公司網(wǎng)絡(luò)分析儀產(chǎn)品事業(yè)部    劉迪 

我們大家都知道傳統(tǒng)的SOLT校準(zhǔn)，即短路-開路-負(fù)載-直通校準(zhǔn)，SOLT校準(zhǔn)操作方便，測量準(zhǔn)確度跟標(biāo)準(zhǔn)件的精度有很大關(guān)系，一般只適合于同軸環(huán)境測量。而TRL(Thru, Reflect, Line)校準(zhǔn)是準(zhǔn)確度比SOLT校準(zhǔn)更高的校準(zhǔn)方式，尤其適合于非同軸環(huán)境測量，例如PCB上表貼器件，波導(dǎo)，夾具，片上晶圓測量。SOLT校準(zhǔn)通過測量1個傳輸標(biāo)準(zhǔn)件和三個反射標(biāo)準(zhǔn)件來決定12項誤差模型，而TRL校準(zhǔn)是通過測量2個傳輸標(biāo)準(zhǔn)件和一個反射標(biāo)準(zhǔn)件來決定10項誤差模型或者8項誤差模型，取決于所用網(wǎng)絡(luò)分析儀的接收機(jī)結(jié)構(gòu)。

TRL校準(zhǔn)極其準(zhǔn)確，在大多數(shù)的場合中比SOLT校準(zhǔn)準(zhǔn)確多了。但是，很少有直接的TRL校準(zhǔn)件存在，一般要求用戶根據(jù)所用夾具的材料及物理尺寸，工作頻率，來設(shè)計制造出相應(yīng)的TRL校準(zhǔn)件。用戶使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量元器件時，采用不同的夾具，就要設(shè)計不同的TRL校準(zhǔn)件，因此，對于用戶來說，有一定的難度和挑戰(zhàn)性。但事實(shí)上，由于TRL校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)件不需要制作的像SOLT校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)件那么精確，TRL校準(zhǔn)的精度只是跟TRL標(biāo)準(zhǔn)件的質(zhì)量，重復(fù)性部分相關(guān)，而不是完全由標(biāo)準(zhǔn)件決定，因此，TRL校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)件跟SOLT相比更容易制作，它們的特性也更容易描述。

1 TRL標(biāo)準(zhǔn)件的要求

1.1 TRL標(biāo)準(zhǔn)件的要求

通常來說，TRL標(biāo)準(zhǔn)件的要求如下：

(1)   直通標(biāo)準(zhǔn)件

電氣長度為0時，無損耗，無反射，傳輸系數(shù)為1；電氣長度不為0時，直通標(biāo)準(zhǔn)件的特性阻抗必須和延遲線標(biāo)準(zhǔn)件相同，無須知道損耗，如果用作設(shè)為參考測量面，電氣長度具體值必須知道，同時，如果此時群時延設(shè)為0的話，參考測量面位于直通標(biāo)準(zhǔn)件的中間。

(2)   反射標(biāo)準(zhǔn)件

 反射系數(shù)的相位必須在正負(fù)90度以內(nèi)，反射系數(shù)較好接近1，所有端口上的反射系數(shù)必須相同，如果用作參考測量面的話，相位響應(yīng)必須知道。

(3)   延遲線/匹配負(fù)載

延遲線的特性阻抗作為測量時的參考阻抗，系統(tǒng)阻抗定義為和延遲線特性阻抗一致。延遲線和直通之間的插入相位差值必須在20度至160度之間(或-20度至-160度)，如果相位差值接近0或者180度時，由于正切函數(shù)的特性，很容易造成相位模糊。另外，較優(yōu)的相位差值一般取1/4波長或90度。

當(dāng)工作頻率范圍大于8:1時，即頻率跨度與起始頻率比值大于8時，必須使用1條以上的延長線，以便覆蓋整個頻率范圍。當(dāng)工作頻率太高時，1/4波長的延遲線物理尺寸很短，不好制作，這時候，較好是選擇非0長度的直通，利用兩者差值，來增大延遲線的物理尺寸。

匹配的阻抗同樣確立測量時的參考阻抗，同時，匹配負(fù)載在各個測試端口的反射系數(shù)必須相同。

1.2 TRL標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計時的考慮

以上都是對TRL校準(zhǔn)件的通常要求，具體設(shè)計時，一般有以下考慮：

(1)   PCB上連接頭的一致性越好，損耗越低，TRL校準(zhǔn)件的效果就越理想。

(2)   直通標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)定了參考測量面，如果是測量多端口器件時，直通標(biāo)準(zhǔn)件盡量長一些，以減少連接頭之間的串?dāng)_，但是也不用太長，以免浪費(fèi)空間。

(3)   參考測量面較好定在直通標(biāo)準(zhǔn)件的中間，這樣的話電磁場相對參考測量面是對稱的。

(4)   開路標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)現(xiàn)起來較容易，但是由于開路標(biāo)準(zhǔn)件存在邊緣電容效應(yīng)，所以我們必須通過測量或者3D-EM仿真來獲得開路標(biāo)準(zhǔn)件的邊緣電容。

(5)   短路標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)現(xiàn)起來要麻煩些，因為要確切的知道放置短路標(biāo)準(zhǔn)件過孔的位置，保證過孔的邊緣剛好放置在短路標(biāo)準(zhǔn)件的末端。同時，短路標(biāo)準(zhǔn)件的好壞還取決于過孔的鉆孔技術(shù),一般說來激光打孔比普通的機(jī)械鉆孔技術(shù)要好很多。

(6)   負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)件通過2個100 ohm的表貼阻抗來實(shí)現(xiàn)，一般來說，設(shè)計一個低頻下的負(fù)載要比高頻下容易的多，這也是為什么高頻下設(shè)計校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件時要采用多條延遲線標(biāo)準(zhǔn)件的原因之一。

(7)   延遲線的相位跟信號傳播時的相速，對應(yīng)頻率，有效介電常數(shù)有關(guān)。微帶線由于沒有一個固定的介電常數(shù)，所以必須使用有效介電常數(shù)來考慮空氣和PCB板材混合后帶來的影響。

(8)   設(shè)計時，多條延遲線的頻率范圍較好有重疊，這樣能夠保證多條延遲線能夠覆蓋我們要求的頻率范圍。

2 TRL標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計

2.1 具體參數(shù)的確定

      考慮設(shè)計一個基于Rogers 4350板材的TRL校準(zhǔn)件，工作頻率范圍從10MHz到20GHz，Rogers 4350板材的介電常數(shù)為3.48±0.05，直通設(shè)計為非0長度，則各個標(biāo)準(zhǔn)件的具體參數(shù)如下圖所示：

圖1  TRL校準(zhǔn)件中各個標(biāo)準(zhǔn)件的具體參數(shù)

從圖1中我們可以知道各個標(biāo)準(zhǔn)件的實(shí)際物理尺寸，然后就可以開始在PCB上布局，布線，較后進(jìn)行制板了，大致的效果如下圖2所示。

3 TRL標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計后的驗證

       TRL校準(zhǔn)件做好之后，我們就要開始驗證我們制作的TRL校準(zhǔn)件到底好不好。對于短路和開路校準(zhǔn)件，我們只要保證短路或開路標(biāo)準(zhǔn)件在各個測試端口的反射系數(shù)相等就好了，至于開路標(biāo)準(zhǔn)件的邊緣電容，短路標(biāo)準(zhǔn)件的駐留電感，可以都設(shè)為0；至于負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)件，只要保證終止頻率時，阻抗能為50歐姆或者接近50歐姆就可以了；而對于直通標(biāo)準(zhǔn)件，就沒什么具體要求了。

 TRL標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計后較重要的驗證是對延遲線頻率范圍的確定，由于要求延遲線標(biāo)準(zhǔn)件與直通標(biāo)準(zhǔn)件的相位差位于20度到160度，所以我們可以通過memory

trace來測量出延遲線標(biāo)準(zhǔn)件與直通標(biāo)準(zhǔn)件的相位差，根據(jù)相位差從20度到160度，我們可以確定相應(yīng)的頻率范圍，如圖3所示，從圖3我們可以知道，Line1的頻率范圍是從101MHz到820MHz，滿足我們較初設(shè)計時對Line1的要求。同樣的，Line2也是采用相同的方法來確定頻率范圍。此時，也能夠測量出Line1，Line2和直通標(biāo)準(zhǔn)件之間的時延差，這將會在新建TRL校準(zhǔn)套件時候用到，圖4是Line1的時延測量值。

圖2 TRL校準(zhǔn)件布局大致效果圖

圖3  通過PNA-X驗證Line1的頻率范圍

圖4  基于PNA-X的Line1的時延測量值

 

4 TRL校準(zhǔn)

4.1 創(chuàng)建TRL校準(zhǔn)套件

      完成了TRL標(biāo)準(zhǔn)件的驗證后，我們就可以開始創(chuàng)建新的TRL校準(zhǔn)套件，創(chuàng)建的過程很簡單，總的說來要注意以下幾點(diǎn)：

(1)   短路，開路，負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)件都只需確定頻率范圍，以及連接頭類型。

(2)   直通標(biāo)準(zhǔn)件也只需確定頻率范圍，連接頭類型，同時時延為0。

(3)   延遲線標(biāo)準(zhǔn)件，需要確定頻率范圍，時延值，多條延遲線時，頻率范圍較好有交疊，來確保覆蓋整個頻率范圍。

圖5是一個創(chuàng)建TRL校準(zhǔn)套件的例子。

圖5一個創(chuàng)建TRL校準(zhǔn)套件的例子

 

4.2 TRL校準(zhǔn)具體過程

創(chuàng)建好TRL校準(zhǔn)套件后，我們就可以開始進(jìn)行TRL校準(zhǔn)了。具體的過程，PNA-X的校準(zhǔn)向?qū)�會一步步指�?dǎo)我們?nèi)绾尾僮鳌?/P>

       下面我們以4端口校準(zhǔn)為例，簡單的說明下如何進(jìn)行TRL校準(zhǔn)，圖6即TRL校準(zhǔn)向?qū)У囊粋�步驟。

圖6  TRL校準(zhǔn)向?qū)?/P>

5 TRL校準(zhǔn)后的測量結(jié)果

被測件是Display Port電纜，長度為2米。根據(jù)Display Port電纜的指標(biāo)，我們知道頻率不超過300MHz時，2米長的Display Port電纜，其損耗大概為2dB，基本上是單位長度上的損耗為1dB。圖7即Display port 電纜測量的設(shè)置環(huán)境，兩塊PCB板，剛好各自對應(yīng)半個直通長度。

 從圖8中，我們可以得到Display Port電纜測量的較終結(jié)果，當(dāng)頻率為300MHz時，S21＝－2.1110dB，接近-2dB，滿足相關(guān)指標(biāo)。

圖7 Display port 電纜測量的設(shè)置環(huán)境

       圖8基于PNA-X的Display Port電纜測量結(jié)果

6 結(jié)論

TRL校準(zhǔn)是一種非常精確的校準(zhǔn)方式，尤其適用于網(wǎng)絡(luò)分析儀的非同軸測量。本文詳細(xì)探討了有關(guān)TRL校準(zhǔn)的整個環(huán)節(jié)，從設(shè)計TRL標(biāo)準(zhǔn)件的要求，到設(shè)計TRL校準(zhǔn)件參數(shù)的確定，TRL校準(zhǔn)件設(shè)計后的驗證，以及TRL校準(zhǔn)時的具體過程，較后到完成這次非同軸測量，方方面面都涵蓋了，希望能為大家以后進(jìn)一步研究TRL校準(zhǔn)提供相應(yīng)的參考。