高精度微波夾具設(shè)計(jì)中的TRL校準(zhǔn)技術(shù)?

任 翔 張一治 李 碩 李 靜

（航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心 北京 100854）

1 引言

在微波器件測試中，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（S參數(shù)）是測量最多的參數(shù)，對于常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)接口微波器件的S參數(shù)可直接通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測量完成。根據(jù)定義，S參數(shù)的測試只有在完全匹配的測試系統(tǒng)中才能得到精確的測試結(jié)果。而現(xiàn)今電子系統(tǒng)使用的微波器件無論是有源還是無源微波器件，都具有封裝形式多樣、功能復(fù)雜等特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)分析儀無法準(zhǔn)確對非標(biāo)準(zhǔn)接口的微波器件的S參數(shù)進(jìn)行測試。網(wǎng)絡(luò)分析儀測試系統(tǒng)中存在的測量誤差主要分為漂移誤差、隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差三大類［1～3］。系統(tǒng)誤差是網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)中最大的誤差源，系統(tǒng)誤差［4］主要有：由定向耦合器有限方向性造成的方向性誤差；由阻抗匹配不理想造成的源失配誤差和負(fù)載失配誤差；與頻率相關(guān)的傳輸，反射測量頻率響應(yīng)誤差；測試通道中信號(hào)泄漏造成的隔離誤差。網(wǎng)絡(luò)分析儀的系統(tǒng)誤差模型如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)分析儀的系統(tǒng)誤差模型

對于具有標(biāo)準(zhǔn)接口的被測網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)誤差是測試過程中最主要的誤差來源，此項(xiàng)誤差可以借助儀器生產(chǎn)廠家配備的校準(zhǔn)件去除。但是現(xiàn)今被測網(wǎng)絡(luò)多數(shù)為非標(biāo)準(zhǔn)接口，這時(shí)候漂移誤差和隨機(jī)誤差是最大的誤差來源，必須通過選取適當(dāng)?shù)男?zhǔn)方法并設(shè)計(jì)專用校準(zhǔn)件的方式去除，校準(zhǔn)方法的選用對整個(gè)S參數(shù)測試的準(zhǔn)確性起著非常重要的作用。

TRL校準(zhǔn)技術(shù)目前網(wǎng)絡(luò)分析儀中使用較普遍的一種雙端口校準(zhǔn)法，能夠修正網(wǎng)絡(luò)儀的全部12項(xiàng)誤差。與傳統(tǒng)的校準(zhǔn)方法（SOLT校準(zhǔn)法）不同，TRL校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)件不需要制作的像SLOT校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)件那樣精確，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，TRL校準(zhǔn)法只要求傳輸線標(biāo)準(zhǔn)的特性阻抗和系統(tǒng)特性阻抗一致，這樣很大程度上減少了校準(zhǔn)精度對校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件的依賴，提高了校準(zhǔn)精度。

2 TRL校準(zhǔn)技術(shù)理論模型分析

在微波測試中，夾具所扮演的角色是網(wǎng)絡(luò)分析儀與待測器件間的橋梁，因此理想的夾具必須符合沒有損耗、具備線性相位的頻率響應(yīng)、沒有阻抗失配、精確已知的電氣長度、與輸入輸出端的隔離度無窮大等條件，如此一來使用者就不需要執(zhí)行夾具的校準(zhǔn)動(dòng)作，而只需要通過同軸式的校準(zhǔn)方式將儀器的誤差扣除即可。但實(shí)際上的夾具設(shè)計(jì)是不可能完全實(shí)現(xiàn)上述要求的，新的觀念則為夾具的損失比需小于待測器件損失或增益的不確定度、夾具的操作帶寬必須大于待測器件的測量帶寬、夾具在連接端的阻抗不匹配效應(yīng)必須很小、夾具的電氣長度必須可測量、與夾具的隔離度必須小于待測器件的隔離度等條件，因此實(shí)際上夾具的寄生效應(yīng)必須搭配適當(dāng)?shù)男?zhǔn)方式來移除，在諸多的校準(zhǔn)方法中，TRL校準(zhǔn)是最易實(shí)現(xiàn)和最為準(zhǔn)確的。

如同前段所述，夾具上TRL校準(zhǔn)最大的好處就是微帶傳輸線的特性能夠輕易地被得知，而且微帶傳輸線的阻抗也可以由其介質(zhì)與尺寸精準(zhǔn)得知，故而此種校準(zhǔn)方式是最適用于夾具上非同軸形式待測器件的全雙端口校準(zhǔn)方式。雖然此種校準(zhǔn)方式依然是要移除測量儀器與夾具上存在的12項(xiàng)誤差項(xiàng)（如圖2所示），不過與SOLT校準(zhǔn)方法所運(yùn)用的12項(xiàng)誤差項(xiàng)的校準(zhǔn)模型不同的是，TRL校準(zhǔn)是采用簡化過后的［5］另外一種8項(xiàng)誤差項(xiàng)的模型（如圖3所示）。

不過這并不代表經(jīng)過TRL校準(zhǔn)所得的結(jié)果會(huì)比較不準(zhǔn)確，因?yàn)槿鐖D3所示，此8項(xiàng)誤差項(xiàng)幾乎都可以和傳統(tǒng)12項(xiàng)誤差項(xiàng)的誤差模型有一對一的應(yīng)對關(guān)系存在，譬如說ε10與ε01的乘積等于傳統(tǒng)的ERF誤差項(xiàng)；而ε00會(huì)等于傳統(tǒng)的EDF誤差項(xiàng)。所以比較TRL的校準(zhǔn)模型與傳統(tǒng)的校準(zhǔn)模型，其實(shí)TRL的校準(zhǔn)模型已包括了10項(xiàng)傳統(tǒng)的誤差項(xiàng)，除了串?dāng)_誤差項(xiàng)（即EXF和EXR）外，不過就像傳統(tǒng)SOLT的全雙端口校準(zhǔn)方式一樣，串?dāng)_誤差項(xiàng)的校準(zhǔn)在TRL校準(zhǔn)中也是一個(gè)可不做的選項(xiàng)，因此TRL校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度與傳統(tǒng)SOLT校準(zhǔn)相比是相等的［6～10］。

圖2 SOLT校準(zhǔn)的12項(xiàng)誤差項(xiàng)校準(zhǔn)模型

圖3 TRL校準(zhǔn)的8項(xiàng)誤差項(xiàng)校準(zhǔn)模型

3 TRL校準(zhǔn)件的要求

TRL校準(zhǔn)技術(shù)使用的標(biāo)準(zhǔn)件有直通標(biāo)準(zhǔn)件、反射標(biāo)準(zhǔn)件和延遲線標(biāo)準(zhǔn)件。直通標(biāo)準(zhǔn)件和反射標(biāo)準(zhǔn)件是最簡單的標(biāo)準(zhǔn)件，直通標(biāo)準(zhǔn)件僅由一個(gè)直通微帶線組成，反射標(biāo)準(zhǔn)件唯一的準(zhǔn)則是在每一個(gè)端口要提供相同的非零反射值，延遲線標(biāo)準(zhǔn)件的阻抗質(zhì)量決定了校準(zhǔn)件的質(zhì)量［11～13］。下面將對三種校準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)要求做具體介紹。

3.1 直通標(biāo)準(zhǔn)件

電氣長度為0時(shí)，無損耗，無反射，傳輸系數(shù)為1；電氣長度不為0時(shí)，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，無需知道損耗，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(shí)，如果此時(shí)群時(shí)延設(shè)為0的話，參考測量面位于直通標(biāo)準(zhǔn)件的中間。

3.2 反射標(biāo)準(zhǔn)件

反射系數(shù)的相位必須在正負(fù)90°以內(nèi)，反射系數(shù)最好接近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。

3.3 延遲線標(biāo)準(zhǔn)件

延遲線的特性阻抗作為測量時(shí)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°～160°之間（或-20°～-160°），如果相位差值接近0或者180°時(shí)，由于正切函數(shù)的特性，很容易造成相位模糊。此外，最有的相位差值一般取1/4波長或90°。

當(dāng)工作頻率范圍大于8∶1時(shí)，即頻率跨度與起始頻率比值大于8時(shí)，必須使用1條以上的延長線，以便覆蓋整個(gè)頻率范圍。當(dāng)工作頻率太高時(shí)，1/4波長的延遲線物理尺寸很短，不好制作，這時(shí)候，最好是選擇非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(shí)的參考阻抗，同時(shí)，匹配負(fù)載在各個(gè)測試端口的反射系數(shù)必須相同。

4 TRL校準(zhǔn)件設(shè)計(jì)時(shí)的考慮

TRL校準(zhǔn)件設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到測量精度，具體設(shè)計(jì)時(shí)，一般有以下考慮［14～16］：

1）PCB上連接頭的一致性越好，損耗越低，TRL校準(zhǔn)件的效果越好；

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(shí)，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）參考測量面最好定在直通標(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)起來最容易，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)起來相對麻煩一些，因?yàn)橐_切地知道放置短路標(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(shí)，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)要好得多；

6）負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)件通過2個(gè)100ohm的表貼阻抗來實(shí)現(xiàn)，一般來說，設(shè)計(jì)一個(gè)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(jì)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件時(shí)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(hào)傳播時(shí)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(gè)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(jì)時(shí)，多條延遲線的頻率范圍最好有重疊，這樣能夠保證多條延遲線能夠覆蓋使用要求的頻率范圍。

5 結(jié)語

TRL校準(zhǔn)方法的優(yōu)點(diǎn)在于其校準(zhǔn)準(zhǔn)確度只依賴于傳輸線的特性阻抗而不依賴于其他標(biāo)準(zhǔn)，反射標(biāo)準(zhǔn)的反射系數(shù)和傳輸線標(biāo)準(zhǔn)的長度都可以在校準(zhǔn)中由計(jì)算獲得。本文探討了有關(guān)TRL校準(zhǔn)技術(shù)，從TRL校準(zhǔn)技術(shù)理論模型分析，到TRL標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)要求，到TRL校準(zhǔn)件設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的因素，對TRL校準(zhǔn)技術(shù)做了較全面的介紹。掌握TRL校準(zhǔn)技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)與測試需求相匹配的TRL校準(zhǔn)件，可實(shí)現(xiàn)對非標(biāo)準(zhǔn)接口的微波器件S參數(shù)的精確測試，還可以對無TRL校準(zhǔn)軟件的網(wǎng)絡(luò)儀系統(tǒng)及自行研制的簡易網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)編寫TRL校準(zhǔn)軟件，有著廣闊的市場前景。