TRL微波器件測量去嵌入校準--原理詳解

2017-06-06 來源:微信號:useful4you作者:yc97463240 我要評論(0) 字號:

前言:該教程是本人2012年跟安捷倫工程師討論微波器件去嵌入技術時準備的,當時討論主題如何解決TRL去嵌入算法頻率限制問題(已申請專利),現在摘取其中TRL算法原理部分,重新整理與大家分享。

微波測量中常用的校準方法有兩種:

· SOLT校準,即短路-開路-負載-直通校準,適用同軸接頭測量,如衰減器、低噪放等。通過測量1個傳輸標準件和3個反射標準件修正12項誤差模型。

· TRL校準,即直通-反射-延時校準,適用非同軸接頭測量,如微帶線、共面波導等。通過測量2個傳輸標準件和1個反射標準件來決定8項誤差模型。

相比SOTL 而言,TRL由于校準件制作成本低、校準精度高等優點而得到廣泛的應用。下面首先對TRL校準算法進行介紹。

(1) 校準件和測量件

一套完整的TRL校準裝置包含三個校準件和一個測量夾具,圖中DUT表示待測件(device under test)。

需要指出的是,直通校準件包含的傳輸線與加載有DUT 夾具的傳輸線等長,延時校準件包含的傳輸線比直通校準件包含的傳輸線要長,長度記為l,反射件包含的傳輸線與直通件包含的傳輸件等長,特別的,反射校準件一般是通過傳輸線末端開路或短路實現。

由于加載DUT的夾具不僅包含同軸到傳輸線的接口轉換,還包含一定長度的傳輸線,實際測試時必須考慮這兩部分對測試結果的影響。

(2) 誤差模型

為扣除夾具帶來的影響,需采用精確的誤差模型對夾具的頻率特性進行描述。從電路加載的角度來看,直通、延時和反射校準件可以看做DUT分別是長度為零的傳輸線、長度為l的傳輸線以及特定阻抗的集總器件(并聯或串聯接入傳輸線)時的特殊夾具,可以用S參數分別表示如下

聰明的讀者可能已經猜到,通過測量三個校準件的S參數,大概可以反推出夾具中除去DUT的剩余部分頻率響應吧。

Bingo!考慮到夾具與DUT 部分相互級聯,為方便推導,特將S參數轉化為T參數對夾具各部分進行表征。如下圖所示,TRL校準的誤差模型包含a, b, c, r, α, β, ε, ρ 八個參數。

記測量參考面和校準參考面之間包含的夾具部分分別為Fixture A 和Fixture B,其中測量參考面位于VNA 線纜同軸接口與夾具相連的位置(虛線表示),校準參考面位于DUT 的兩端(點劃線表示),可將校準件和夾具的組成部分分別列表如下

根據微波網絡理論,加載有DUT 夾具的測量參數滿足

通過矩陣運算不難得到:

可以看出,雖然誤差模型中包含八個參數,但rρ 可合并為一個變量求解,因此僅需七個量就可以完成夾具的去嵌入運算,下面具體介紹通過三次測量確定七個未知量的過程。

(3) 校準步驟

第一步: 開展四次測量,得到三個校準件的S參數和待測件夾具S參數

第二步,將S參數轉化為T參數

第三步,利用直通、延時校準件T參數進行部分求解

第四步,補充反射校準件T參數進行完全求解

第五步,將T參數轉化為S參數

鑒于篇幅有限,第三步和第四步的具體推導過程就不在這里給出,里面主要涉及到兩次方程根的判別,分別于同軸到傳輸線的轉換以及反射校準件的終端負載特性有關,具體可以參考以下教程(公眾號文章2017-02-01,TRL微波器件測量去嵌入校準--夾具設計),如果大家真的想要掌握TRL校準技術,必須要自己手動進行公式推導(沒有想得那么麻煩,僅涉及基本微波電路和高等數學知識)。

(4) 注意事項

· 直通線和延時線之間插入相位差須在20度至160之間,否則,容易造成測量相位模糊。最優相位差值一般取90度。

· 兩反射標準件終端的反射系數必須相同,最好接近于1。

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