通過(guò)設計、校準固件改善器件的S參數測量

本篇應用筆記描述了在測量元器件S參數時(shí)，如何校正和減小由測試固件引起的誤差。這里提到的固件由帶有SMA連接器的微帶線(xiàn)PCB組成。文中給出了基于MAX2648 5GHz低噪聲放大器的實(shí)例。

測量誤差

矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀(VNA)測量中的誤差可以分為三類(lèi)：

漂移誤差——校準后，當測試系統性能變化時(shí)出現的誤差；

漂移誤差——此誤差可看作隨時(shí)間變化的函數；

系統誤差——包括失配、泄漏以及系統頻率響應。

校準是從網(wǎng)絡(luò )分析儀測量中消除上述誤差的過(guò)程。為使漂移誤差最小，測試裝置應該在適當的頻率下校準，并保持在恒溫條件下?？梢酝ㄟ^(guò)窄帶中頻(IF)濾波和取平均的方法降低隨機誤差或類(lèi)似噪聲的誤差。大多數VNA都包含軌跡平均模式，利用這種模式經(jīng)過(guò)若干次掃描取平均后可以減小突發(fā)性的隨機誤差。

添加微帶線(xiàn)器件支持固件校準

網(wǎng)絡(luò )分析儀能夠利用測量標定的方式提高精度，這需要使用含適當連接器的標定組件，通常采用同軸連接器。由于我們要測試的器件為“非標準”連接器，無(wú)法使用同軸連接器標定組件。增加一個(gè)固件可以滿(mǎn)足連接待測器件(DUT)與測試設備接口的需要，即實(shí)現“非同軸”連接器和同軸連接器的連接。

理想的測試固件應能為測試儀器和待測器件提供透明連接，允許在不增加任何寄生電路的前提下直接測量DUT。由于不可能制作出理想的固件，固件將會(huì )引入附加損耗、相移和失配，增大待測器件的測量誤差。在特定應用中采用何種校準類(lèi)型取決于對待測器件指標精度的要求。

消除由固件引入的誤差有三種基本方法：建模、分解和直接測量。本應用筆記描述的是用直接測量的方法修正誤差。直接測量的優(yōu)點(diǎn)是不需要預先獲得固件的精確指標，這些指標是在校準過(guò)程中測試的。直接測量最簡(jiǎn)單的形式是響應校準，這是一種標準形式。參考軌跡儲存在存儲器中，此后顯示的軌跡數據都與內存數據相除后得到。

響應校準只需要一個(gè)傳輸(穿過(guò))和反射(短路或斷路)的標準，這個(gè)標準通過(guò)采用與測試電路相同的基板建立校準電路獲得。首先建立一個(gè)由50Ω傳輸線(xiàn)組成的傳輸標準，反射標準的建立可以是斷路或短路傳輸線(xiàn)(50Ω)。本范例中選用了短路線(xiàn)，線(xiàn)段長(cháng)度與測試電路相同，并且短路線(xiàn)應在測試板的參考面上。假定待測器件與固件間的接觸面為參考面。這些校準標準，即每個(gè)固件端口有一種“傳輸”和兩種“短路”標準，直接設計在固件PCB上。

測量精度很大程度上取決于校準標準，校準的傳輸和短路標準由特征阻抗為50微帶傳輸線(xiàn)構成，并直接制作在固件PCB上。固件的精確、尤其是微帶線(xiàn)特征阻抗的精度以及“傳輸”和“短路”的電氣長(cháng)度直接決定了測量精度。

直接測量最簡(jiǎn)單的形式就是響應校準。由于缺乏對信號源和負載失配的修正，響應校準存在固有的弱點(diǎn)，信號源和負載的失配是由微帶線(xiàn)特征阻抗的誤差以及耦合器/橋接器的方向性造成。失配問(wèn)題在反射測量中是非常令人棘手的問(wèn)題。以下是一個(gè)針對低噪聲放大器(LNA) MAX2648的固件范例，LNA工作于5GHz至6GHz頻率范圍內。

MAX2648實(shí)例

圖1所示為測量裸片級封裝(UCSP MAX2648 S參數的固件。

注意通常用微帶線(xiàn)實(shí)現電路板邊緣的同軸連接器到DUT之間的RF信號傳輸。低損耗、寬帶同軸電纜用于連結固件電路板與網(wǎng)絡(luò )分析儀。固件的微帶線(xiàn)與信號源和負載相匹配，這里假定為50Ω。業(yè)界印刷電路板制造商提供的傳輸線(xiàn)阻抗誤差通常為±10%。因此，特征阻抗通常在45Ω至55Ω之間。而微帶線(xiàn)的阻抗誤差很有限，因此采用合適的微帶線(xiàn)長(cháng)度就非常重要。用ADS測量50Ω反射的兩個(gè)仿真結果如圖2、圖3所示。圖中以45Ω作為特征阻抗，對兩種不同的傳輸線(xiàn)長(cháng)度進(jìn)行了仿真。

結論

阻抗失配引起的反射測量誤差可以通過(guò)選擇適當的傳輸線(xiàn)長(cháng)度而降至最小。通過(guò)設計包括額外傳輸線(xiàn)的測試固件電路板作為測量器件S參數的輔助手段，這些額外的傳輸線(xiàn)提供了一條傳輸路徑和一條校準用的短路反射路徑。