消除測試設備對器件測量影響

提高精度已成為最早期矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀（VNA）測量的目標。通過(guò)校準和矢量誤差校正技術(shù)，可以將VNA精度從儀器端口擴展到測試電纜的端點(diǎn)。當待測器件（DUT）直接連接到測試端口電纜時(shí)，校準面和測量面是同一平面。在這種情況下，校準和誤差校正是直截了當的過(guò)程，其涉及機械或電子同軸校準標準。然而，對引腳貼裝或表面貼裝封裝的DUT而言，必須使用測試設備，而目前同軸校準平面和測量平面是分開(kāi)的，并需要額外的誤差校正技術(shù)來(lái)達到高測量精度。這些方法經(jīng)常采用裝置的建模響應，來(lái)有效地將校正平面移至DUT的端口。部分工程師則選擇采取最小影響的測試設備，并僅僅測量DUT和設備的總響應。本文討論了兩種基于模型的校正，其增加了測量精度，并不再需要忽略由測試設備引入的測量誤差。

直接測量涉及到測量的物理校準標準以及計算誤差項。這種方法提供了高精度，這主要是基于校準標準精確特性的程度是已知的。多年來(lái)已有很多有關(guān)各種直接測量校準技術(shù)的文章。所有詳細內容可以在安捷倫應用筆記1287-3和1287-11中閱讀到。1-3基于模型的校準采用了從網(wǎng)絡(luò )響應建模中推導出的數學(xué)校正。該建模響應可能來(lái)自仿真結果或理論性行為，但往往是從實(shí)際測量得出的。通常，測量和建模的結合有助于實(shí)現最高質(zhì)量的結果。

如圖1所示的端口擴展是最簡(jiǎn)單的建模技術(shù)。它依賴(lài)于簡(jiǎn)單的測試設備延遲（并且，在某些情況下，有衰減的）模型。去嵌入采用設備的完整S參數模型。這兩種技術(shù)不再需要建立精確的設備內部校準標準，這是難以實(shí)現地（特別是對負載標準），并花費了很多時(shí)間和精力。

測試設備的差別很大，這取決于應用和成本。同時(shí)，在制造業(yè)中所使用的測試設備是嚴格的，并且往往價(jià)格昂貴，特別是印制電路板（PCB）設備在研究和開(kāi)發(fā)（R＆D）實(shí)驗室中是共同的。其相對便宜并易于制作，盡管對頻率超過(guò)3GHz的信號損失不能被忽略。目前無(wú)線(xiàn)應用中的許多器件必須在高達13GHz的頻率進(jìn)行測試。因此，減少或消除裝置的損耗和延誤是必要的，這使得DUT的真實(shí)特性得以獲得分析。

所以，當在裝置中測量器件時(shí)，將PCB板上的軌跡認為是網(wǎng)絡(luò )分析儀和DUT之間同軸測試電纜的擴展。通過(guò)實(shí)現每部分設備上的端口擴展，將測量平面擴展到超出同軸校準平面的右側，達到DUT的端口。當設備連接器和DUT之間的損耗和電長(cháng)度已知時(shí)，可以通過(guò)在售的大部分VNA人工將其減去。

許多測試設備采用了具有SMA連接器的PCB測試設備（圖2）。測試設備/VNA的組合可以在SMA連接器平面進(jìn)行校準。但是，當測試設備用于測量電路板貼裝器件時(shí)，PCB測試設備的電氣特性可能改變DUT的測量幅度和相位。端口擴展用于增加線(xiàn)性相位（連續延遲），以及轉移參考平面到DUT平面的同軸誤差校正陣列的損耗與頻率項。

當測試設備的延遲和損耗未知時(shí)，必須在采用端口擴展之前對其進(jìn)行測量。安捷倫科技已開(kāi)發(fā)出自動(dòng)化方法，并將其集成到PNA系列VNA中。安捷倫的自動(dòng)端口擴展（APE）使用簡(jiǎn)單的開(kāi)路或短路測量提供了簡(jiǎn)便的方法來(lái)計算測試設備的損失和延遲。采用最適合的直線(xiàn)模型來(lái)計算電延遲。采用兩種方法之一來(lái)計算損耗項，這依靠用于傳輸線(xiàn)的媒介。損耗模型被假設是同軸或介質(zhì)。同軸和介電模型都提供了可變的損耗與頻率的關(guān)系，其不是簡(jiǎn)單的直線(xiàn)。當在PCB上建立測試設備時(shí)，要采用介電模型。

APE算法測量開(kāi)路或短路，并計算測試設備所測試部分的插入損耗和電延遲。這一步對測試設備的每個(gè)部分重復進(jìn)行。這一步之后，只有測試設備失配仍然是誤差來(lái)源。失配誤差的主要來(lái)源是從同軸線(xiàn)纜到微帶線(xiàn)的過(guò)渡，這發(fā)生在每個(gè)測試設備端口的連接器處。該失配不能通過(guò)同軸校準來(lái)去除，這是因為其出現在同軸校準平面之后。

可以通過(guò)在過(guò)渡處采用良好質(zhì)量的邊緣突出的連接器減小反射來(lái)提高測量精度，并在測試設備中具有良好的50歐姆傳輸線(xiàn)。港口擴展技術(shù)提供了良好的效果，并具有中等水平的精度。盡管并不和使用高質(zhì)量設備內部校準標準一樣精確，它仍是迄今為止較為容易在設備內部測試器件的方法，并為多種應用提供了足夠的精度。

APE技術(shù)采用了曲線(xiàn)擬合過(guò)程來(lái)計算低階損耗和相位響應。同時(shí)，該算法容許失配紋波，其不會(huì )去除紋波本身。大多數情況下，只需一個(gè)高反射標準來(lái)精確計算損耗和延誤響應。只用一個(gè)高反射標準來(lái)要求測量的頻率范圍足夠寬，以便反射測量中的紋波通過(guò)至少有一個(gè)完整周期。在這種情況下，可以使用最方便的標準，這往往是開(kāi)路的。采用兩個(gè)標準對寬帶測量而言差別不大，這是由于當使用開(kāi)路或短路時(shí)，紋波中出現的標準或經(jīng)過(guò)計算的損耗是一樣的。使用兩個(gè)標準來(lái)提高窄帶測量的精度，其中并不會(huì )出現完整的紋波周期。圖3中所示的更低軌跡的表示了在采用APE之前，測試設備的一部分響應。上面的軌跡表明了在采用APE后的響應。損耗補償可能以0dB誤差為中心（棕色軌跡），或將紋波峰值保持在0dB以下（藍色軌跡）。

圖4表示了平衡到不平衡5.5GHz無(wú)線(xiàn)本地網(wǎng)（WLAN）濾波器測試到10GHz的響應。表示了在自動(dòng)端口擴展工具欄內，測試設備之一的端口延遲和損耗項。該值由安捷倫PNA網(wǎng)絡(luò )分析儀自動(dòng)計算。下面的兩個(gè)軌跡表示了沒(méi)有端口擴展的DUT測量。沒(méi)有端口擴展，測量包括了DUT和測試設備。失真響應是由于沒(méi)有相位補償（尤其重要的是對平衡端口），并沒(méi)有對PCB上該傳輸線(xiàn)的損耗進(jìn)行補償。具有端口擴展，嚴重誤差由于測試設備被去除，并為WLAN濾波器的實(shí)際性能提供了相當高的精度。

測試設備去嵌入是更為嚴格的建模技術(shù)。該過(guò)程一開(kāi)始就建立DUT所使用的測試設備的模型。模型的精度直接影響去嵌入測量的精度。去嵌入被用于消除測試設備、適配器和探頭的不良影響。替代簡(jiǎn)單地減去電長(cháng)度和插入損耗，去嵌入使用經(jīng)過(guò)建模的響應來(lái)作為頻率的函數，并采用數學(xué)從測量中去除測試設備的影響。不同于端口擴展，去嵌入去除了同軸線(xiàn)到微帶線(xiàn)過(guò)渡的失配影響。測試設備電路的S參數存儲在一個(gè).s2p文件格式中。

創(chuàng )建測試設備.s2p模型的最簡(jiǎn)單方式就是采用測量探頭，其可以與該測試設備中傳輸線(xiàn)的DUT端點(diǎn)實(shí)現接口（圖5）。這種情況下，用戶(hù)在測試設備一側實(shí)現了一個(gè)使用同軸標準的未知的通過(guò)校準，并使用了測試設備另一側的探頭阻抗標準基板（ISS）。測試設備的傳輸線(xiàn)是未知的路徑。經(jīng)過(guò)校準后，測試設備只被簡(jiǎn)單測量，并未移動(dòng)探頭或同軸線(xiàn)纜。測量過(guò)程對測試設備的每個(gè)部分反復進(jìn)行，使用與第一個(gè)設備相同的校準。為了用探頭來(lái)測量傳輸線(xiàn)端點(diǎn)，接地平面必須放在與測試探頭的節距間有正確間距的測試設備上。

替代探測測試設備的方法就是使用一項技術(shù)，其實(shí)現了兩個(gè)單端口校準。這項技術(shù)假設測試設備部分是可互換的（即，S21=S12），總是如此。第一個(gè)單端口校準是在同軸連接器的端點(diǎn)，采用同軸標準實(shí)現。第二個(gè)單端口校準是在放置DUT的地方，使用設施設備內部的校準標準。安捷倫PNA和ENA網(wǎng)絡(luò )分析儀都提供了宏來(lái)提取測試設備部分的.s2p數據，其使用兩套單端口校準數據。盡管這一方法具有優(yōu)勢，并不需要探針，但為了實(shí)現單端口測試設備內的校準，要求產(chǎn)生制作測試設備內的校準標準及其特性。

如果測試設備的直接測量是不切實(shí)際的，那么可以實(shí)現仿真來(lái)確定測試設備部分的S參數行為。對基于這一技術(shù)的精確數據而言，PCB材料良好的損耗模型和精確的軌跡尺寸是必需的。

測試設備去嵌入準確的反面是測試設備嵌入。如果網(wǎng)絡(luò )可以從測量中精確減去，其可以很容易地被添加到測量中也是合理的。VNA在50歐姆單端環(huán)境中匹配來(lái)實(shí)現S參數。當測量設備不符合這一類(lèi)別時(shí)，需要對該數據進(jìn)行進(jìn)一步處理。許多這些軟件設備工具被內建到安捷倫科技的PNA和ENA矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀中。對于非50歐姆的設備，有可能重述S參數數據，以便它看起來(lái)像使用VNA阻抗測量DUT，而非50歐姆。也有可能嵌入虛擬阻抗匹配電路，這往往需要例如聲表面波（SAW）濾波器等設備，而不必真向測試設備中增加電感和電容?？梢詫υO備計算混合模式（微分，共同和交叉模式）S參數，至少有一個(gè)平衡端口。圖6表示了部分常見(jiàn)的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )內建到用于這一目的的VNA中。

對具有平衡端口的設備，4端口去嵌入允許測試端口之間的串擾仿真（圖7）。盡管當使用同軸線(xiàn)纜時(shí)，串擾是微不足道的，但當測試設備或探頭用于測量時(shí)有可能變得顯著(zhù)。使用兩個(gè)二端口.s2p文件將比使用單一的四端口文件提供不同的測量結果，這是因為串擾項也不會(huì )包括在兩端口文件內。

端口擴展及去嵌入是很重要的工具，應該被增加到每位工程師的測量工具包中，以獲得最準確的結果。PNA的自動(dòng)端口擴展功能通過(guò)所要求的測量利用指導用戶(hù)憑借推斷來(lái)安裝。遇到實(shí)際情況，建議采用測試設備去嵌入來(lái)獲得最準確的測量結果。PNA的校準向導很容易地采用一步步的引導過(guò)程實(shí)現了探針去嵌入完整的校準步驟。