怎樣設計和驗證TRL校準件及具體過(guò)程

　　摘要： TRL校準是一種非常精確的校準方式，尤其適用于網(wǎng)絡(luò )分析儀的非同軸測量。本文詳細探討了有關(guān)TRL校準的整個(gè)環(huán)節，從設計TRL標準件的要求，到設計TRL校準件參數的確定，TRL校準件設計后的驗證，以及TRL校準時(shí)的具體過(guò)程，最后到完成這次非同軸測量，希望能為大家以后進(jìn)一步研究TRL校準提供相應的參考。

　　關(guān)鍵詞： TRL校準;非同軸測量;網(wǎng)絡(luò )分析儀;Rogers4350

　　引言

　　大家都知道傳統的SOLT校準(即短路-開(kāi)路-負載-直通校準)，操作方便、測量準確度跟標準件的精度有很大關(guān)系，一般只適合于同軸環(huán)境測量。而TRL(Thru，Reflect，Line)校準是準確度比SOLT校準更高的校準方式，尤其適合于非同軸環(huán)境測量，例如PCB上表貼器件，波導、夾具、片上晶圓測量。SOLT校準通過(guò)測量1個(gè)傳輸標準件和三個(gè)反射標準件來(lái)決定12項誤差模型，而TRL校準是通過(guò)測量2個(gè)傳輸標準件和一個(gè)反射標準件來(lái)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 )分析儀的接收機結構。

　　TRL校準極其準確，在大多數的場(chǎng)合中比SOLT校準準確多了。但是，很少有直接的TRL校準件存在，一般要求用戶(hù)根據所用夾具的材料及物理尺寸、工作頻率，來(lái)設計制造出相應的TRL校準件。用戶(hù)使用網(wǎng)絡(luò )分析儀測量元器件時(shí)，采用不同的夾具，就要設計不同的TRL校準件，因此，對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，有一定的難度和挑戰性。但事實(shí)上，由于TRL校準的標準件不需要制作得像SOLT校準的標準件那么精確，TRL校準的精度只是跟TRL標準件的質(zhì)量，重復性部分相關(guān)，而不是完全由標準件決定，因此，TRL校準的標準件跟SOLT相比更容易制作，它們的特性也更容易描述。

　　TRL標準件的要求

　　TRL標準件的要求

　　通常來(lái)說(shuō)，TRL標準件的要求如下：

　　·直通標準件

　　電氣長(cháng)度為0時(shí)，無(wú)損耗，無(wú)反射，傳輸系數為1;電氣長(cháng)度不為0時(shí)，直通標準件的特性阻抗必須和延遲線(xiàn)標準件相同，無(wú)須知道損耗，如果用作設為參考測量面，電氣長(cháng)度具體值必須知道，同時(shí)，如果此時(shí)群時(shí)延設為0的話(huà)，參考測量面位于直通標準件的中間。

　　·反射標準件

　　反射系數的相位必須在正負90度以?xún)?，反射系數最好接?，所有端口上的反射系數必須相同，如果用作參考測量面的話(huà)，相位響應必須知道。

　　·延遲線(xiàn)/匹配負載延遲線(xiàn)的特性阻抗作為測量時(shí)的參考阻抗，系統阻抗定義為和延遲線(xiàn)特性阻抗一致。延遲線(xiàn)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(shí)，由于正切函數的特性，很容易造成相位模糊。另外，最優(yōu)的相位差值一般取1/4波長(cháng)或90度。

　　當工作頻率范圍大于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(cháng)線(xiàn)，以便覆蓋整個(gè)頻率范圍。當工作頻率太高時(shí)，1/4波長(cháng)的延遲線(xiàn)物理尺寸很短，不好制作，這時(shí)候，最好是選擇非0長(cháng)度的直通，利用兩者差值，來(lái)增大延遲線(xiàn)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)，匹配負載在各個(gè)測試端口的反射系數必須相同。

　　TRL標準件設計時(shí)的考慮

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

　　·PCB上連接頭的一致性越好，損耗越低，TRL校準件的效果就越理想。

　　·直通標準件設定了參考測量面，如果是測量多端口器件時(shí)，直通標準件盡量長(cháng)一些，以減少連接頭之間的串擾，但是也不用太長(cháng)，以免浪費空間。

　　·參考測量面最好定在直通標準件的中間，這樣的話(huà)電磁場(chǎng)相對參考測量面是對稱(chēng)的。

　　·開(kāi)路標準件實(shí)現起來(lái)最容易，但是由于開(kāi)路標準件存在邊緣電容效應，所以我們必須通過(guò)測量或者3D-EM仿真來(lái)獲得開(kāi)路標準件的邊緣電容。

　　·短路標準件實(shí)現起來(lái)要麻煩些，因為要確切的知道放置短路標準件過(guò)孔的位置，保證過(guò)孔的邊緣剛好放置在短路標準件的末端。同時(shí)，短路標準件的好壞還取決于過(guò)孔的鉆孔技術(shù)，一般說(shuō)來(lái)激光打孔比普通的機械鉆孔技術(shù)要好很多。

　　·負載標準件通過(guò)2個(gè)100W的表貼阻抗來(lái)實(shí)現，一般來(lái)說(shuō)，設計一個(gè)低頻下的負載要比高頻下容易得多，這也是為什么高頻下設計校準標準件時(shí)要采用多條延遲線(xiàn)標準件的原因之一。

　　·延遲線(xiàn)的相位跟信號傳播時(shí)的相速，對應頻率，有效介電常數有關(guān)。微帶線(xiàn)由于沒(méi)有一個(gè)固定的介電常數，所以必須使用有效介電常數來(lái)考慮空氣和PCB板材混合后帶來(lái)的影響。

　　·設計時(shí)，多條延遲線(xiàn)的頻率范圍最好有重疊，這樣能夠保證多條延遲線(xiàn)能夠覆蓋我們要求的頻率范圍。

　　TRL標準件的設計

　　具體參數的確定

　　考慮設計一個(gè)基于Rogers 4350板材的TRL校準件，工作頻率范圍從10MHz到20GHz，Rogers 4350板材的介電常數為3.48±0.05，直通設計為非0長(cháng)度，則各個(gè)標準件的具體參數如圖1所示。

　　從圖1中我們可以知道各個(gè)標準件的實(shí)際物理尺寸，然后就可以開(kāi)始在PCB上布局布線(xiàn)，最后進(jìn)行制板，大致的效果如圖2所示。

圖1  TRL校準件中各個(gè)標準件的具體參數

圖2 TRL校準件布局大致效果圖

　　TRL標準件設計后的驗證

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

　　TRL標準件設計后最重要的驗證是對延遲線(xiàn)頻率范圍的確定，由于要求延遲線(xiàn)標準件與直通標準件的相位差位于20度到160度，所以我們可以通過(guò)memory trace來(lái)測量出延遲線(xiàn)標準件與直通標準件的相位差，根據相位差從20度到160度，我們可以確定相應的頻率范圍，如圖3所示，從圖3我們可以知道，Line1的頻率范圍是101~820MHz，滿(mǎn)足我們最初設計時(shí)對Line1的要求。同樣的，Line2也是采用相同的方法來(lái)確定頻率范圍。此時(shí)，也能夠測量出Line1、Line2和直通標準件之間的時(shí)延差，這將會(huì )在新建TRL校準套件時(shí)候用到，圖4是Line1的時(shí)延測量值。

圖3 通過(guò)PNA-X驗證Line1 的頻率范圍

圖4 基于PNA-X 的Line1 的時(shí)延測量值

　　TRL校準

　　創(chuàng )建TRL校準套件

　　完成了TRL標準件的驗證后，我們就可以開(kāi)始創(chuàng )建新的TRL校準套件，創(chuàng )建的過(guò)程很簡(jiǎn)單，總的說(shuō)來(lái)要注意以下幾點(diǎn)：

　　·短路、開(kāi)路、負載標準件都只需確定頻率范圍，以及連接頭類(lèi)型;

　　·直通標準件也只需確定頻率范圍，連接頭類(lèi)型，同時(shí)時(shí)延為0;

　　·延遲線(xiàn)標準件，需要確定頻率范圍，時(shí)延值，多條延遲線(xiàn)時(shí)，頻率范圍最好有交疊，來(lái)確保覆蓋整個(gè)頻率范圍。

　　圖5是一個(gè)創(chuàng )建TRL校準套件的例子。

圖5 一個(gè)創(chuàng )建TRL校準套件的例子

　　TRL校準具體過(guò)程

　　創(chuàng )建好TRL校準套件后，我們就可以開(kāi)始進(jìn)行TRL校準了。具體的過(guò)程，PNA-X的校準向導會(huì )一步步指導我們如何操作。

　　下面我們以4端口校準為例，簡(jiǎn)單的說(shuō)明下如何進(jìn)行TRL校準，圖6即TRL校準向導的一個(gè)步驟。

圖6 TRL校準向導

　　TRL校準后的測量結果

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

圖7 Display Port 電纜測量的設置環(huán)境

　　從圖8中，我們可以得到Display Port電纜測量的最終結果，當頻率為300MHz時(shí)，S21=-2.1110dB，接近-2dB，滿(mǎn)足相關(guān)指標。

圖8 基于 PNA-X 的Display Port 電纜測量結果

　　結語(yǔ)

　　TRL校準是一種非常精確的校準方式，尤其適用于網(wǎng)絡(luò )分析儀的非同軸測量。本文詳細探討了有關(guān)TRL校準的整個(gè)環(huán)節，從設計TRL標準件的要求，到設計TRL校準件參數的確定，TRL校準件設計后的驗證，以及TRL校準時(shí)的具體過(guò)程，最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校準提供相應的參考。

　　參考文獻：

　　1. Agilent Technologies “In-fixture Microstrip Device Measurements Using TRL* Calibration”, Product Note 8720-2, 1991.

　　2. Agilent Technologies “Applying the 8510 TRL Calibration for Non-Coaxial Measurements”, Product Note 8510-8A, May 2001.

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　　4. Agilent Technologies “Specifying Calibration Standards and Kits for Agilent Vector Network Analyzer”, Application Note 1287-11, Aug 2007.

　　5. Agilent Technologies “Applying Error Correction to Network Analyzer Measurement”, Application Note 1287-3, Mar 2002.