表面貼裝器件S參數測量方法研究

賀同云 江巖

（中國電子科技集團公司第四十一研究所，山東青島 266555）

0 引言

在微波射頻領域，當測試一個器件時，最大的挑戰之一，是如何消除有害的夾具效應。端口延伸和TRL校準是補償校準參考平面和儀器的測量平面不一致而引起的誤差的最簡單方法之一。校準之后，可以利用端口延伸特性來補償由于增加諸如電纜、適配器或夾具所引起的延伸測量參考面的誤差。當要求很高的測量精度，并且沒有與被測件連接器類型相同的校準件時，例如使用夾具進行測量或使用探針進行晶片上測量時，經常需要進行TRL校準。TRL校準通過測量兩個傳輸標準和一個反射標準來確定12項誤差系數，而傳統的SOLT校準通過測量一個傳輸標準（T）和三個反射標準（SOL）來確定同樣多的誤差系數。

1 端口延伸的實現

在端口延伸之前，一般需要兩個步驟。第一步，做一個全雙端口的校準，這一步去除了矢量網絡分析儀、連接電纜和各種同軸連接器的誤差，并給所有的夾具連接處以很好的源匹配。第二步是使用端口延伸進行測試夾具、電纜或適配器的校準。這一步就可以去掉它們的插損和響應延遲。

端口延伸包括手動端口延伸和自動端口延伸，手動端口延伸是在已知附加傳輸線的某些特性的情況下進行的，否則可以使用自動端口延伸。端口延伸的主界面如圖1所示。

圖1

1.1 手動端口延伸的過程

1）選擇一個校準后的S11測量（端口1）；若要對端口2進行延伸，請選擇校準后的S22測量。

2）選擇顯示格式為相位格式。

3）在校準參考面上連接OPEN或SHORT，檢驗相位在頻率跨度內是否在0或0附近。

4）連接附加傳輸線或夾具，并在DUT的位置連接一個OPEN或SHORT。然后逐步增加延時，直到相位響應在整個關心的頻率跨度內為平坦的。

5）若已知附加傳輸線的損耗，直接輸入損耗補償值，可以使用一個（損耗1）或兩個數據點（損耗1和損耗2）進行損耗補償。

如果已知附加傳輸線的電長度，則直接在圖1“時間”中輸入即可。如果已知附加傳輸線的物理長度，增加“時間”直到“距離”等于附加傳輸線的物理長度即可。如果既不知道附加傳輸線的電長度也不知道附加傳輸線的物理長度，那必須在新的參考面上連接一個開路器或短路器。這樣就可以使用自動端口延伸。

1.2 自動端口延伸過程

1）連接附加的傳輸線或夾具后，在新的參考面上連接開路器或短路器。

2）在圖1中點擊“自動端口延伸”，出現如圖2所示的對話框，然后點擊圖2中的“顯示配置”進行相應的設置。

3）點擊圖2中的“開路”或“短路”進行自動端口延伸的計算，自動計算出來的延時與損耗會顯示在圖1相應的文本框中，同時，自動計算完畢后會自動打開端口延伸功能。

1.3 自動端口延伸的實現

自動端口延伸的界面如圖2所示。

圖2

2 TRL校準

TRL（Thru-Reflect-Line）校準包括一系列的校準技術，如TRM(Thru-Reflect-Match)。TRL校準通過測量兩個傳輸標準和一個反射標準來確定12項誤差系數，而傳統的SOLT校準通過測量一個傳輸標準（T）和三個反射標準（SOL）來確定同樣多的誤差系數。

如果需要對矢量網絡分析儀進行TRL校準，由于支持TRL校準的校準件非常少，此時必須構建和定義與被測件介質相同的校準件，而制造3個TRL標準比制造4個SOLT標準要更容易。TRL校準適合窄帶校準，當需要進行寬帶校準時必須使用多個傳輸線標準，例如，2GHz～26GHz頻段需要兩個傳輸線標準，而在低頻段，傳輸線標準會特別長。

TRL校準標準需要定義三個標準：直通標準、反射標準和傳輸線標準。下面分別對這三個標準在定義和構建的過程中應該注意的事項一一進行介紹。

2.1 直通標準

直通標準可以是零長度也可以是非零長度，零長度直通因為沒有損耗和特征阻抗要更精確一些。直通標準的電延時不能與傳輸線標準相同，如果精確的定義了其相位和電長度，可以用它在校準時建立測量參考平面。

2.2 反射標準

反射標準可以是有高反射系數的任何物理器件，連接到兩個測量端口反射標準的特性必須完全相同。在校準時并不需要知道標準件反射的幅度，但必須知道相位，而且其電長度必須在1/4波長以內。如果精確的定義了反射標準的幅度和相位，可以用它來建立測量參考平面。

2.3 傳輸線標準

傳輸線標準用來建立校準后的測量參考阻抗，TRL校準由于傳輸線標準的限制存在以下不足：

· 傳輸線標準必須與直通標準的阻抗相同。

· 傳輸線標準的電長度不能與直通標準相同。

· 傳輸線標準在整個頻率范圍內必須有適當的電長度，在每個頻率點，傳輸線標準與直通標準的相位差必須大于20o小于160o，因此實際單根傳輸線能覆蓋的頻率范圍為8：1。為了覆蓋更寬的頻率范圍，需要多個傳輸線標準。

· 在低頻段，傳輸線標準會特別長，傳輸線標準的最優長度為頻率跨度幾何平均頻率（起始頻率×終止頻率的平方根）的1/4波長。

2.4 匹配標準

當所需長度或損耗的傳輸線不能制造時，可以使用匹配標準來代替傳輸線。

· 匹配標準為連接到端口上的低反射終端。

· 在TRL校準的誤差系數計算時，將匹配標準作為高損耗、無限長度的傳輸線。

· 匹配標準的阻抗變為測量的參考阻抗

3 TRL校準的實現

要實現利用矢量網絡分析儀的TRL校準功能測量表面貼裝器件的S參數，必須制作相應的測試夾具，測試夾具制作好后才能在相應的測試夾具上制作TRL校準標準件。下面以MAX2640低噪聲放大器（LNA）的S參數測量和穩定性分析為例介紹一下TRL校準標準件制作的過程。

對MAX2640進行S參數測量時使用了兩套評估（EV）板和一臺網絡分析儀（HP8753D）。將第一套評估板（kit#1）的IC去掉用于校準，利用第二套評估板（kit#2）進行實際測量，該套評估板保留了IC，但無匹配元件。

1.對雙口網絡進行了完整的校準操作，校準范圍包括與矢量網絡分析儀相連接的電纜。

2.當我們測量第二套評估板（kit#2）上不帶匹配元件時IC的S參數時，將短接線放置到了第一套評估板（kit#1）上MAX2640輸入和輸出引腳的焊接位置（參見圖3）。

3.調整網絡分析儀的端口延時，使315MHz時輸入端和輸出端的阻抗都盡可能接近于短路狀態。此時我們就可以利用該校準在第二套評估板（kit#2）上的MAX2640器件引腳處進行S參數測量。

圖3 用于MAX2640的S參數測量的校準電路

4.然后修改第一套評估板（kit#1），將上面的短接線移置到上次匹配元件的放置點。再一次調整網絡分析儀的端口延時，使315MHz時輸入端和輸出端的阻抗都盡可能接近于短路狀態。

圖4 仿真和性能測試S11 (dB)的比較

圖5 仿真和性能測試S11 (相位)的比較

圖6 仿真和性能測試S22 (dB)的比較

圖7 仿真和性能測試S22 (相位)的比較

圖8 仿真和性能測試S21 (dB)的比較

圖9 仿真和性能測試S21 (相位)的比較

5.接著將匹配元件放回到第二套評估板（kit#2）上，對評估板上帶有匹配元件的IC進行S參數測量。

6.為了證實僅測試IC時（上述步驟3）S參數的正確性，將所得的S參數導入ADS（微波仿真軟件），并在所建模型中加入匹配元件和傳輸線。同時為了模擬板上存在的寄生效應，在模型的輸入引腳和輸出引腳加一只0.5pF電容。然后將所建立的模型的仿真性能曲線與評估板上帶有匹配元件時所測得的IC S參數（上述步驟5）進行比較。

4 測試結果

圖4至圖9曲線標注定義如下：

MAX2640_Epcos_1GHz_simulation：只對工作臺上不帶匹配元件的IC進行了測量，利用所測得的S參數進行仿真，并在ADS的仿真模型中加入了匹配元件。

MAX2640_Epcos_1GHz_bench：在評估板上加入了匹配元件后再對IC進行S參數測量。

上述數據表明所進行的兩個測試中，幅值和相位性能都非常接近。除去微小的頻率偏移，仿真結果(利用不帶匹配元件的IC的測試S參數建立模型，并在ADS模型中加入匹配元件后對模擬工作臺進行仿真測量)非常接近于實際性能測試(在評估板上加入匹配元件后，對實際性能進行測試)。所以可以得到這樣的結論：對MAX2640進行測量所得的S參數是可靠的，可用于仿真和穩定性分析。

5 結論

本文簡單介紹了利用矢量網絡分析儀測量表面貼裝器件（SMD）S參數的兩種方法。即端口延伸法和TRL校準法，這兩種方法在實際的測試過程中，可以根據對測量精度要求的高低來選擇，當要求的測量精度不高時，一般選擇端口延伸法。當要求很高的測量精度時，并且沒有與被測件連接器類型相同的校準件時，經常選擇TRL校準法。

[1] In-fixture measurement Using Vector Network Analyzer, Agilent AN 1287-9, 2006

[2] 《利用矢量網絡分析儀去除和嵌入S參數網絡》,國外電子測量技術, Michael Knox , 2000年第5期

[3] 《矢量網絡分析儀的端口延伸和去嵌入功能的研究》,科技信息, 段飛等 , 2011年第11期

[4] 《非同軸微波器件測試夾具的設計與應用》,電子元件與材料, 雷靜, 第30卷第7期

[5] 《S參數測試校準技術中SOLT和TRL校準方法的比較》,第五屆中國測試學術會議論文集, 李偉等, 2008年5月