T/R陣列自動測試系統去嵌入技術研究

彭安虎， 韓周安， 李志強

(1. 電子科技大學，四川 成都 610000; 2. 成都愛科特科技發展有限公司，四川 成都 610000)

0 引 言

T/R組件是構成相控陣雷達的基礎，是相控陣雷達的核心部件，一部雷達中通常有幾百個甚至更多T/R組件[1]。T/R組件的各項指標直接影響雷達的整機指標，在T/R組件研制前期以及大規模批量生產階段，大量全面的電性能指標測試是必需的[2-3]。傳統測試方法自動化程度低，多為手工操作測試，測試過程相當繁瑣，需進行大量的重復測試，并且測試數量繁多、測試數據統計量大，測試覆蓋大量的頻點、通道，涉及的測試指標包含移相、衰減、噪聲系數等復雜指標[4]。為滿足T/R組件的測試需求，T/R組件自動測試系統已廣泛應用于T/R組件的研發生產、維修調試過程。

近年來，隨著雷達技術的發展，T/R組件呈現出多通道、高頻段、高性能的特點，為滿足相應的測試需求，多通道、多組件、高精度T/R測試系統的研制顯得愈發重要。T/R測試系統為實現自動測試的目的，不可避免地會引入額外的線纜、矩陣開關等嵌入網絡，如何保證在嵌入網絡的影響下，準確獲取待測件的真實指標是保證測試系統精度的關鍵。目前的去嵌入技術研究主要集中在非同軸環境和非插入式器件的測量，對于非同軸環境的測量，例如PCB上表貼器件、片上晶圓測試等，比較常用的方法為 AFR（automatic fixture removal）、LRL（line -reflect-line）等去嵌入技術，而對于非插入式器件的測量主要有夾具建模、基于端口延伸的SOLT（shortopen-load-thru）校準等手段實現去嵌入[5]。目前的去嵌入方法在進行去嵌入時，關注的是單臺儀器的通道去嵌入問題，沒有考慮大規模通道去嵌入的情況。為了消除T/R陣列自動測試系統中嵌入網絡的影響，目前主要采用基于端口延伸的SOLT校準方式，即在測量端面進行矢量網絡分析儀的校準，把嵌入網絡當作矢量網絡分析的系統誤差進行消除，該方法操作步驟簡單，無需進行額外的標準件制作[6]，但隨著測試通道數增加，需進行大量的重復校準工作。傳統上對于T/R測試系統的校準是采用單臺儀器分別進行計量校準和系統功能檢查來完成的，這種方法存在的弊端：首先是工作量大，費時費力；其次是投入的標準設備多，無法解決現場校準問題[7]。大量的重復性校準過程導致校準效率低，同時容易引入重復性誤差和造成校準件的嚴重磨損，而重復性、穩定性是測試系統能夠滿足精度要求的基本條件[8]。

本文針對T/R組件自動測試系統中的鏈路校準問題，設計了TRL標準件，并實現了TRL校準算法，運用該方法對含有嵌入網絡的濾波器模型實現去嵌入。對于多通道的盲拔插T/R陣列自動測試系統，根據陣列規模的大小，可直接采用所設計的標準件，制成相應通道的去嵌入套件，能實現極少次物理連接就可去嵌入所有通道。

1 T/R陣列測試系統誤差模型分析

T/R陣列自動測試系統測試鏈路主要包括射頻線纜、矩陣開關兩個嵌入網絡，只有通過矢量網絡分析儀完成該部分的去嵌入工作，才能保證測試系統中其他測試儀器的正常測試。系統拓撲圖如圖1所示。

圖1 系統拓撲圖

對于T/R陣列自動測試系統的嵌入網絡可以分為嵌入網絡L、嵌入網絡R兩部分，整個系統的測試鏈路可以等效為如圖2所式的二端口網絡級聯。

圖2 S參數形式8項誤差模型

圖2給出了由嵌入網絡引入的8項誤差模型。

式(1)和式(2)表示由嵌入網絡引入的各個誤差項，執行去嵌入的過程實質就是對各個誤差項進行求解的過程。嵌入網絡L、嵌入網絡R、待測件三者級聯后的S參數可以通過矢量網絡分析儀測量得到。

為實現T/R陣列自動測試系統的去嵌入，需要通過標準件的輔助測試，才能完成對嵌入網絡的8個誤差項的求解。與采用傳統的端口延伸SOLT校準相比，TRL校準是準確度更高的校準方式，尤其適合于非同軸環境測量。本文為解決T/R陣列自動測試系統的去嵌入問題，采用更高精度的基于TRL標準件的去嵌入方式。

2 TRL標準件設計

2.1 測試系統特性分析

由于很少有直接的TRL標準件的存在，一般要求用戶根據嵌入網絡的材料及物理尺寸、特性阻抗、工作頻率等來設計制造出相應的標準件[6]。本文針對的T/R陣列自動測試系統，其待測件工作頻率為14～ 18 GHz，矩陣開關在嵌入網絡中起主導作用，系統輸入輸出阻抗為50 Ω。為保證與嵌入網絡的特性阻抗保持一致，TRL標準件的板材選取Rogers4350B，介質層厚度為 0.254 mm，金屬層厚度為 35 μm，介電常數為 3.66，損耗因子為 0.0037（@10 GHz）。該印制板是高頻板材中較為常用的一種，加工工藝相對成熟，能保證制作TRL去嵌入套件的工程可行性。

2.2 直通標準件T設計

理想的直通標準件電氣長度為0，無損耗，無反射，傳輸系數為1；電氣長度不為0時，直通標準件的特性阻抗必須和延遲線標準件相同，無需知道損耗，如果作為參考測量面，電氣長度具體值必須知道，如果此時群時延設為0，則參考測量面位于直通標準件的中間[9-13]。

考慮到加工工藝和后期TRL去嵌入套件的設計，本設計采用非0電長度的形式，特性阻抗與延遲線保持一致，且考慮反射標準件的反射相位要求，直通標準件的物理長度設計為22.07 mm，圖3是直通標準件在HFSS中的仿真模型。

圖3 直通標準件T仿真模型

直通標準件仿真結果如圖4所示，S11<–30 dB，駐波比<1.06，工作頻帶內插損小于0.21 dB，滿足設計要求。

圖4 直通標準件T仿真結果

2.3 反射標準件R設計

反射標準件的反射系數相位必須在±90°以內，反射系數最好接近1，所有端口上的反射系數必須相同，如果用作參考測量面，相位響應必須知道[9-13]。

本設計中用作測量參考面的是直通標準件，反射標準件采用開路方式實現，其特性阻抗與直通和延遲線標準件保持一致，為滿足反射系數的相位要求，其物理長度設計為11.035 mm，是直通標準件的一半，圖5是反射標準件在HFSS中的仿真模型。

圖5 反射標準件R仿真模型

反射標準件仿真結果如圖6所示，工作頻帶內，反射系數>0.975，反射系數相位在±89.3°之間，滿足設計要求。

圖6 反射標準件R仿真結果

2.4 延遲線標準件L設計

延遲線的特性阻抗作為測量時的參考阻抗，系統阻抗定義為和延遲線特性阻抗一致。延遲線標準件和直通之間的插入相位差值必須在20°～ 160°之間或–160°～ –20°之間，如果相位差值接近 0°或者180°時，由于正切函數的特性，很容易造成相位模糊。此外，最有效的相位差值一般取1/4波長或90°[9-13]。圖7是延遲線標準件在HFSS中的仿真模型。為保證去嵌入的精度，當中心頻率與校準帶寬比值超過8∶1時需要使用多根延遲線。本設計中僅使用一根延遲線。為保證與直通標準件的相位關系，延遲線的物理長度設計為24.14 mm，3種標準件的特性阻抗一致。

圖7 延遲線標準件L仿真模型

延遲線標準件仿真結果如圖8所示，工作頻帶內，S11<–30 dB，駐波比<1.06，插損<0.225 dB，與直通標準件的相位差在50°～ 75°之間，雖然沒有達到最優的90°相位差的要求，但已滿足設計要求。

圖8 延遲線標準件L仿真結果

3 TRL去嵌入算法實現

在進行去嵌入之前，先對T/R陣列自動測試系統中的矢量網絡分析儀進行一次SOLT自校準，消除矢量網絡分析儀自身的系統誤差。之后，開始T/R陣列測試系統的去嵌入過程，連接TRL標準件，用該自動測試系統分別測試接入直通、反射、延遲線標準件時的S參數，分別記作、、，為方便去嵌入過程中的參數級聯運算，需要進行參數間的轉換，此處將S參數轉換為T參數，其轉換關系如下式所示：

表1給出了在去嵌入過程中需要用到的各組成部分的T參數表達式。

表1 系統各組成部分T參數矩陣

4 去嵌入結果分析

為驗證所設計的TRL標準件及去嵌入算法的正確性，選取一個帶通濾波器模型作為待測件，中心頻率 16 GHz，3 dB 帶寬為 2.2 GHz，帶內波動小于0.3 dB，帶外抑制度大于13 dB。所選取的嵌入網絡插損大于4 dB，輸入輸出端口駐波比小于1.2，特性阻抗與待測件的特性阻抗相近但不相等，存在較小失配，符合實際情況。待測件的反射參數去嵌入結果如圖9和圖10所示。

圖9 S11幅度去嵌入結果對比

圖10 S11相位去嵌入結果對比

S11的去嵌入結果表明，去嵌入后S11的幅值與待測件幅值基本一致，去嵌入后的S11相位在濾波器的工作頻段內與原始數據有較好的吻合。

待測件的傳輸指標去嵌入結果如圖11和圖12所示。

圖11 S21幅度去嵌入結果對比

圖12 S21相位去嵌入結果對比

S21的去嵌入結果對比表明，去嵌入后的S21幅度、相位在濾波器的工作頻段內與原始數據有較好的吻合。去嵌入的S21幅度誤差、駐波比誤差如圖13和圖14所示。

圖13 S21幅度誤差

圖14 VSWR誤差

在整個去嵌入頻段內S21的幅度誤差小于0.2 dB，滿足幅度測試誤差需求，駐波比測試誤差在校準頻段內波動較大，但誤差最大值不超過0.07，滿足該T/R陣列自動測試系統的去嵌入準確度要求，傳輸相位測量誤差≤2°。各項指標均達到預期的精度要求。

5 結束語

本文針對T/R陣列自動測試系統多通道、多嵌入網絡的特點，介紹了一種基于TRL標準件的去嵌入技術，設計和實現相應的TRL標準件及去嵌入算法，通過仿真分析驗證了該方法的正確性和可行性。該方法不需要用到目前采用的SOLT端口延伸方式一樣高精度的校準件就能實現更高精度的去嵌入，能提升T/R陣列自動測試系統的校準準確度，其對標準件的加工工藝要求相對較小，生產成本較低。該方法不需要用到目前采用的SOLT端口延伸方式一樣高精度的校準件就能實現更高精度的去嵌入，能提升T/R陣列自動測試系統的校準準確度，其對標準件的加工工藝要求相對較小，生產成本較低。該方法也能很好的適應T/R陣列多通道、多嵌入網絡的特點，對不同組件、不同規模的T/R陣列自動測試系統，可根據其阻抗特性、組件結構、通道規模制成相應的去嵌入工具箱，最終實現工具箱的極少次物理連接就能去嵌入所有通道的嵌入網絡，極大提升T/R陣列自動測試系統的校準效率，同時，還減少了校準件多次連接引入的重復性誤差和標準件磨損引起的誤差。