微波器件S參數(shù)全溫在線測試技術(shù)研究

肖苗苗，任翔，馬帥帥，李靜，高鵬鵬，鄧嘉輝

（航天科工防御技術(shù)研究試驗中心，北京 100854）

引言

國外對于微波器件測試技術(shù)研究較早，在微波S參數(shù)全溫測試技術(shù)方面，Rumiantsev A等人提出應(yīng)該在不同的溫度下分別研制且定義校準件，以此來提高在片S參數(shù)高低溫測試系統(tǒng)的準確度。美國Cascade公司認可上述觀點，并發(fā)明了一個主卡盤和兩個輔助卡盤回，在校準的過程中，將DUT放在主卡盤上，校準件放在輔助卡盤上。當(dāng)主卡盤的溫度發(fā)生變化時（-55～125）℃，輔助卡盤的溫度變化較?。?5～55）℃，這樣便可消除溫度對校準件的影響，近似地解決了上述問題，但是此設(shè)備價格昂貴，不易推廣。

國內(nèi)微波器件生產(chǎn)廠家開展的微波高低溫測試，均采用先常溫狀態(tài)下校準，后施加高低溫環(huán)境的方式，測試準確性和可靠性難以保證。因此開展微波器件S參數(shù)全溫在線測試、校準技術(shù)研究十分必要。

1 微波器件S參數(shù)高精度全溫在線測試方法研究

要實現(xiàn)微波器件箱內(nèi)校準和測試，需要設(shè)計一套微波器件程控測試及校準程序，通過LabVIEW編程環(huán)境實現(xiàn)溫箱、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、電源等硬件設(shè)備的程控，同時通過數(shù)字板卡控制微波開關(guān)實現(xiàn)校準和測試通道切換。

網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)中可能存在的測量誤差可以分漂移誤差、隨機誤差和系統(tǒng)誤差三大類[1-3]。系統(tǒng)誤差是網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)中最大的誤差源，我們可通過S參數(shù)測試前的校準步驟去除。因此，校準方法的選用在整個S參數(shù)測試中起著非常重要的作用[4]。本項目的校準方法采用TRL（直通-反射-線路）校準方式，在常規(guī)測試過程中測試適配器往往需要進行同軸與微帶線的轉(zhuǎn)換，相比SOLT（短路-開路-負載-直通）的校準方式，TRL校準更加精確，成本也更低。本項目以雙端口微波器件為研究對象，分別選取兩款聲表濾波器、一款數(shù)控衰減器兩類共三個型號典型微波器件作為樣片開展研究。

2 微波器件S參數(shù)高精度全溫在線測試系統(tǒng)設(shè)計思路

本項目基于LabVIEW編程環(huán)境，集成矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、電源、溫箱等硬件設(shè)備。通過編寫測試軟件，實現(xiàn)溫箱溫度的在線調(diào)節(jié)和控制，利用數(shù)字板卡控制微波開關(guān)實現(xiàn)校準和測試通道的切換，通過控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀實現(xiàn)S參數(shù)的測試、校準及數(shù)據(jù)存儲，測試原理圖見圖1。

圖1 微波器件S參數(shù)高低溫測試系統(tǒng)原理圖

以雙端口微波器件為研究對象，設(shè)計一套S參數(shù)高低溫校準兼測試裝置，采用多線TRL校準方法實現(xiàn)微波器件S參數(shù)高低溫環(huán)境下的在線校準和測試，詳見圖2。測試裝置的設(shè)計滿足測試精度的同時兼顧通用性，通過替換專用測試插座可實現(xiàn)多種類微波器件的高低溫測試。

圖2 S參數(shù)高低溫校準兼測試裝置原理框圖

3 高低溫環(huán)境下的校準技術(shù)及解決途徑

對于微波器件在常溫測試時的校準工作，可通過一系列的手動切換不同校準模塊即可完成，但在高低溫環(huán)境下無法實現(xiàn)手動切換，強制的手動操作對測試結(jié)果具有較大的影響。

解決措施：將THRU、SHORT、LINES、LOAD四種校準件與測試模塊集成到測試夾具上，夾具的射頻輸入和輸出端分別連接兩個單刀六擲開關(guān)。實際測試過程中，首先將測試斷面校準到開關(guān)的測量端面，再將測試夾具置于溫度試驗箱中，兩個單刀六擲開關(guān)置于溫箱外，連接網(wǎng)絡(luò)分析儀、開關(guān)、測試夾具組成測試系統(tǒng)，通過開關(guān)進行切換，實現(xiàn)高低溫環(huán)境下的一系列校準操作。

4 研究過程

4.1 程控測試軟件設(shè)計

程序主體基于LabVIEW標準狀態(tài)機構(gòu)成，將整套測試流程分為多個狀態(tài)進行狀態(tài)切換，分別進行矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置、電源設(shè)置、溫箱設(shè)置、數(shù)據(jù)采集以及測試完成后儀器的關(guān)閉操作?；趦x器驅(qū)動所提供的相關(guān)功能，進行測試參數(shù)的設(shè)定，以實現(xiàn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試程序設(shè)置。在進行校準程序設(shè)置時，擬通過數(shù)字板卡建立數(shù)字輸出任務(wù)，實現(xiàn)TTL電平輸出，控制微波開關(guān)完成通道切換以實現(xiàn)校準操作。電源控制同樣基于儀器驅(qū)動，以達到電源通道、輸出電壓、輸出電流等控制。數(shù)據(jù)采集功能基于SCPI指令實現(xiàn)完成目標頻率范圍內(nèi)一條或多條Trace中最大值與最小值的數(shù)值獲取，并結(jié)合報表生成工具包實現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取。主程序控制界面及程序框圖見圖3、圖4。

圖3 主程序控制界面

圖4 程序框圖

4.2 TRL校準件及測試適配器設(shè)計

本項目在進行TRL校準件設(shè)計時，采用Rogers板材，工作頻率范圍從10 MHz～18 GHz，滿足6 GHz的指標要求。因頻率跨度大于8，故采用2條延遲線。利用安捷倫的TRL計算器軟件可直接計算出SHORT、OPEN、LOAD、THRU、LINE1、LINE2的傳輸線長度。根據(jù)計算結(jié)果可進行TRL校準件的PCB設(shè)計，見圖5。根據(jù)選取的三款樣片的尺寸，工作頻段等指標，設(shè)計PCB測試板。

圖5 TRL校準件PCB設(shè)計版圖

4.3 TRL校準件仿真

TRL校準件設(shè)計時包含THRU、SHORT、LINES、LOAD四種校準件。即反射校準件使用短路件，延時校準件分段，720 MHz以下使用負載；720 MHz～3.6 GHz使用延時線1；（3.6～18）GHz使用延時線2。延時線1和延時線2根據(jù)不同頻段相對于直通的相對長度不同。其中SHORT校準件和負載校準件需對寄生電容電感做補償。使用HFSS仿真后，延時線到6 GHz駐波小于1.14，插損小于0.25 dB，滿足0.3 dB的技術(shù)指標要求。短路器SHORT駐波大于5 000，能夠滿足校準要求。負載LOAD在工作頻帶內(nèi)，駐波小于1.05，能夠滿足校準要求。

4.4 測試系統(tǒng)搭建

根據(jù)原理圖，見圖1，搭建微波器件S參數(shù)全溫在線測試系統(tǒng)。硬件設(shè)備情況見表1。

表1 硬件設(shè)備情況

工控機與溫箱、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、電源采用GPIB通訊，LabVIEW測試軟界面可進行設(shè)備地址選擇，調(diào)用該設(shè)備。測試時將校準、測試工裝置于箱內(nèi)，其余硬件均置于箱外。兩個微波開關(guān)的供電分別由兩個數(shù)字板卡提供。通過程序界面左上角的八個通道開關(guān)可實現(xiàn)微波開關(guān)通道的切換，最終實現(xiàn)在線校準和測試。

4.5 高、低溫在線測試

開展兩款聲表濾波器及一款數(shù)控衰減器的全溫測試，進行驗證比對。每款型號選取2只樣片進行試驗，因三款型號的工作溫度范圍為（-40～+85）℃，故選取-40 ℃、+25 ℃、+85 ℃三個溫度點進行測試。測試驗證試驗：

第一種：常溫+25 ℃下校準，溫箱溫度設(shè)置為-40 ℃、+85 ℃，到達該溫度點后分別停留半個小時以上，進行測試，記錄測試數(shù)據(jù)。

第二種：常溫+25 ℃下校準，溫箱溫度設(shè)置為-40 ℃、+85 ℃，到達該溫度點后分別停留半個小時以上，進行該溫度點下二次校準，再進行測試，記錄測試數(shù)據(jù)。具體測試數(shù)據(jù)見表2～表4。

表2 聲表濾波器1測試數(shù)據(jù)

表3 聲表濾波器2測試數(shù)據(jù)

表4 數(shù)控衰減器測試數(shù)據(jù)

表5 板材的介電常數(shù)隨溫度的變化率

根據(jù)常溫下校準、高低溫下測試與常溫下校準、高低溫下二次校準后再測試的數(shù)據(jù)，我們可以看到，二次校準后插入損耗指標普遍更小、阻帶抑制更大。

由于測試用校準件及測試適配器的板材均為羅杰斯高頻板材，該高頻板材的介電常數(shù)εr為3.48±0.05。TRL校準件設(shè)計時也是基于此指標進行的仿真，本項目的TRL校準件εr指標設(shè)置為3.45。因微波器件測試常用高頻板材主要為羅杰斯板材，選取兩款不同羅杰斯板材，可知它們的εr隨溫度的變化率很小，見下表，基本可以忽略。

為了了解兩種板材的傳輸特性指標隨溫度的變化情況，補充以下試驗：

使用羅杰斯板材1制作的TRL中的直通校準件，放置在溫箱內(nèi)，設(shè)置溫度點分別為-40 ℃、+25 ℃、+85 ℃，每個溫度點放置半小時以上，測試三個溫度點下直通校準件（THRU）的S參數(shù)指標。測試頻率范圍為10 MHz～18 GHz。選取多個頻點進行試驗，記錄S參數(shù)的測試數(shù)據(jù)。繪制高溫、低溫、常溫下S21、S11測試曲線，見圖6、圖7。

圖6 羅杰斯板材1的TRL直通件在高溫、低溫、常溫下的S21測試曲線

圖7 羅杰斯板材1的TRL直通件在高溫、低溫、常溫下的S11測試曲線

將使用羅杰斯板材2制作的直通校準件放置在溫箱內(nèi)，設(shè)置溫度點分別為-40 ℃、+25 ℃、+85 ℃，每個溫度點放置半小時以上，測試三個溫度點下該直通校準件的S參數(shù)指標。測試頻率范圍為10 MHz～18 GHz。選取多個頻點進行試驗，記錄S參數(shù)的測試數(shù)據(jù)。繪制高溫、低溫、常溫下S21、S11測試曲線，見圖8、圖9。

圖8 羅杰斯板材2直通件在高溫、低溫、常溫下的S11測試曲線

圖9 羅杰斯板材2直通件在高溫、低溫、常溫下的S21測試曲線

因兩端口直通校準件的傳輸指標和反射指標都是對稱的，因此傳輸以S21為例，反射以S11為例繪制測試曲線，能夠更直觀的看到插入損耗和駐波的變化情況。通過圖8、圖9，我們可以了解到隨著溫度變化，不同板材的直通件的S參數(shù)指標變化均為相同頻率點下，溫度越低插入損耗指標S21越好，溫度越高插入損耗指標S21越差。反射指標S11隨溫度變化不大，隨頻率變化較大。隨著頻率升高（6 GHz以上）呈現(xiàn)出低溫較高溫偏離理想值更大的情況。

通過以上附加試驗，我們了解到TRL校準件在溫箱內(nèi)校準的方式仍存在誤差，且校準件長時間放置在高低溫環(huán)境下會引起微帶線形變及板材老化，繼而影響性能指標。對于研究性質(zhì)的試驗可采用高低溫下校準方式，但涉及大規(guī)模產(chǎn)線測試，高低溫下校準的方式適用性不強。提高高低溫測試下的校準精度，可采用以下思路：

1）建立校準件在高低溫環(huán)境下的誤差模型。模型建立有兩種方式，第一種：測試不同尺寸、不同材質(zhì)的校準件在不同溫度條件下的S參數(shù)，將測試數(shù)據(jù)模型化。第二種：考慮溫度場、電磁場、物理場等多應(yīng)力場的邊界條件，建立多應(yīng)力場仿真模型。

2）校準件置于溫箱外，常溫下校準，高低溫測試前，引入誤差模型，實現(xiàn)高低溫的精準測試。

5 結(jié)束語

通過測試適配器及校準件的設(shè)計、測試平臺搭建、程控軟件的編寫最終實現(xiàn)了典型微波器件，聲表濾波器、數(shù)控衰減器的S參數(shù)全溫在線校準、測試。通過TRL校準件的應(yīng)用實現(xiàn)了S參數(shù)高精度測試的目標。另外通過補充試驗了解了不同板材的S參數(shù)隨溫度變化的趨勢，為后續(xù)相關(guān)試驗研究提供了數(shù)據(jù)支撐，提出了建立高低溫環(huán)境下多應(yīng)力場仿真模型的新思路。