通過(guò)設(shè)計(jì)、校準(zhǔn)固件改善器件的S參數(shù)測(cè)量

本篇應(yīng)用筆記描述了在測(cè)量元器件S參數(shù)時(shí)，如何校正和減小由測(cè)試固件引起的誤差。這里提到的固件由帶有SMA連接器的微帶線PCB組成。文中給出了基于MAX2648 5GHz低噪聲放大器的實(shí)例。

測(cè)量誤差

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)測(cè)量中的誤差可以分為三類：

漂移誤差——校準(zhǔn)后，當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)性能變化時(shí)出現(xiàn)的誤差；

漂移誤差——此誤差可看作隨時(shí)間變化的函數(shù)；

系統(tǒng)誤差——包括失配、泄漏以及系統(tǒng)頻率響應(yīng)。

校準(zhǔn)是從網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量中消除上述誤差的過(guò)程。為使漂移誤差最小，測(cè)試裝置應(yīng)該在適當(dāng)?shù)念l率下校準(zhǔn)，并保持在恒溫條件下?？梢酝ㄟ^(guò)窄帶中頻(IF)濾波和取平均的方法降低隨機(jī)誤差或類似噪聲的誤差。大多數(shù)VNA都包含軌跡平均模式，利用這種模式經(jīng)過(guò)若干次掃描取平均后可以減小突發(fā)性的隨機(jī)誤差。

添加微帶線器件支持固件校準(zhǔn)

網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠利用測(cè)量標(biāo)定的方式提高精度，這需要使用含適當(dāng)連接器的標(biāo)定組件，通常采用同軸連接器。由于我們要測(cè)試的器件為“非標(biāo)準(zhǔn)”連接器，無(wú)法使用同軸連接器標(biāo)定組件。增加一個(gè)固件可以滿足連接待測(cè)器件(DUT)與測(cè)試設(shè)備接口的需要，即實(shí)現(xiàn)“非同軸”連接器和同軸連接器的連接。

理想的測(cè)試固件應(yīng)能為測(cè)試儀器和待測(cè)器件提供透明連接，允許在不增加任何寄生電路的前提下直接測(cè)量DUT。由于不可能制作出理想的固件，固件將會(huì)引入附加損耗、相移和失配，增大待測(cè)器件的測(cè)量誤差。在特定應(yīng)用中采用何種校準(zhǔn)類型取決于對(duì)待測(cè)器件指標(biāo)精度的要求。

消除由固件引入的誤差有三種基本方法：建模、分解和直接測(cè)量。本應(yīng)用筆記描述的是用直接測(cè)量的方法修正誤差。直接測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是不需要預(yù)先獲得固件的精確指標(biāo)，這些指標(biāo)是在校準(zhǔn)過(guò)程中測(cè)試的。直接測(cè)量最簡(jiǎn)單的形式是響應(yīng)校準(zhǔn)，這是一種標(biāo)準(zhǔn)形式。參考軌跡儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中，此后顯示的軌跡數(shù)據(jù)都與內(nèi)存數(shù)據(jù)相除后得到。

響應(yīng)校準(zhǔn)只需要一個(gè)傳輸(穿過(guò))和反射(短路或斷路)的標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)采用與測(cè)試電路相同的基板建立校準(zhǔn)電路獲得。首先建立一個(gè)由50Ω傳輸線組成的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，反射標(biāo)準(zhǔn)的建立可以是斷路或短路傳輸線(50Ω)。本范例中選用了短路線，線段長(zhǎng)度與測(cè)試電路相同，并且短路線應(yīng)在測(cè)試板的參考面上。假定待測(cè)器件與固件間的接觸面為參考面。這些校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，即每個(gè)固件端口有一種“傳輸”和兩種“短路”標(biāo)準(zhǔn)，直接設(shè)計(jì)在固件PCB上。

測(cè)量精度很大程度上取決于校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，校準(zhǔn)的傳輸和短路標(biāo)準(zhǔn)由特征阻抗為50微帶傳輸線構(gòu)成，并直接制作在固件PCB上。固件的精確、尤其是微帶線特征阻抗的精度以及“傳輸”和“短路”的電氣長(zhǎng)度直接決定了測(cè)量精度。

直接測(cè)量最簡(jiǎn)單的形式就是響應(yīng)校準(zhǔn)。由于缺乏對(duì)信號(hào)源和負(fù)載失配的修正，響應(yīng)校準(zhǔn)存在固有的弱點(diǎn)，信號(hào)源和負(fù)載的失配是由微帶線特征阻抗的誤差以及耦合器/橋接器的方向性造成。失配問(wèn)題在反射測(cè)量中是非常令人棘手的問(wèn)題。以下是一個(gè)針對(duì)低噪聲放大器(LNA) MAX2648的固件范例，LNA工作于5GHz至6GHz頻率范圍內(nèi)。

MAX2648實(shí)例

圖1所示為測(cè)量裸片級(jí)封裝(UCSP MAX2648 S參數(shù)的固件。

注意通常用微帶線實(shí)現(xiàn)電路板邊緣的同軸連接器到DUT之間的RF信號(hào)傳輸。低損耗、寬帶同軸電纜用于連結(jié)固件電路板與網(wǎng)絡(luò)分析儀。固件的微帶線與信號(hào)源和負(fù)載相匹配，這里假定為50Ω。業(yè)界印刷電路板制造商提供的傳輸線阻抗誤差通常為±10%。因此，特征阻抗通常在45Ω至55Ω之間。而微帶線的阻抗誤差很有限，因此采用合適的微帶線長(zhǎng)度就非常重要。用ADS測(cè)量50Ω反射的兩個(gè)仿真結(jié)果如圖2、圖3所示。圖中以45Ω作為特征阻抗，對(duì)兩種不同的傳輸線長(zhǎng)度進(jìn)行了仿真。

結(jié)論

阻抗失配引起的反射測(cè)量誤差可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)膫鬏斁€長(zhǎng)度而降至最小。通過(guò)設(shè)計(jì)包括額外傳輸線的測(cè)試固件電路板作為測(cè)量器件S參數(shù)的輔助手段，這些額外的傳輸線提供了一條傳輸路徑和一條校準(zhǔn)用的短路反射路徑。