消除測試設備對器件測量影響

提高精度已成為最早期矢量網(wǎng)絡分析儀（VNA）測量的目標。通過校準和矢量誤差校正技術，可以將VNA精度從儀器端口擴展到測試電纜的端點。當待測器件（DUT）直接連接到測試端口電纜時，校準面和測量面是同一平面。在這種情況下，校準和誤差校正是直截了當?shù)倪^程，其涉及機械或電子同軸校準標準。然而，對引腳貼裝或表面貼裝封裝的DUT而言，必須使用測試設備，而目前同軸校準平面和測量平面是分開的，并需要額外的誤差校正技術來達到高測量精度。這些方法經(jīng)常采用裝置的建模響應，來有效地將校正平面移至DUT的端口。部分工程師則選擇采取最小影響的測試設備，并僅僅測量DUT和設備的總響應。本文討論了兩種基于模型的校正，其增加了測量精度，并不再需要忽略由測試設備引入的測量誤差。

直接測量涉及到測量的物理校準標準以及計算誤差項。這種方法提供了高精度，這主要是基于校準標準精確特性的程度是已知的。多年來已有很多有關各種直接測量校準技術的文章。所有詳細內(nèi)容可以在安捷倫應用筆記1287-3和1287-11中閱讀到。1-3基于模型的校準采用了從網(wǎng)絡響應建模中推導出的數(shù)學校正。該建模響應可能來自仿真結(jié)果或理論性行為，但往往是從實際測量得出的。通常，測量和建模的結(jié)合有助于實現(xiàn)最高質(zhì)量的結(jié)果。

如圖1所示的端口擴展是最簡單的建模技術。它依賴于簡單的測試設備延遲（并且，在某些情況下，有衰減的）模型。去嵌入采用設備的完整S參數(shù)模型。這兩種技術不再需要建立精確的設備內(nèi)部校準標準，這是難以實現(xiàn)地（特別是對負載標準），并花費了很多時間和精力。

測試設備的差別很大，這取決于應用和成本。同時，在制造業(yè)中所使用的測試設備是嚴格的，并且往往價格昂貴，特別是印制電路板（PCB）設備在研究和開發(fā)（R＆D）實驗室中是共同的。其相對便宜并易于制作，盡管對頻率超過3GHz的信號損失不能被忽略。目前無線應用中的許多器件必須在高達13GHz的頻率進行測試。因此，減少或消除裝置的損耗和延誤是必要的，這使得DUT的真實特性得以獲得分析。

所以，當在裝置中測量器件時，將PCB板上的軌跡認為是網(wǎng)絡分析儀和DUT之間同軸測試電纜的擴展。通過實現(xiàn)每部分設備上的端口擴展，將測量平面擴展到超出同軸校準平面的右側(cè)，達到DUT的端口。當設備連接器和DUT之間的損耗和電長度已知時，可以通過在售的大部分VNA人工將其減去。

許多測試設備采用了具有SMA連接器的PCB測試設備（圖2）。測試設備/VNA的組合可以在SMA連接器平面進行校準。但是，當測試設備用于測量電路板貼裝器件時，PCB測試設備的電氣特性可能改變DUT的測量幅度和相位。端口擴展用于增加線性相位（連續(xù)延遲），以及轉(zhuǎn)移參考平面到DUT平面的同軸誤差校正陣列的損耗與頻率項。

當測試設備的延遲和損耗未知時，必須在采用端口擴展之前對其進行測量。安捷倫科技已開發(fā)出自動化方法，并將其集成到PNA系列VNA中。安捷倫的自動端口擴展（APE）使用簡單的開路或短路測量提供了簡便的方法來計算測試設備的損失和延遲。采用最適合的直線模型來計算電延遲。采用兩種方法之一來計算損耗項，這依靠用于傳輸線的媒介。損耗模型被假設是同軸或介質(zhì)。同軸和介電模型都提供了可變的損耗與頻率的關系，其不是簡單的直線。當在PCB上建立測試設備時，要采用介電模型。

APE算法測量開路或短路，并計算測試設備所測試部分的插入損耗和電延遲。這一步對測試設備的每個部分重復進行。這一步之后，只有測試設備失配仍然是誤差來源。失配誤差的主要來源是從同軸線纜到微帶線的過渡，這發(fā)生在每個測試設備端口的連接器處。該失配不能通過同軸校準來去除，這是因為其出現(xiàn)在同軸校準平面之后。

可以通過在過渡處采用良好質(zhì)量的邊緣突出的連接器減小反射來提高測量精度，并在測試設備中具有良好的50歐姆傳輸線。港口擴展技術提供了良好的效果，并具有中等水平的精度。盡管并不和使用高質(zhì)量設備內(nèi)部校準標準一樣精確，它仍是迄今為止較為容易在設備內(nèi)部測試器件的方法，并為多種應用提供了足夠的精度。

APE技術采用了曲線擬合過程來計算低階損耗和相位響應。同時，該算法容許失配紋波，其不會去除紋波本身。大多數(shù)情況下，只需一個高反射標準來精確計算損耗和延誤響應。只用一個高反射標準來要求測量的頻率范圍足夠?qū)?，以便反射測量中的紋波通過至少有一個完整周期。在這種情況下，可以使用最方便的標準，這往往是開路的。采用兩個標準對寬帶測量而言差別不大，這是由于當使用開路或短路時，紋波中出現(xiàn)的標準或經(jīng)過計算的損耗是一樣的。使用兩個標準來提高窄帶測量的精度，其中并不會出現(xiàn)完整的紋波周期。圖3中所示的更低軌跡的表示了在采用APE之前，測試設備的一部分響應。上面的軌跡表明了在采用APE后的響應。損耗補償可能以0dB誤差為中心（棕色軌跡），或?qū)⒓y波峰值保持在0dB以下（藍色軌跡）。

圖4表示了平衡到不平衡5.5GHz無線本地網(wǎng)（WLAN）濾波器測試到10GHz的響應。表示了在自動端口擴展工具欄內(nèi)，測試設備之一的端口延遲和損耗項。該值由安捷倫PNA網(wǎng)絡分析儀自動計算。下面的兩個軌跡表示了沒有端口擴展的DUT測量。沒有端口擴展，測量包括了DUT和測試設備。失真響應是由于沒有相位補償（尤其重要的是對平衡端口），并沒有對PCB上該傳輸線的損耗進行補償。具有端口擴展，嚴重誤差由于測試設備被去除，并為WLAN濾波器的實際性能提供了相當高的精度。

測試設備去嵌入是更為嚴格的建模技術。該過程一開始就建立DUT所使用的測試設備的模型。模型的精度直接影響去嵌入測量的精度。去嵌入被用于消除測試設備、適配器和探頭的不良影響。替代簡單地減去電長度和插入損耗，去嵌入使用經(jīng)過建模的響應來作為頻率的函數(shù)，并采用數(shù)學從測量中去除測試設備的影響。不同于端口擴展，去嵌入去除了同軸線到微帶線過渡的失配影響。測試設備電路的S參數(shù)存儲在一個.s2p文件格式中。

創(chuàng)建測試設備.s2p模型的最簡單方式就是采用測量探頭，其可以與該測試設備中傳輸線的DUT端點實現(xiàn)接口（圖5）。這種情況下，用戶在測試設備一側(cè)實現(xiàn)了一個使用同軸標準的未知的通過校準，并使用了測試設備另一側(cè)的探頭阻抗標準基板（ISS）。測試設備的傳輸線是未知的路徑。經(jīng)過校準后，測試設備只被簡單測量，并未移動探頭或同軸線纜。測量過程對測試設備的每個部分反復進行，使用與第一個設備相同的校準。為了用探頭來測量傳輸線端點，接地平面必須放在與測試探頭的節(jié)距間有正確間距的測試設備上。

替代探測測試設備的方法就是使用一項技術，其實現(xiàn)了兩個單端口校準。這項技術假設測試設備部分是可互換的（即，S21=S12），總是如此。第一個單端口校準是在同軸連接器的端點，采用同軸標準實現(xiàn)。第二個單端口校準是在放置DUT的地方，使用設施設備內(nèi)部的校準標準。安捷倫PNA和ENA網(wǎng)絡分析儀都提供了宏來提取測試設備部分的.s2p數(shù)據(jù)，其使用兩套單端口校準數(shù)據(jù)。盡管這一方法具有優(yōu)勢，并不需要探針，但為了實現(xiàn)單端口測試設備內(nèi)的校準，要求產(chǎn)生制作測試設備內(nèi)的校準標準及其特性。

如果測試設備的直接測量是不切實際的，那么可以實現(xiàn)仿真來確定測試設備部分的S參數(shù)行為。對基于這一技術的精確數(shù)據(jù)而言，PCB材料良好的損耗模型和精確的軌跡尺寸是必需的。

測試設備去嵌入準確的反面是測試設備嵌入。如果網(wǎng)絡可以從測量中精確減去，其可以很容易地被添加到測量中也是合理的。VNA在50歐姆單端環(huán)境中匹配來實現(xiàn)S參數(shù)。當測量設備不符合這一類別時，需要對該數(shù)據(jù)進行進一步處理。許多這些軟件設備工具被內(nèi)建到安捷倫科技的PNA和ENA矢量網(wǎng)絡分析儀中。對于非50歐姆的設備，有可能重述S參數(shù)數(shù)據(jù)，以便它看起來像使用VNA阻抗測量DUT，而非50歐姆。也有可能嵌入虛擬阻抗匹配電路，這往往需要例如聲表面波（SAW）濾波器等設備，而不必真向測試設備中增加電感和電容?？梢詫υO備計算混合模式（微分，共同和交叉模式）S參數(shù)，至少有一個平衡端口。圖6表示了部分常見的阻抗匹配網(wǎng)絡內(nèi)建到用于這一目的的VNA中。

對具有平衡端口的設備，4端口去嵌入允許測試端口之間的串擾仿真（圖7）。盡管當使用同軸線纜時，串擾是微不足道的，但當測試設備或探頭用于測量時有可能變得顯著。使用兩個二端口.s2p文件將比使用單一的四端口文件提供不同的測量結(jié)果，這是因為串擾項也不會包括在兩端口文件內(nèi)。

端口擴展及去嵌入是很重要的工具，應該被增加到每位工程師的測量工具包中，以獲得最準確的結(jié)果。PNA的自動端口擴展功能通過所要求的測量利用指導用戶憑借推斷來安裝。遇到實際情況，建議采用測試設備去嵌入來獲得最準確的測量結(jié)果。PNA的校準向?qū)Ш苋菀椎夭捎靡徊讲降囊龑н^程實現(xiàn)了探針去嵌入完整的校準步驟。