怎樣設(shè)計(jì)和驗(yàn)證TRL校準(zhǔn)件及具體過程

　　摘要： TRL校準(zhǔn)是一種非常精確的校準(zhǔn)方式，尤其適用于網(wǎng)絡(luò)分析儀的非同軸測量。本文詳細(xì)探討了有關(guān)TRL校準(zhǔn)的整個(gè)環(huán)節(jié)，從設(shè)計(jì)TRL標(biāo)準(zhǔn)件的要求，到設(shè)計(jì)TRL校準(zhǔn)件參數(shù)的確定，TRL校準(zhǔn)件設(shè)計(jì)后的驗(yàn)證，以及TRL校準(zhǔn)時(shí)的具體過程，最后到完成這次非同軸測量，希望能為大家以后進(jìn)一步研究TRL校準(zhǔn)提供相應(yīng)的參考。

　　關(guān)鍵詞： TRL校準(zhǔn);非同軸測量;網(wǎng)絡(luò)分析儀;Rogers4350

　　引言

　　大家都知道傳統(tǒng)的SOLT校準(zhǔn)(即短路-開路-負(fù)載-直通校準(zhǔn))，操作方便、測量準(zhǔn)確度跟標(biāo)準(zhǔn)件的精度有很大關(guān)系，一般只適合于同軸環(huán)境測量。而TRL(Thru，Reflect，Line)校準(zhǔn)是準(zhǔn)確度比SOLT校準(zhǔn)更高的校準(zhǔn)方式，尤其適合于非同軸環(huán)境測量，例如PCB上表貼器件，波導(dǎo)、夾具、片上晶圓測量。SOLT校準(zhǔn)通過測量1個(gè)傳輸標(biāo)準(zhǔn)件和三個(gè)反射標(biāo)準(zhǔn)件來決定12項(xiàng)誤差模型，而TRL校準(zhǔn)是通過測量2個(gè)傳輸標(biāo)準(zhǔn)件和一個(gè)反射標(biāo)準(zhǔn)件來決定10項(xiàng)誤差模型或者8項(xiàng)誤差模型，取決于所用網(wǎng)絡(luò)分析儀的接收機(jī)結(jié)構(gòu)。

　　TRL校準(zhǔn)極其準(zhǔn)確，在大多數(shù)的場合中比SOLT校準(zhǔn)準(zhǔn)確多了。但是，很少有直接的TRL校準(zhǔn)件存在，一般要求用戶根據(jù)所用夾具的材料及物理尺寸、工作頻率，來設(shè)計(jì)制造出相應(yīng)的TRL校準(zhǔn)件。用戶使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量元器件時(shí)，采用不同的夾具，就要設(shè)計(jì)不同的TRL校準(zhǔn)件，因此，對于用戶來說，有一定的難度和挑戰(zhàn)性。但事實(shí)上，由于TRL校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)件不需要制作得像SOLT校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)件那么精確，TRL校準(zhǔn)的精度只是跟TRL標(biāo)準(zhǔn)件的質(zhì)量，重復(fù)性部分相關(guān)，而不是完全由標(biāo)準(zhǔn)件決定，因此，TRL校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)件跟SOLT相比更容易制作，它們的特性也更容易描述。

　　TRL標(biāo)準(zhǔn)件的要求

　　TRL標(biāo)準(zhǔn)件的要求

　　通常來說，TRL標(biāo)準(zhǔn)件的要求如下：

　　·直通標(biāo)準(zhǔn)件

　　電氣長度為0時(shí)，無損耗，無反射，傳輸系數(shù)為1;電氣長度不為0時(shí)，直通標(biāo)準(zhǔn)件的特性阻抗必須和延遲線標(biāo)準(zhǔn)件相同，無須知道損耗，如果用作設(shè)為參考測量面，電氣長度具體值必須知道，同時(shí)，如果此時(shí)群時(shí)延設(shè)為0的話，參考測量面位于直通標(biāo)準(zhǔn)件的中間。

　　·反射標(biāo)準(zhǔn)件

　　反射系數(shù)的相位必須在正負(fù)90度以內(nèi)，反射系數(shù)最好接近1，所有端口上的反射系數(shù)必須相同，如果用作參考測量面的話，相位響應(yīng)必須知道。

　　·延遲線/匹配負(fù)載延遲線的特性阻抗作為測量時(shí)的參考阻抗，系統(tǒng)阻抗定義為和延遲線特性阻抗一致。延遲線和直通之間的插入相位差值必須在20度至160度之間(或-20度至-160度)，如果相位差值接近0或者180度時(shí)，由于正切函數(shù)的特性，很容易造成相位模糊。另外，最優(yōu)的相位差值一般取1/4波長或90度。

　　當(dāng)工作頻率范圍大于8:1時(shí)，即頻率跨度與起始頻率比值大于8時(shí)，必須使用1條以上的延長線，以便覆蓋整個(gè)頻率范圍。當(dāng)工作頻率太高時(shí)，1/4波長的延遲線物理尺寸很短，不好制作，這時(shí)候，最好是選擇非0長度的直通，利用兩者差值，來增大延遲線的物理尺寸。

　　匹配的阻抗同樣確立測量時(shí)的參考阻抗，同時(shí)，匹配負(fù)載在各個(gè)測試端口的反射系數(shù)必須相同。

　　TRL標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)時(shí)的考慮

　　以上都是對TRL校準(zhǔn)件的通常要求，具體設(shè)計(jì)時(shí)，一般有以下考慮：

　　·PCB上連接頭的一致性越好，損耗越低，TRL校準(zhǔn)件的效果就越理想。

　　·直通標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)定了參考測量面，如果是測量多端口器件時(shí)，直通標(biāo)準(zhǔn)件盡量長一些，以減少連接頭之間的串?dāng)_，但是也不用太長，以免浪費(fèi)空間。

　　·參考測量面最好定在直通標(biāo)準(zhǔn)件的中間，這樣的話電磁場相對參考測量面是對稱的。

　　·開路標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)現(xiàn)起來最容易，但是由于開路標(biāo)準(zhǔn)件存在邊緣電容效應(yīng)，所以我們必須通過測量或者3D-EM仿真來獲得開路標(biāo)準(zhǔn)件的邊緣電容。

　　·短路標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)現(xiàn)起來要麻煩些，因?yàn)橐_切的知道放置短路標(biāo)準(zhǔn)件過孔的位置，保證過孔的邊緣剛好放置在短路標(biāo)準(zhǔn)件的末端。同時(shí)，短路標(biāo)準(zhǔn)件的好壞還取決于過孔的鉆孔技術(shù)，一般說來激光打孔比普通的機(jī)械鉆孔技術(shù)要好很多。

　　·負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)件通過2個(gè)100W的表貼阻抗來實(shí)現(xiàn)，一般來說，設(shè)計(jì)一個(gè)低頻下的負(fù)載要比高頻下容易得多，這也是為什么高頻下設(shè)計(jì)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件時(shí)要采用多條延遲線標(biāo)準(zhǔn)件的原因之一。

　　·延遲線的相位跟信號(hào)傳播時(shí)的相速，對應(yīng)頻率，有效介電常數(shù)有關(guān)。微帶線由于沒有一個(gè)固定的介電常數(shù)，所以必須使用有效介電常數(shù)來考慮空氣和PCB板材混合后帶來的影響。

　　·設(shè)計(jì)時(shí)，多條延遲線的頻率范圍最好有重疊，這樣能夠保證多條延遲線能夠覆蓋我們要求的頻率范圍。

　　TRL標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)

　　具體參數(shù)的確定

　　考慮設(shè)計(jì)一個(gè)基于Rogers 4350板材的TRL校準(zhǔn)件，工作頻率范圍從10MHz到20GHz，Rogers 4350板材的介電常數(shù)為3.48±0.05，直通設(shè)計(jì)為非0長度，則各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件的具體參數(shù)如圖1所示。

　　從圖1中我們可以知道各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件的實(shí)際物理尺寸，然后就可以開始在PCB上布局布線，最后進(jìn)行制板，大致的效果如圖2所示。

圖1  TRL校準(zhǔn)件中各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件的具體參數(shù)

圖2 TRL校準(zhǔn)件布局大致效果圖

　　TRL標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)后的驗(yàn)證

　　TRL校準(zhǔn)件做好之后，我們就要開始驗(yàn)證我們制作的TRL校準(zhǔn)件到底好不好。對于短路和開路校準(zhǔn)件，我們只要保證短路或開路標(biāo)準(zhǔn)件在各個(gè)測試端口的反射系數(shù)相等就好了，至于開路標(biāo)準(zhǔn)件的邊緣電容，短路標(biāo)準(zhǔn)件的駐留電感，可以都設(shè)為0;至于負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)件，只要保證終止頻率時(shí)，阻抗能為50歐姆或者接近50歐姆就可以了;而對于直通標(biāo)準(zhǔn)件，就沒什么具體要求了。

　　TRL標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)后最重要的驗(yàn)證是對延遲線頻率范圍的確定，由于要求延遲線標(biāo)準(zhǔn)件與直通標(biāo)準(zhǔn)件的相位差位于20度到160度，所以我們可以通過memory trace來測量出延遲線標(biāo)準(zhǔn)件與直通標(biāo)準(zhǔn)件的相位差，根據(jù)相位差從20度到160度，我們可以確定相應(yīng)的頻率范圍，如圖3所示，從圖3我們可以知道，Line1的頻率范圍是101~820MHz，滿足我們最初設(shè)計(jì)時(shí)對Line1的要求。同樣的，Line2也是采用相同的方法來確定頻率范圍。此時(shí)，也能夠測量出Line1、Line2和直通標(biāo)準(zhǔn)件之間的時(shí)延差，這將會(huì)在新建TRL校準(zhǔn)套件時(shí)候用到，圖4是Line1的時(shí)延測量值。

圖3 通過PNA-X驗(yàn)證Line1 的頻率范圍

圖4 基于PNA-X 的Line1 的時(shí)延測量值

　　TRL校準(zhǔn)

　　創(chuàng)建TRL校準(zhǔn)套件

　　完成了TRL標(biāo)準(zhǔn)件的驗(yàn)證后，我們就可以開始創(chuàng)建新的TRL校準(zhǔn)套件，創(chuàng)建的過程很簡單，總的說來要注意以下幾點(diǎn)：

　　·短路、開路、負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)件都只需確定頻率范圍，以及連接頭類型;

　　·直通標(biāo)準(zhǔn)件也只需確定頻率范圍，連接頭類型，同時(shí)時(shí)延為0;

　　·延遲線標(biāo)準(zhǔn)件，需要確定頻率范圍，時(shí)延值，多條延遲線時(shí)，頻率范圍最好有交疊，來確保覆蓋整個(gè)頻率范圍。

　　圖5是一個(gè)創(chuàng)建TRL校準(zhǔn)套件的例子。

圖5 一個(gè)創(chuàng)建TRL校準(zhǔn)套件的例子

　　TRL校準(zhǔn)具體過程

　　創(chuàng)建好TRL校準(zhǔn)套件后，我們就可以開始進(jìn)行TRL校準(zhǔn)了。具體的過程，PNA-X的校準(zhǔn)向?qū)?huì)一步步指導(dǎo)我們?nèi)绾尾僮鳌?/p>

　　下面我們以4端口校準(zhǔn)為例，簡單的說明下如何進(jìn)行TRL校準(zhǔn)，圖6即TRL校準(zhǔn)向?qū)У囊粋€(gè)步驟。

圖6 TRL校準(zhǔn)向?qū)?/p>

　　TRL校準(zhǔn)后的測量結(jié)果

　　被測件是Display Port電纜，長度為2米。根據(jù)Display Port電纜的指標(biāo)，我們知道頻率不超過300MHz時(shí)，2米長的Display Port電纜，其損耗大概為2dB，基本上是單位長度上的損耗為1dB。圖7即Display port 電纜測量的設(shè)置環(huán)境，兩塊PCB板，剛好各自對應(yīng)半個(gè)直通長度。

圖7 Display Port 電纜測量的設(shè)置環(huán)境

　　從圖8中，我們可以得到Display Port電纜測量的最終結(jié)果，當(dāng)頻率為300MHz時(shí)，S21=-2.1110dB，接近-2dB，滿足相關(guān)指標(biāo)。

圖8 基于 PNA-X 的Display Port 電纜測量結(jié)果

　　結(jié)語

　　TRL校準(zhǔn)是一種非常精確的校準(zhǔn)方式，尤其適用于網(wǎng)絡(luò)分析儀的非同軸測量。本文詳細(xì)探討了有關(guān)TRL校準(zhǔn)的整個(gè)環(huán)節(jié)，從設(shè)計(jì)TRL標(biāo)準(zhǔn)件的要求，到設(shè)計(jì)TRL校準(zhǔn)件參數(shù)的確定，TRL校準(zhǔn)件設(shè)計(jì)后的驗(yàn)證，以及TRL校準(zhǔn)時(shí)的具體過程，最后到完成這次非同軸測量，方方面面都涵蓋了，希望能為大家以后進(jìn)一步研究TRL校準(zhǔn)提供相應(yīng)的參考。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1. Agilent Technologies “In-fixture Microstrip Device Measurements Using TRL* Calibration”, Product Note 8720-2, 1991.

　　2. Agilent Technologies “Applying the 8510 TRL Calibration for Non-Coaxial Measurements”, Product Note 8510-8A, May 2001.

　　3. Agilent Technologies “In-fixture Measurement using vector network analyzer”, Application Note 1287-9, Jan 2006.

　　4. Agilent Technologies “Specifying Calibration Standards and Kits for Agilent Vector Network Analyzer”, Application Note 1287-11, Aug 2007.

　　5. Agilent Technologies “Applying Error Correction to Network Analyzer Measurement”, Application Note 1287-3, Mar 2002.