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置入夾具的標準之特性分析
 

【作者: Loren Betts】   2000年10月01日 星期日

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包括PCS與蜂巢式行動電話在內的許多產品,它們的元件與子系統都不斷地小型化,因此幾乎不再使用同軸接頭做為內部互連的方法。這些產品中的帶通濾波器可能只有幾公分長,並且直接固定在PC電路板上,而不使用任何接頭。於是在使用向量網路分析儀來評估元件的特性時就會產生問題,因為分析儀將沒有一個詳細量測過特性的介面(待測元件的接頭)可以連接。


測試夾具則可以解決這個問題,只要它製造精良、特性完全已知,而且其效應可以從量測結果中消除,便是一個理想的解決方案。夾具必須經過校準,通常是透過一種「短路-開路-負載-穿透」(Short-open-load-through;SOLT)的校準技術來執行。對於評估行動電話的帶通濾波器所用的夾具執行校準,提供了一個很好的範例,可以讓我們瞭解必須考慮的一切細節及整個過程。


在(圖一)中顯示一個用於測試帶通濾波器的範例[SF1]夾具。這個夾具的SMA接頭就是網路分析儀的介面,而「彈簧」型的接頭則可以連接待測濾波器。夾具在放置好穿透標準的時域中的特性,顯示於(圖一)b。夾具的轉態可以輕易辨識出來,游標1和4分別顯示SMA輸入與輸出接頭的轉態,游標2和3則顯示輸入與輸出的「彈簧」接頭的轉態。在游標2與3之間是穿透標準的反射係數,可用來計算傳輸線的阻抗。


《圖一 帶通濾波器測試夾具,以及當穿透標準位於適當的位置時,該夾具在時域中的特性》
《圖一 帶通濾波器測試夾具,以及當穿透標準位於適當的位置時,該夾具在時域中的特性》

在時域中,網路分析儀的閘功能可用來移除量測結果中,從夾具取得的資料以外的其他所有資料。至於夾具的匹配情形,稍後可在頻域中利用閘功能來加以分析(圖二)a。此時,閘的起點是SMA轉態,終點是輸入的「彈簧」接頭。圖二b顯示啟動閘功能時,夾具的頻率響應。2GHz的匹配大約是25dB。如果濾波器的匹配是20dB,則量測的不確定性會很高,通常會以漣波的形式出現在資料軌跡當中。


《圖二 使用閘功能時,在時域中檢視到的夾具匹配,以及它的頻率響應》
《圖二 使用閘功能時,在時域中檢視到的夾具匹配,以及它的頻率響應》

置入夾具的標準

置入夾具(In-fixture)的一組標準包括短路、開路、負載和穿透,它們的大小和DUT一樣,因此可以在校準時置入夾具中。「彈簧」接腳也可以根據標準和DUT,進行同樣程度的壓縮,這將有助於定義量測平面。定義量測平面是校準過程中很重要的一環,因為它是分析儀進行量測之所在。因此,仔細地決定這個點,可確保在量測平面之前所發生不想要的電氣特性,不會包含在結果中。量測平面最好是在DUT的RF連接處。


短路標準是指一個導電材料區塊,開路標準則是一個非導電的介電區塊。負載標準包含2個平行的100Ω電阻,連接到端點為金屬接面的短路微帶線(Microstrip Line),此金屬接面是置入夾具時「彈簧」接腳所接觸的地方,在此接腳只會接觸金屬接面。使用平行電阻可以降低串接電感,進而加強負載元件的性能。穿透標準是一條微帶傳輸線,在置入夾具時可將兩個「彈簧」接腳連在一起。


校準標準的特性必須先決定好,而且這項電氣資料(會形成校準套件定義)也必須輸入網路分析儀,以便執行必要的誤差修正措施。這項校準資料包括阻抗、頻率、損耗、延遲、邊緣電容及電感的值。舉例來說,開路標準可能會在與夾具的介面處產生偏移,因此這項資訊會以偏移延遲、偏移阻抗和偏移損耗輸入。開路標準也可能在開路連接處產生「邊緣」電容,這一部份同樣也必須包含進來。其他標準也擁有必須量測及輸入分析儀的類似特性。


標準的特性分析

第一步就是在低損耗彈性微波纜線,在與測試夾具配對的接頭中形成阻抗匹配的位置執行校準。執行校準時,必須在分析儀中使用正確的校準套件和相關的校準套件定義。Agilent 8720ES向量網路分析儀及85052D校準套件與定義檔,可用來執行此項校準。接著必須將夾具連接到分析儀,並且放置一個游標在1GHz處。由於偏移延遲方程式要求穿透標準的注入損耗需在1GHz處量測,所以其餘的量測也必須在此頻率下進行,以達到一致性。開路標準的項目(C0到C3),在這個頻率下不會產生太大的影響。分析儀的設定如下:


開始頻率 50 MHz


停止頻率 20.05 GHz


點數 401


時域模式 低通步進


校準 雙埠SOLT


短路標準被定義為具有統一的反射及180度的相位位移,並且會定義量測平面所在的位置。短路標準必須置入夾具中,分析儀會被設定量測S11,格式則設為相位。


接下來必須調整量測埠1的量測埠延伸,直到游標所出現的相位顯示為180度為止。在調整量測埠延伸時,將顯示畫面的參考值設為180度,可以避免從+/-180度所產生的跳頻。測得的結果值代表量測平面的偏移,並且應該加以儲存以供往後使用,因為它是定義其餘標準的基礎。短路的偏移與量測平面的距離為0,因此偏移損耗與阻抗是無關的。


開路標準被定義為具有統一的反射,但沒有相位位移。不過實際的開路可能會因為邊緣電容,而產生某些相位位移,這個電容與偏移參數都必須加以量測。開路標準會被置入夾具中,量測埠1的量測埠延伸則會使用為短路標準所決定的值。分析儀必須設定量測S11,格式則會變成史密斯圖表(Smith Chart)。


如果短路標準在電氣特性方面比開路標準還要長,則分析儀會量測電感而非電容。開路的相位似乎是正的,這意謂電容應該是負的(亦即史密斯圖表上面的軌跡,會如(圖三)所示的逆向旋轉(逆時針方向)。如果發生此種情形,偏移長度必須透過量測埠1的量測埠延伸加以調整,就像對短路標準所做的動作一樣,直到相位響應變成負的為止。短路與開路的量測埠延伸值之間的差異會是負的,因為開路的量測埠延伸縮短了。這個負值必須輸入校準套件定義作為偏移長度,單位是一兆分之一秒。將這個新的偏移擺在適當的位置,現在史密斯圖表(圖四)就會顯示電容而非電感了。


《圖三 當短路標準在電氣方面比開路短時,所呈現的史密斯圖表》
《圖三 當短路標準在電氣方面比開路短時,所呈現的史密斯圖表》

《圖四 當偏移在適當位置時,現在史密斯圖表就會顯示電容而非電感》
《圖四 當偏移在適當位置時,現在史密斯圖表就會顯示電容而非電感》

邊緣電容被視為校準套件定義中的「分路」元件,所以史密斯圖表中的游標應改為顯示導納(G+jB)。您應該記錄游標設在1GHz時的這個邊緣電容(Co)。在頻率高達3 GHz左右時,高值位的邊緣電容項目C1到C3就微不足道了。邊緣電容必須輸入校準套件定義中。


穿透標準的偏移參數也必須進行特性分析,包括偏移延遲、偏移阻抗和偏移損耗。量測偏移延遲時,必須將穿透標準置入夾具中,並在穿透的輸出「彈簧」接腳這端接上一小截銅線。量測埠延伸應設成從短路標準所決定的值。現在就要開始量測S11參數,而且格式會變更為相位。如同短路標準一樣,亦應調整量測埠1的量測埠延伸,直到游標所在的相位顯示為180度為止。在調整量測埠延伸時,將顯示畫面的參考值設成180度,同樣有助於避免從+/-180度所產生的跳頻。您必須記錄游標設在1GHz時的值,這個值與短路標準的量測值之間的差即為偏移延遲。這項延遲必須輸入校準套件定義中。


現在分析儀會切換成時域低通步進模式,並且會量測S11。在時域量測中,量測的格式必須設為實數(Real)。分析儀會顯示線性反射係數,至於穿透標準的偏移阻抗,則可以透過將游標放在兩個「彈簧」轉態之間來決定(圖五)。反射係數是由方程式1(圖六)所定義,Z值(穿透標準的特性阻抗)可以藉此計算出來。


《圖六 方程式》
《圖六 方程式<1>》

偏移損耗是藉由將格式變更回對數,並在接好銅線時量測S11所測得的。量測埠1的量測埠延伸會調整為短路標準的量測值,而且游標會設在1 GHz。進行單次掃描,並將得到的結果資料儲存到記憶體中。如果響應有所不同,可以使用平均係數8。接著以一小段的非導電介電材料(紙張的效果不錯)來取代銅線。執行單次掃描,並且記錄資料軌跡與記憶體軌跡值。理論上這些軌跡應該完全相同,不過當錯誤信號與量測信號產生互動時,信號源匹配和方向性誤差就會產生某些差異。


這兩個軌跡的平均值,是穿透標準及夾具的量測埠1這側的雙向注入損耗(圖七)。夾具的量測埠1這側的雙向損耗,可利用相同的技術來量測。扣掉夾具的損耗,即可得到穿透標準的雙向注入損耗。將這個數字除以2,則可得到穿透的注入損耗,單位是dB。校準套件定義的偏移損耗的單位是Gohm/s。方程式2(圖八)可以用來計算這個值,其中Zo的單位是歐姆(針對穿透標準計算出來的Z值),損耗的單位是dB,延遲的單位則是秒。 負載標準的偏移延遲與阻抗都必須加以調整,方法是使用分析儀的閘功能來消除夾具的效應。負載標準必須置入夾具中,量測埠1的量測埠延伸仍然使用量測短路標準時所決定的值。分析儀必須切換成時域模式。閘的終點與起點必須設定好,以便從量測結果中消除夾具的效應(圖九)a。


《圖八 方程式》
《圖八 方程式<2>》
《圖九 在時域模式下設好閘的起點和終點,以便從量測結果中消除夾具的效應,史密斯圖表會記錄測得的電感值》
《圖九 在時域模式下設好閘的起點和終點,以便從量測結果中消除夾具的效應,史密斯圖表會記錄測得的電感值

在啟動閘功能的情況下,會關閉轉換功能,格式也會變成史密斯圖表。這些值應該被視為串聯電感,因此游標的格式必須變成R+jX。測得的電感值會記錄下來,如(圖九)b所示。對於試圖透過反覆操作來決定偏移延遲與偏移阻抗的目標來說,這是一個「正確」的值。


短路、開路和穿透校準套件定義都必須輸入分析儀,並且必須推測連接到負載元件的微帶線之偏移長度與阻抗。這個值必須輸入分析儀,並需使用置入夾具的標準來執行單一量測埠校準。負載元件會置入,它的匹配(S11)則以史密斯圖表格式來量測。測得的電感值必須與先前記錄的值相比較。偏移延遲與偏移阻抗必須接受調整,直到校準後的電感值,與先前使用閘功能所記錄的值幾乎一樣為止。反覆測量所得到的值,即為負載標準的偏移長度和阻抗。在此因為偏移長度很短,所以偏移損耗會被忽略。(表一)顯示使用夾具的標準之最終校準套件定義。表格下方所顯示的值,代表一個理想的校準套件定義。透過這個過程所得到的值,顯示出雖然校準標準很精確,但結果並不完美,而且經常會出現一些差異。



《表一 最終的校準套件定義》
《表一 最終的校準套件定義》

結果

準確的校準操作會產生完全相同的S21和S12響應。在(圖十)a中,使用表一下方的簡單校準套件定義所得到的結果,顯示出在某些頻率下,軌跡的差異可能會多達3dB(例如在游標3所顯示者)。校準套件定義與校準標準不符,是發生這種差異的主要原因。舉例來說,穿透標準被假設長度等於0,這就與實際執行時的情況不符。新校準套件定義所得到的結果,會顯示於(圖十)b。這兩個軌跡的差異不超過0.1 dB,情況明顯改善了許多。要將校準套件定義輸入網路分析儀,可以利用www.vnahelp.com中的VNACal套件管理員。(作者任職Agilent Technologies Santa Rosa,CA)


《圖十 最初的校準套件定義會產生中的響應,這種情形在使用新的校準套件定義後可明顯獲得改善》
《圖十 最初的校準套件定義會產生中的響應,這種情形在使用新的校準套件定義後可明顯獲得改善》
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