校准:怎样设计和验证TRL校准件以及TRL校准的具体过程

2014-09-12 来源:安捷伦公司作者:刘迪 我要评论(0) 字号:

我们大家都知道传统的SOLT校准,即短路-开路-负载-直通校准,SOLT校准操作方便,测量准确度跟标准件的精度有很大关系,一般只适合于同轴环境测量。而TRL(Thru, Reflect, Line)校准是准确度比SOLT校准更高的校准方式,尤其适合于非同轴环境测量,例如PCB上表贴器件,波导,夹具,片上晶圆测量。SOLT校准通过测 量1个传输标准件和三个反射标准件来决定12项误差模型,而TRL校准是通过测量2个传输标准件和一个反射标准件来决定10项误差模型或者8项误差模型, 取决于所用网络分析仪的接收机结构。

TRL校准极其准确,在大多数的场合中比SOLT校准准确多了。但是,很少有直接的TRL校准件存在,一般要求用户根据所用夹具的材料及物理尺寸, 工作频率,来设计制造出相应的TRL校准件。用户使用网络分析仪测量元器件时,采用不同的夹具,就要设计不同的TRL校准件,因此,对于用户来说,有一定 的难度和挑战性。但事实上,由于TRL校准的标准件不需要制作的像SOLT校准的标准件那么精确,TRL校准的精度只是跟TRL标准件的质量,重复性部分 相关,而不是完全由标准件决定,因此,TRL校准的标准件跟SOLT相比更容易制作,它们的特性也更容易描述。

1、TRL标准件的要求

1.1 TRL标准件的要求

通常来说,TRL标准件的要求如下:

(1)   直通标准件

电气长度为0时,无损耗,无反射,传输系数为1;电气长度不为0时,直通标准件的特性阻抗必须和延迟线标准件相同,无须知道损耗,如果用作设为参考测量面,电气长度具体值必须知道,同时,如果此时群时延设为0的话,参考测量面位于直通标准件的中间。

(2)   反射标准件

反射系数的相位必须在正负90度以内,反射系数最好接近1,所有端口上的反射系数必须相同,如果用作参考测量面的话,相位响应必须知道。

(3)   延迟线/匹配负载

延迟线的特性阻抗作为测量时的参考阻抗,系统阻抗定义为和延迟线特性阻抗一致。延迟线和直通之间的插入相位差值必须在20度至160度之间(或-20度至-160度),如果相位差值接近0或者180度时,由于正切函数的特性,很容易造成相位模糊。另外,最优的相位差值一般取1/4波长或90度。

当工作频率范围大于8:1时,即频率跨度与起始频率比值大于8时,必须使用1条以上的延长线,以便覆盖整个频率范围。当工作频率太高时,1/4波长的延迟线物理尺寸很短,不好制作,这时候,最好是选择非0长度的直通,利用两者差值,来增大延迟线的物理尺寸。

匹配的阻抗同样确立测量时的参考阻抗,同时,匹配负载在各个测试端口的反射系数必须相同。

1.2 TRL标准件设计时的考虑

以上都是对TRL校准件的通常要求,具体设计时,一般有以下考虑:

(1)   PCB上连接头的一致性越好,损耗越低,TRL校准件的效果就越理想。
(2)   直通标准件设定了参考测量面,如果是测量多端口器件时,直通标准件尽量长一些,以减少连接头之间的串扰,但是也不用太长,以免浪费空间。
(3)   参考测量面最好定在直通标准件的中间,这样的话电磁场相对参考测量面是对称的。
(4)   开路标准件实现起来最容易,但是由于开路标准件存在边缘电容效应,所以我们必须通过测量或者3D-EM仿真来获得开路标准件的边缘电容。
(5)   短路标准件实现起来要麻烦些,因为要确切的知道放置短路标准件过孔的位置,保证过孔的边缘刚好放置在短路标准件的末端。同时,短路标准件的好坏还取决于过孔的钻孔技术,一般说来激光打孔比普通的机械钻孔技术要好很多。
(6)   负载标准件通过2个100 ohm的表贴阻抗来实现,一般来说,设计一个低频下的负载要比高频下容易的多,这也是为什么高频下设计校准标准件时要采用多条延迟线标准件的原因之一。
(7)   延迟线的相位跟信号传播时的相速,对应频率,有效介电常数有关。微带线由于没有一个固定的介电常数,所以必须使用有效介电常数来考虑空气和PCB板材混合后带来的影响。
(8)   设计时,多条延迟线的频率范围最好有重叠,这样能够保证多条延迟线能够覆盖我们要求的频率范围。

2、TRL标准件的设计

2.1 具体参数的确定

考虑设计一个基于Rogers 4350板材的TRL校准件,工作频率范围从10MHz到20GHz,Rogers 4350板材的介电常数为3.48±0.05,直通设计为非0长度,则各个标准件的具体参数如下图所示:

图1、TRL校准件中各个标准件的具体参数

从图1中我们可以知道各个标准件的实际物理尺寸,然后就可以开始在PCB上布局,布线,最后进行制板了,大致的效果如下图2所示。

3、TRL标准件设计后的验证

TRL校准件做好之后,我们就要开始验证我们制作的TRL校准件到底好不好。对于短路和开路校准件,我们只要保证短路或开路标准件在各个测试端口的反射系数相等就好了,至于开路标准件的边缘电容,短路标准件的驻留电感,可以都设为0;至于负载标准件,只要保证终止频率时,阻抗能为50欧姆或者接近50欧姆就可以了;而对于直通标准件,就没什么具体要求了。

TRL标准件设计后最重要的验证是对延迟线频率范围的确定,由于要求延迟线标准件与直通标准件的相位差位于20度到160度,所以我们可以通过memory trace来测量出延迟线标准件与直通标准件的相位差,根据相位差从20度到160度,我们可以确定相应的频率范围,如图3所示,从图3我们可以知道,Line1的频率范围是从101MHz到820MHz,满足我们最初设计时对Line1的要求。同样的,Line2也是采用相同的方法来确定频率范围。此时,也能够测量出Line1,Line2和直通标准件之间的时延差,这将会在新建TRL校准套件时候用到,图4是Line1的时延测量值。

图2、TRL校准件布局大致效果图

图3、通过PNA-X验证Line1的频率范围

图4、基于PNA-X的Line1的时延测量值

4、TRL校准

4.1 创建TRL校准套件

完成了TRL标准件的验证后,我们就可以开始创建新的TRL校准套件,创建的过程很简单,总的说来要注意以下几点:

(1)   短路,开路,负载标准件都只需确定频率范围,以及连接头类型。
(2)   直通标准件也只需确定频率范围,连接头类型,同时时延为0。
(3)   延迟线标准件,需要确定频率范围,时延值,多条延迟线时,频率范围最好有交叠,来确保覆盖整个频率范围。

图5是一个创建TRL校准套件的例子。

图5、一个创建TRL校准套件的例子

4.2 TRL校准具体过程

创建好TRL校准套件后,我们就可以开始进行TRL校准了。具体的过程,PNA-X的校准向导会一步步指导我们如何操作。

下面我们以4端口校准为例,简单的说明下如何进行TRL校准,图6即TRL校准向导的一个步骤。

图6、TRL校准向导

5、TRL校准后的测量结果

被测件是Display Port电缆,长度为2米。根据Display Port电缆的指标,我们知道频率不超过300MHz时,2米长的Display Port电缆,其损耗大概为2dB,基本上是单位长度上的损耗为1dB。图7即Display port 电缆测量的设置环境,两块PCB板,刚好各自对应半个直通长度。

从图8中,我们可以得到Display Port电缆测量的最终结果,当频率为300MHz时,S21=-2.1110dB,接近-2dB,满足相关指标。

图7、Display port 电缆测量的设置环境

图8、基于PNA-X的Display Port电缆测量结果

6、结论

TRL校准是一种非常精确的校准方式,尤其适用于网络分析仪的非同轴测量。本文详细探讨了有关TRL校准的整个环节,从设计TRL标准件的要求,到设计TRL校准件参数的确定,TRL校准件设计后的验证,以及TRL校准时的具体过程,最后到完成这次非同轴测量,方方面面都涵盖了,希望能为大家以后进一步研究TRL校准提供相应的参考。

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