通過設計、校準固件改善器件的S參數測量

本篇應用筆記描述了在測量元器件S參數時，如何校正和減小由測試固件引起的誤差。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低噪聲放大器的實例。

測量誤差

矢量網絡分析儀(VNA)測量中的誤差可以分為三類：

漂移誤差——校準后，當測試系統性能變化時出現的誤差；

漂移誤差——此誤差可看作隨時間變化的函數；

系統誤差——包括失配、泄漏以及系統頻率響應。

校準是從網絡分析儀測量中消除上述誤差的過程。為使漂移誤差最小，測試裝置應該在適當的頻率下校準，并保持在恒溫條件下?？梢酝ㄟ^窄帶中頻(IF)濾波和取平均的方法降低隨機誤差或類似噪聲的誤差。大多數VNA都包含軌跡平均模式，利用這種模式經過若干次掃描取平均后可以減小突發性的隨機誤差。

添加微帶線器件支持固件校準

網絡分析儀能夠利用測量標定的方式提高精度，這需要使用含適當連接器的標定組件，通常采用同軸連接器。由于我們要測試的器件為“非標準”連接器，無法使用同軸連接器標定組件。增加一個固件可以滿足連接待測器件(DUT)與測試設備接口的需要，即實現“非同軸”連接器和同軸連接器的連接。

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

消除由固件引入的誤差有三種基本方法：建模、分解和直接測量。本應用筆記描述的是用直接測量的方法修正誤差。直接測量的優點是不需要預先獲得固件的精確指標，這些指標是在校準過程中測試的。直接測量最簡單的形式是響應校準，這是一種標準形式。參考軌跡儲存在存儲器中，此后顯示的軌跡數據都與內存數據相除后得到。

響應校準只需要一個傳輸(穿過)和反射(短路或斷路)的標準，這個標準通過采用與測試電路相同的基板建立校準電路獲得。首先建立一個由50Ω傳輸線組成的傳輸標準，反射標準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，線段長度與測試電路相同，并且短路線應在測試板的參考面上。假定待測器件與固件間的接觸面為參考面。這些校準標準，即每個固件端口有一種“傳輸”和兩種“短路”標準，直接設計在固件PCB上。

測量精度很大程度上取決于校準標準，校準的傳輸和短路標準由特征阻抗為50微帶傳輸線構成，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”的電氣長度直接決定了測量精度。

直接測量最簡單的形式就是響應校準。由于缺乏對信號源和負載失配的修正，響應校準存在固有的弱點，信號源和負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。失配問題在反射測量中是非常令人棘手的問題。以下是一個針對低噪聲放大器(LNA) MAX2648的固件范例，LNA工作于5GHz至6GHz頻率范圍內。

MAX2648實例

圖1所示為測量裸片級封裝(UCSP MAX2648 S參數的固件。

注意通常用微帶線實現電路板邊緣的同軸連接器到DUT之間的RF信號傳輸。低損耗、寬帶同軸電纜用于連結固件電路板與網絡分析儀。固件的微帶線與信號源和負載相匹配，這里假定為50Ω。業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度就非常重要。用ADS測量50Ω反射的兩個仿真結果如圖2、圖3所示。圖中以45Ω作為特征阻抗，對兩種不同的傳輸線長度進行了仿真。

結論

阻抗失配引起的反射測量誤差可以通過選擇適當的傳輸線長度而降至最小。通過設計包括額外傳輸線的測試固件電路板作為測量器件S參數的輔助手段，這些額外的傳輸線提供了一條傳輸路徑和一條校準用的短路反射路徑。