CN101790690B - 非接触式测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及非接触式测量系统，该非接触式测量系统具有至少一个测试探针(28)，测试探针(28)形成用于对信号波导(26)上所传输的信号进行非接触式解耦的耦合结构部分，其中，信号波导(26)被配置为电路板(24)上的电路导体和电路部分(52)。为此，在电路板(24)上配置及布置了至少一个接触结构(18；44)，从而使得接触结构(18；44)与信号波导(26)电流地分离、形成耦合结构部分、完全位于信号波导(26)的近场内、并且具有能够与测试探针(28)的触点电接触的至少一个接触点(42)。

Description

非接触式测量系统
技术领域
根据权利要求1的前序部分，本发明涉及一种非接触式测量系统，该非接触式测量系统包括至少一个测试探针，该测试探针形成用于对信号波导上所传输的信号进行非接触式解耦的耦合结构部分，其中，该信号波导被配置为电路的电路板上的导电线和一部分电路。根据权利要求17的前序部分，本发明还涉及一种用于非接触式测量系统的校准基板，该非接触式测量系统包括至少一个测试探针，该测试探针形成用于对信号波导上所传输的信号进行非接触式解耦的耦合结构部分，其中，所述校准基板上设置有至少一个校准元件，特别地，短路标准件、开路标准件、电阻标准件或导体标准件，其中，所述至少一个校准元件电连接至所述至少一个信号波导，特别地，微带传输线或共面波导。 
背景技术
从例如T.Zelder，H.Eul，″Contactless network analysis withimproved dynamic range using diversity calibration″，Proceedingsof the 36th European Microwave Conference，Manchester，UK，pages 478 to 481，September 2006或者T.Zelder，H.Rabe，H.Eul，″Contactless electromagnetic measuring system usingconventional calibration algorithms to determine scatteringparameters″，Advances in Radio Science-KleinheubacherBerichte 2006，vol.5，2007中已知，通过非接触式矢量网络分析来确定嵌入在复杂电路内的电组件的散射参数。与传统的触点回跳(contact-bound)网络分析方法相比，利用非接触式近场测 量探针替代网络分析器的内定向耦合器，其中这些非接触式近场测量探针直接连接至该分析器的矢量测量点。这些测量探针位于被测量对象的信号线之上。这些探针可以对共面导体的电磁场起到电感和/或电容的作用。为了测量散射参数，使用了传统的校准方法，诸如用于触点回跳网络分析的方法。 
在非接触式矢量网络分析中，对于作为未知测试对象(被测试的装置-DUT)的每个测量端口，需要至少一个测量探针，例如，导体环或两个电容式探针。从例如F.De Groote，J.Verspecht，C.Tsironis，D.Barataud and J.-P.Teyssier，″An improvedcoupling method for time domain load-pull measurements″，European Microwave Conference，vol.1，pages 4 ff.，October2005中已知，使用由同轴半刚性线制成的非接触式导体环。相反，从T.Zelder，H.Eul，″Contactless network analysis withimproved dynamic range using diversity calibration″，Proceedingsof the 36th European Microwave Conference，Manchester，UK，pages 478 to 481，September 2006或者T.Zelder，H.Rabe，H.Eul，″Contactless electromagnetic measuring system usingconventional calibration algorithms to determine scatteringparameters″，Advances in Radio Science-KleinheubacherBerichte 2006，vol.5，2007中已知，在非接触式测量系统中专门使用电容式探针。从T.Zelder，I.Rolfes，H.Eul，″Contactlessvector network analysis using diversity calibration withcapacitive and inductive coupled probes″，Advances in RadioScience-Kleinheubacher Berichte 2006，vol.5，2007 and J.Stenarson，K.Yhland，C.Wingqvist，″An in-circuit noncontactingmeasurement method for S-parameters and power in planarcircuits″，IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，vol.49，No.12，pages 2567 to 2572，December 2001中已知，利用电容式探针和电感式探针的组合来实现测量系统。 
尽管非接触式矢量网络分析具有非接触地表征组件的可能，然而，至今都未进行对嵌入在电路内的HF和微波组件的非接触式散射参数测量。如果在电路内进行测量，则必需在校准期间及之后改变非接触式探针的位置。然而，由于探针定位的最小偏差将导致明显的测量误差，这意味着为了在对校准标准件和测试对象进行测量期间再现测试探针位置时的高复杂度。 
发明内容
本发明的目的在于，提供上述类型的非接触式测量系统，从而能够省去昂贵且复杂的耦合探针定位。 
根据本发明，通过具有权利要求1所述特征的上述类型的非接触式测量系统以及具有权利要求17所述特征的上述类型的校准基板来实现这个目的。在其它权利要求中描述了本发明的优选实施例。 
通过根据本发明所提供的上述类型的非接触式测量系统，在电路板上配置及布置了至少一个接触结构，其中，所述接触结构与信号波导电流地分离、形成耦合结构部分、完全布置在信号波导的近场内、并包括能够与测试探针的触点电接触的至少一个接触点。 
这具有以下优点：接触结构以及这样的整个耦合结构具有精确限定的相对于信号波导的几何布置，从而可以省去对耦合结构的手动定位。可以容易地实现信号波导与耦合结构之间的可再生耦合。 
适当地，将接触结构配置为电路板上的导电线。 
特别地，由于接触结构被配置为使得该接触结构能被测试 探针以阻抗受控方式接触，所以可以实现良好的信号耦合。 
至少一个接触结构被配置为，例如，具有内导体和外导体的耦合波导，或者用于接触测试探针的至少一个接触点或接触面。 
适当地，接触结构和/或信号波导被配置为电路板上的印刷导电线。 
例如，电路板被配置为印刷电路板(PCB)或晶片。 
由于接触结构被配置为波导，所以实现了最佳定向阻尼或具有宽带绝缘的端口，其中，电感对电容耦合系数之比等于接触结构的各个波导的波阻抗的乘积。 
在一个示例性实施例中，耦合结构的每个测量端口具有至少一个接触结构，特别地，具有两个接触结构。 
在一个优选实施例中，电路板是具有多个基板层的多层板，其中，信号波导被配置在多层板的第一基板层上，且至少一个接触结构被配置在多层板的第一基板层或至少一个其它基板层上。 
作为示例，至少两个接触结构被布置在多层板的不同基板层上。 
在特别优选的实施例中，至少一个接触结构具有被配置及布置为与晶片或PCB上测试探针的接触产生阻抗受控接口的接触点。 
为了快速且简单地校准非接触式测量系统，在电路板上还布置了至少一个校准元件，所述校准元件连接至至少一个信号波导，其中，至少一个接触结构被布置在至少一个信号波导上，使得接触结构在校准元件的信号波导上的布置与接触结构在电路的信号波导上的布置相对应。 
至少一个校准元件连接至与非接触式测量系统的测量端口 的数量相对应数量的信号波导。 
为了向校准元件和电路提供同样的耦合状态和最佳校准，分配给非接触式测量系统的测量端口的、在校准元件的信号波导上的至少一个接触结构被配置为与分配给非接触式测量系统的该测量端口的、在电路的信号波导上的至少一个接触结构相同。 
通过根据本发明所提供的上述类型的校准基板，该校准基板被配置为电路板，其中，在所述电路板上配置及布置至少一个接触结构，从而使得所述接触结构与信号波导电流地分离、形成耦合结构部分、完全布置在信号波导的近场内、并具有能够与测试探针的触点电接触的至少一个接触点。 
这带来了接触结构以及这样的整个耦合结构具有精确限定的相对于信号波导的几何布置的优点，从而可以省去对耦合结构的手动定位。可以容易地实现信号波导与耦合结构之间的可再生耦合。 
如上所述，优选地配置非接触式测量系统，其中，分配给非接触式测量系统的测量端口的、在校准元件的信号波导上的至少一个接触结构被配置为与分配给非接触式测量系统的该测量端口的、在电路的信号波导上的至少一个接触结构相同。 
至少一个校准元件连接至与非接触式测量系统的测量端口的数量相对应数量的信号波导。 
适当地，在校准基板的电路板上，至少一个电路配置有至少一个信号波导，其中，在至少一个信号波导上布置有至少一个接触结构，使得接触结构在信号波导上的布置与接触结构在校准元件的信号波导上的布置相对应。 
在优选实施例中，分配给非接触式测量系统的测量端口的、在校准元件的信号波导上的至少一个接触结构被配置为与分配 给非接触式测量系统的该测量端口的、在电路的信号波导上的校准基板上至少一个接触结构相同。 
附图说明
现在，将参考附图更详细地描述本发明，其中： 
图1示出根据本发明的具有矢量网络分析器的非接触式测量系统的优选实施例的示意性电路框图， 
图2示出用于根据本发明的非接触式测量系统的接触结构的第一优选实施例， 
图3示出用于根据本发明的非接触式测量系统的接触结构的第二优选实施例， 
图4以平面图示出用于根据本发明的非接触式测量系统的根据本发明的校准基板的第一优选实施例， 
图5示出用于根据本发明的非接触式测量系统的接触结构的示例性的可选实施例， 
图6示出用于根据本发明的非接触式测量系统的接触结构的另一示例性的可选实施例， 
图7示出用于根据本发明的非接触式测量系统的接触结构的另一示例性的可选实施例， 
图8示出用于根据本发明的非接触式测量系统的接触结构的另一示例性的可选实施例， 
图9示出用于根据本发明的非接触式测量系统的接触结构的另一示例性的可选实施例， 
图10示出用于根据本发明的非接触式测量系统的接触结构的另一示例性的可选实施例， 
图11示出用于根据本发明的非接触式测量系统的接触结构的另一示例性的可选实施例， 
图12示出用于根据本发明的非接触式测量系统的接触结构的另一示例性的可选实施例， 
图13示出用于根据本发明的非接触式测量系统的接触结构的另一示例性的可选实施例， 
图14以平面图示出用于根据本发明的非接触式测量系统的根据本发明的校准基板的第二优选实施例，以及 
图15以平面图示出用于根据本发明的非接触式测量系统的根据本发明的校准基板的第三优选实施例。 
具体实施方式
图1所示的根据本发明的非接触式测量系统的优选实施例包括具有信号源12的矢量网络分析器10、信号线14和16以及具有4个耦合波导18的接触结构，其中，每个耦合波导18均具有内导体20和外导体22。耦合波导18被配置为印刷电路板24上的印刷导电线。同样，信号波导26也被配置为布置在印刷电路板24上的印刷导电线。信号波导26是设置在印刷电路板24上的具有对应电子组件的电子电路部分(未具体示出)。 
耦合波导18与测试探针28一起形成用于非接触式测量系统的耦合结构，以对沿信号波导26传输的电磁波进行非接触式解耦。每个测试探针28均在一侧产生与耦合波导18的电接触，并在另一侧产生与矢量网络分析器10的测量端口30、32、34、36的电接触。 
耦合波导18几乎可以为任意形状。特别地，以阻抗受控方式配置耦合波导18是有利的，即，该布置的特征波阻抗值是已知的并且对于低反射是最佳的。阻抗受控接触结构的优点在于，可以实现最佳定向阻尼和在宽的带宽上绝缘的端口。 
图2和图3示出这种类型的阻抗受控耦合波导18的两个示 例。图2所示的耦合波导18包括U形内导体20和外导体22。可以以不同的方式配置外导体22。首先，外导体22可以闭合，即如图2中用虚线所示，外导体臂38和40在坐标z＝0处闭合，其次，可以使外导体臂38、40的末端沿z分离。例如，臂38、40的末端在位置+z1和-z1处，或者如图2所示在位置+z2和-z2处。通过内导体20相对于外导体22的布置，耦合波导18与弯曲的共面波导相对应。可以对这个耦合波导18进行各种变型。图3示出了不具有角的变型。通过此处的示例，外导体臂38和40在位置z＝0处彼此接合。 
根据本发明的接触结构的另一个优点在于，不需要接地的直通触点(电路板24的后侧底部金属化)。然而，不排除利用直通触点将耦合波导18的外导体22接地的可能性。 
为了对来自测试对象(被测试的装置-DUT)的信号波导26的能量进行解耦，使至少一个接触结构或耦合波导18进入各信号波导26的近场。可以使耦合波导18如各信号波导26一样位于同一基板上，或者在多层板的情况下位于另一基板上。然后，将具有耦合波导18的接触结构连接至例如市售的对称晶片或PCB上测试探针。图2和图3中的附图标记42表示测试探针的触点与接触结构或各耦合波导18的接触位置。为了表征N端口测试对象，需要位于N个信号波导26的近场内的至少N个耦合波导18。图1示出具有四个耦合波导18的2端口测试对象(在这情况下，简单导体＝DUT)的示例。 
耦合波导18的几何结构和测试探针28的几何结构都影响该布置的耦合系数。测试探针28连接至例如传统网络分析器的(矢量)接收器，如图1所示。 
现在将描述在平面电路内借助至少一个阻抗受控接触结构或至少一个非阻抗受控接触结构来测量嵌入在该平面电路内的 测试对象的过程。 
该方法主要基于非接触式矢量网络分析的方法。非接触式矢量网络分析的缺点在于，用于得到精确的测量值的方法的使用主要取决于非接触式测试探针的定位精确性。根据本发明，还提供了与传统的测试探针相结合地使用印刷接触结构，而不是与完全非接触式探针相结合地使用复杂的自动定位系统。系统误差校准所必需的测试对象和校准元件的所有信号线，必须设置有至少一个耦合波导18(接触结构)。 
图4示出利用具有印刷耦合波导18的接触结构来实际实现具有嵌入式测试对象(DUT3、DUT4)的校准基板的示例。对于2端口校准，接触结构包括用于每个信号波导26的两个耦合波导18，例如根据图2的实施例配置这些耦合波导。对于N端口校准，需要每个信号波导26具有至少N个耦合波导18的接触结构。当使用差异校准方法时，采用每个信号波导26具有多于N个的耦合波导18的接触结构也是有益的。 
由于耦合波导18的小尺寸，例如，晶片或PCB上测试探针可以再生地定位于各校准元件(线(LINE)1、线2、线3、线4、开路(OPEN)、短路(SHORT))的相同耦合波导18上。一旦校准了该系统，可以确定例如嵌入式组件的散射参数。然而，这些组件的信号线必须具有与校准元件的特性相同的特性(几何结构、波阻抗等)。另外，为了进行校准，相同的接触结构必须存在于嵌入式测试对象(DUT)的每个信号波导26处的平面电路上。 
因此，该方法包括接触结构的放置，例如，以耦合波导18在校准的信号波导26的近场内以及测试对象在电路板24上的形式。耦合波导18布置及配置在电路板24上，从而使得这些耦合波导18几乎不会干扰电路的功能并且还可以连接至例如传统的晶片或PCB上测试探针。 
图5至图13示出接触结构44的各种示例性实施例。接触结构44可以具有非常特别的形状。原则上，可以使用任何期望的形状。为了在信号波导26与耦合波导18、或者信号波导26与测试探针28、或者信号波导26与耦合波导18和测试探针28之间产生可再生耦合，如果接触结构44包括材料面，则接触结构44具有其中放置有测试探针的孔、或者具有其上放置有测试探针的带标记的几何结构。可选地，还可以将接触结构44配置为基板中的槽口。 
图14示出配置在电路板46上的、根据本发明的校准基板的第二优选实施例。利用与如图1和图4中相同的附图标记标识具有相同功能的部分，从而参考以上与图1和图4有关的用于说明这些附图标记的描述。将多个校准元件48布置在校准基板上，并且每个校准元件48连接至一个、两个或三个信号波导26。与根据图4的第一实施例不同，在信号波导26上没有设置耦合波导，而是如图5至图13所示设置了接触结构44。将信号可选地供给在适当的接触位置50处的信号波导26。这种校准基板包括不同的1端口、2端口和3端口校准标准件48和不同的接触结构44。 
图15示出配置在电路板46上的、根据本发明的校准标准件的第三优选实施例。利用与如图1、图4和图14中相同的附图标记标识具有相同功能的部分，从而参考以上与图1、图4和图14有关的用于说明这些附图标记的描述。在这个实施例中，电子电路52还设置有要在校准基板的电路板46上测试的组件54(DUT)。相反，也可以将校准元件48布置在具有电子电路52的电路板46上。校准元件的信号波导26上用于特定测量端口的接触结构44被配置为与电子电路52的信号波导26上用于该测量端口的接触结构44相同。 
为了正确测量N端口测试对象的散射参数，必须校准该测 量系统。根据该校准，需要已知或仅部分已知的M个不同的N端口校准标准件(校准元件48)。对于使用M个校准标准件进行的校准，尽管N个测量端口之间可以是不同的，但是对于每个测量端口，接触结构和信号波导26的几何结构和位置必须是相同的。 
例如，如果要测量2端口对象的散射参数，则对于LLR校准，需要三个2端口校准标准件。例如，可以是不同长度的两个线路和两个短路，其中，每个短路分别代表1端口对象，而两个短路一起对应于2端口对象。三个2端口标准件的每个端口可以包括两个不同的传输线(信号波导26)。在位置和几何结构方面，接触结构44还可以在每个传输线(每个信号波导)上是不同的。然而，信号波导26和接触结构44在校准标准件的各个端口1和DUT48处必须一样。此外，在校准标准件的端口2处，信号波导26和接触结构44必须彼此匹配，尽管它们可以不同于在端口1处的信号波导26和接触结构44。 

Claims (25)

1.一种非接触式测量系统，包括至少一个测试探针(28)，所述测试探针(28)形成用于对信号波导(26)上所传输的信号进行非接触式解耦的耦合结构部分，其中，所述信号波导(26)被配置为电路板(24)上的电路(52)部分和导电线，所述电路板(24)是所述电路(52)的电路板，所述非接触式测量系统的特征在于，在所述电路板(24)上配置及布置了至少一个接触结构(18；44)，从而使得所述接触结构(18；44)与所述信号波导(26)电流地分离，所述接触结构(18；44)形成所述耦合结构部分，所述接触结构(18；44)完全布置在所述信号波导(26)的近场内，并且所述接触结构(18；44)包括能够与所述测试探针(28)的触点电接触的至少一个接触点(42)。
2.根据权利要求1所述的非接触式测量系统，其特征在于，所述接触结构被配置为所述电路板(24)上的导电线。
3.根据前述权利要求中任一项所述的非接触式测量系统，其特征在于，所述接触结构被配置为使得所述接触结构能够以阻抗受控的方式与所述测试探针(28)接触。
4.根据权利要求1所述的非接触式测量系统，其特征在于，至少一个所述接触结构被配置为具有内导体(20)和外导体(22)的耦合波导(18)。
5.根据权利要求1所述的非接触式测量系统，其特征在于，至少一个所述接触结构(44)被配置为用于接触所述测试探针(28)的至少一个接触点或接触面。
6.根据权利要求1所述的非接触式测量系统，其特征在于，所述接触结构(18；44)和/或所述信号波导(26)被配置为所述电路板(24)上的印刷导电线。
7.根据权利要求1所述的非接触式测量系统，其特征在于，所述电路板(24)被配置为印刷电路板(PCB)或晶片。
8.根据权利要求1所述的非接触式测量系统，其特征在于，所述接触结构被配置为波导，其中，电感对电容耦合系数之比等于所述接触结构的各波导的波阻抗的乘积。
9.根据权利要求1所述的非接触式测量系统，其特征在于，所述耦合结构的每个测量端口具有至少一个所述接触结构(18；44)。
10.根据权利要求9所述的非接触式测量系统，其特征在于，所述耦合结构的每个所述测量端口具有两个所述接触结构(18；44)。
11.根据权利要求1所述的非接触式测量系统，其特征在于，所述电路板(24)是具有多个基板层的多层板，其中，所述信号波导(26)被配置在所述多层板的第一基板层上，以及至少一个所述接触结构(18；44)被配置在所述多层板的所述第一基板层或至少一个其它基板层上。
12.根据权利要求11所述的非接触式测量系统，其特征在于，至少两个所述接触结构(18；44)被布置在所述多层板(24)的不同基板层上。
13.根据权利要求1所述的非接触式测量系统，其特征在于，至少一个所述接触结构(18；44)具有接触点(42)，所述接触点(42)被配置及布置为使得与晶片或PCB上测试探针的接触产生阻抗受控接口。
14.根据权利要求1所述的非接触式测量系统，其特征在于，在所述电路板(26；46)上还布置了至少一个校准元件(48)，所述校准元件(48)连接至至少一个所述信号波导(26)，其中，在所述信号波导上布置了至少一个接触结构(18；44)，从而使得所述接触结构(18；44)在所述校准元件(48)的信号波导(26)上的布置与所述接触结构(18；44)在所述电路(52)的信号波导(26)上的布置相对应。
15.根据权利要求14所述的非接触式测量系统，其特征在于，在所述电路板(24；46)上设置短路标准件、开路标准件、阻抗标准件和/或导体标准件作为校准元件(48)。
16.根据权利要求14或15所述的非接触式测量系统，其特征在于，至少一个所述校准元件(48)连接至与所述非接触式测量系统的测量端口的数量相对应的数量的所述信号波导(26)。
17.根据权利要求14或15所述的非接触式测量系统，其特征在于，分配给所述非接触式测量系统的测量端口的、在所述校准元件(48)的信号波导(26)上的至少一个接触结构(18；44)被配置为与分配给所述非接触式测量系统的该测量端口的、在所述电路(52)的信号波导(26)上的至少一个接触结构(18；44)相同。
18.一种用于非接触式测量系统的校准基板，所述非接触式测量系统包括至少一个测试探针，所述至少一个测试探针形成用于对信号波导(26)上所传输的信号进行非接触式解耦的耦合结构部分，其中，在所述校准基板上设置了至少一个校准元件(48)，其中，至少一个所述校准元件电连接到至少一个所述信号波导(26)，所述校准基板的特征在于，所述校准基板被配置为电路板(46)，在所述电路板(46)上配置及布置了至少一个接触结构(44)，从而使得所述接触结构(44)与所述信号波导(26)电流地分离，所述接触结构(44)形成所述耦合结构部分，所述接触结构(44)完全布置在所述信号波导(26)的近场内，并且所述接触结构(44)包括能够与所述测试探针(28)的触点电接触的至少一个接触点(42)。
19.根据权利要求18所述的校准基板，其特征在于，根据权利要求1至12中任一项配置所述非接触式测量系统。
20.根据权利要求19所述的校准基板，其特征在于，分配给所述非接触式测量系统的测量端口的、在所述校准元件(48)的信号波导(26)上的至少一个接触结构(44)被配置为与分配给所述非接触式测量系统的该测量端口的、在所述电路(52)的信号波导(26)上的至少一个接触结构(44)相同。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的校准基板，其特征在于，至少一个所述校准元件(48)连接至与所述非接触式测量系统的测量端口的数量相对应的数量的信号波导(26)。
22.根据权利要求18至20中任一项所述的校准基板，其特征在于，在所述校准基板的所述电路板(46)上布置了具有至少一个所述信号波导(26)的至少一个电路(52)，以及在所述信号波导上布置了至少一个接触结构(44)，从而使得所述接触结构(44)在所述电路(52)的信号波导(26)上的布置与所述接触结构(44)在所述校准元件(48)的信号波导上的布置相对应。
23.根据权利要求22所述的校准基板，其特征在于，分配给所述非接触式测量系统的测量端口的、在所述校准元件(48)的信号波导(26)上的至少一个接触结构(44)被配置为与分配给所述非接触式测量系统的该测量端口的、在所述电路(52)的信号波导(26)上的所述校准基板上至少一个接触结构(44)相同。
24.根据权利要求18所述的用于非接触式测量系统的校准基板，其特征在于，至少一个所述校准元件(48)为短路标准件、开路标准件、阻抗标准件或导体标准件。
25.根据权利要求18所述的用于非接触式测量系统的校准基板，其特征在于，至少一个所述信号波导(26)为微带传输线或共面波导。
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