CN103675457B

CN103675457B - 一种微波器件阻抗测量校准方法

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Publication number: CN103675457B
Application number: CN201310540212.4A
Authority: CN
Inventors: 杨成; 易波; 王为; 刘培国; 刘继斌; 周东明; 李高升
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2033-11-05
Also published as: CN103675457A

Abstract

本发明介绍了一种微波器件阻抗测量校准方法，该方法步骤包括：（1）通过直通校准件散射参数和延时校准件散射参数的实测数据计算延时传输线传输参数；（2）在原有延时校准件中嵌入新增加的虚拟传输线，计算虚拟延时校准件的传输参数；（3）按照常规TRL校准方法提取测量夹具的校准系数，通过矩阵求逆和相乘运算得到微波器件去嵌入传输参数；（4）对微波器件去嵌入传输参数进行阻抗归一化变换，得到相对于系统测量参考阻抗归一化的微波器件归一化散射参数。本方法弥补了传输线特性阻抗与系统测量参考阻抗的不一致性带来的测量误差，实现了超宽带、高精度的微波器件阻抗测量，同时改进的微波器件阻抗测量校准方法可显著降低校准件的设计加工要求，具有通用性。

Description

一种微波器件阻抗测量校准方法

技术领域

本发明涉及一种阻抗测量校准方法，尤其涉及一种具有去嵌入功能的微波器件阻抗测量校准方法。

背景技术

微波器件如场效应管、晶体管、检波管、贴片电容、贴片电感等经常被用于微波电路设计，由于工作频率太高，器件封装会引入寄生效应，因此必须对器件阻抗特性进行精确测量。

微波器件的阻抗特性一般采用散射参数(S参数)来描述，测量仪器通常选择矢量网络分析仪，但矢量网络分析仪只能测量能与其端口匹配的微波器件，如同轴端口、波导端口，而微波器件接口种类众多，需要利用专门的夹具进行接口转换，再通过校准算法提取微波器件的真实散射参数。通常将直接从测量结果去除夹具引入误差的过程称为去嵌入处理，该过程相对低频测量要求更为复杂。

目前工程上实现去嵌入的校准算法主要有两种，SOLT算法和TRL算法。SOLT算法是一种无宽带限制的高精度校准算法，包含开路、短路、直通、负载四种校准件，校准件制作要求高，一般仅适用标准测量；TRL算法是一种有带宽限制的高精度校准算法，包含直通、反射、延时三种校准件，一般采用微带传输线或共面波导制作，校准件加工成本低，适用于大多数表贴器件测量，但当工作频带超过8：1时（最高频率：最低频率>8:1），测量会出现局部相位模糊，必须增加新的延时线校准件以保证测量精度，操作相对麻烦，特别是频率低于百兆赫兹或高于数十吉赫兹时，延时线校准件尺寸或长至数米，或短至数百微米，给加工和测量带来困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对TRL算法的测量带宽有限问题，提供一种改进的TRL校准方法，该方法基于现有测量数据，利用虚拟测量技术解决局部相位模糊难题，可减少延时校准件数量、简化TRL测量步骤和扩展TRL算法校准测量宽带。

本发明提供的微波器件阻抗测量校准方法，即一种改进的TRL校准方法，步骤如下：

第一步，计算延时传输线传输参数。测量直通校准件散射参数和延时校准件的散射参数，分别转换为传输参数，通过矩阵求逆、相乘运算和二次方程求解计算延时校准件中包含的延时传输线传输参数。

第二步，计算虚拟延时校准件的传输参数。利用第一步计算的延时传输线传输参数计算新增加的虚拟传输线的传输参数，通过矩阵求逆和相乘运算在原有延时校准件中嵌入新增加的虚拟传输线，得到虚拟延时校准件的传输参数。

第三步，计算微波器件去嵌入传输参数。已知直通校准件散射参数、反射校准件散射参数和第二步得到的虚拟延时校准件的传输参数，按照常规TRL校准方法提取测量夹具的校准系数，通过矩阵求逆和相乘运算得到微波器件去嵌入传输参数。

第四步，计算微波器件归一化散射参数。已知传输线特性阻抗和系统测量参考阻抗，对第三步得到微波器件去嵌入传输参数进行阻抗归一化变换，得到相对于系统测量参考阻抗归一化的微波器件传输参数，再经过等价变换得到微波器件归一化散射参数。

本发明的有益效果是：

1. 引入虚拟测量技术，可以得到包含任意长度传输线的延时校准件传输参数，能有效解决工作频带超过8：1时带来的相位模糊问题，克服了测量频率过高或过低时校准件难以加工的问题，简化了校准件的个数，扩展了工作频带；

2. 常规TRL校准件要求校准件的传输线特性阻抗与系统测量的参考阻抗(一般50欧姆或75欧姆)严格相等，改进的TRL算法通过阻抗归一化变换技术弥补了传输线特性阻抗与系统测量参考阻抗的不一致性，可显著降低校准件的设计加工要求。

附图说明

图1为微波器件阻抗测量的校准方法对应的数据处理流程图。

具体实施方式

为方便运算，去嵌入处理过程中校准件的散射参数均等效转化为传输参数进行计算，对于双端口微波器件，其散射参数和传输参数均为2×2矩阵，两者转换关系如下：

散射参数S	传输参数T

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

实施例1：任意双端口微波器件散射参数校准，假设测量夹具接头转换良好，接头转换处微波反射很小。如图1所示。

第一步，计算延时传输线传输参数。通过矢量网络分析仪测量可以得到测量直通校准件散射参数

延时校准件的散射参数

分别转化为传输参数可得：

直通校准件传输参数

延时校准件的传输参数

令，其中为的逆矩阵。

则延时传输线的传输参数可表示为

式中分别为方程的两根，且满足。

第二步，计算虚拟延时线校准件的传输参数。记原有延时校准件包含的延时传输线长度为，虚拟延时校准件新增加的延时传输线长度为，则新增加长度为的虚拟延时传输线传输参数为

进一步的，包含延时传输线长度为的虚拟延时线校准件的传输参数可表示为

。

第三步，计算微波器件去嵌入传输参数。已知直通校准件散射参数、反射校准件散射参数和第二步得到的虚拟延时校准件的传输参数，按照常规TRL校准方法提取测量夹具的校准系数，通过矩阵求逆和相乘运算得到微波器件去嵌入传输参数，记为

。

第四步，计算微波器件归一化散射参数。已知传输线特性阻抗和系统测量参考阻抗，对第三步得到微波器件去嵌入传输参数进行阻抗归一化变换，得到相对于系统测量参考阻抗归一化的微波器件传输参数

进一步的，相对于系统测量参考阻抗归一化的微波器件散射参数

。

实施例2：任意双端口微波器件散射参数校准，假设校准件包含的传输线为低耗传输线。如图1所示。

延时校准件的散射参数

分别转化为传输参数可得：

直通校准件传输参数

延时校准件的传输参数

令

则得延时传输线的传输参数

式中分别为方程的两根，且满足。

第二步、第三步和第四步同实施例一。

Claims

1.一种微波器件阻抗测量校准方法，其特征在于：该方法包括步骤：

第一步，计算延时传输线传输参数，测量直通校准件散射参数和延时校准件的散射参数，分别转换为传输参数，通过矩阵求逆、相乘运算和二次方程求解计算延时校准件中包含的延时传输线传输参数；

第二步，计算虚拟延时校准件的传输参数，利用第一步计算的延时传输线传输参数计算新增加的虚拟传输线的传输参数，通过矩阵求逆和相乘运算在原有延时校准件中嵌入新增加的虚拟传输线，得到虚拟延时校准件的传输参数；

第三步，计算微波器件去嵌入传输参数，已知直通校准件散射参数、反射校准件散射参数和第二步得到的虚拟延时校准件的传输参数，按照常规TRL校准方法提取测量夹具的校准系数，通过矩阵求逆和相乘运算得到微波器件去嵌入传输参数；

第四步，计算微波器件归一化散射参数，已知传输线特性阻抗和系统测量参考阻抗，对第三步得到微波器件去嵌入传输参数进行阻抗归一化变换，得到相对于系统测量参考阻抗归一化的微波器件传输参数，再经过等价变换得到微波器件归一化散射参数，

所述第四步中微波器件去嵌入传输参数的阻抗归一化变换公式为

T_{y} = [\begin{matrix} T_{y 11} & T_{y 12} \\ T_{y 21} & T_{y 22} \end{matrix}] = \frac{1}{4 Z_{c} Z_{o}} [\begin{matrix} Z_{c} + Z_{o} & Z_{o} - Z_{c} \\ Z_{o} - Z_{c} & Z_{c} + Z_{o} \end{matrix}] T x [\begin{matrix} Z_{c} + Z_{o} & Z_{c} - Z_{o} \\ Z_{c} - Z_{o} & Z_{c} + Z_{o} \end{matrix}]

式中Z₀表示传输线特性阻抗，Z_c表示系统测量参考阻抗，T_x表示微波器件去嵌入传输参数，T_y表示归一化的微波器件传输参数，

计算延时传输线传输参数，通过矢量网络分析仪测量得到直通校准件散射参数

S_{m} = [\begin{matrix} S_{m 11} & S_{m 12} \\ S_{m 21} & S_{m 22} \end{matrix}]

延时校准件的散射参数

S_{n} = [\begin{matrix} S_{n 11} & S_{n 12} \\ S_{n 21} & S_{n 22} \end{matrix}]

分别转化为传输参数可得：

直通校准件传输参数

T_{m} = [\begin{matrix} T_{m 11} & T_{m 12} \\ T_{m 21} & T_{m 22} \end{matrix}] = \frac{1}{S_{m 21}} [\begin{matrix} - {ΔS}_{m} & S_{m 11} \\ - S_{m 22} & 1 \end{matrix}]

延时校准件的传输参数

T_{n} = [\begin{matrix} T_{n 11} & T_{n 12} \\ T_{n 21} & T_{n 22} \end{matrix}] = \frac{1}{S_{n 21}} [\begin{matrix} - {ΔS}_{n} & S_{n 11} \\ - S_{n 22} & 1 \end{matrix}]

ΔS_m＝S_m11S_m22-S_m12S_m21、ΔS_n＝S_n11S_n22-S_n12S_n21

所述计算微波器件去嵌入传输参数，已知直通校准件散射参数、反射校准件散射参数和第二步得到的虚拟延时校准件的传输参数，按照常规TRL校准方法提取测量夹具的校准系数，通过矩阵求逆和相乘运算得到微波器件去嵌入传输参数，记为

T_{x} = [\begin{matrix} T_{x 11} & T_{x 12} \\ T_{x 21} & T_{x 22} \end{matrix}],

所述计算微波器件归一化散射参数，已知传输线特性阻抗Z₀和系统测量参考阻抗Z_c，对第三步得到微波器件去嵌入传输参数进行阻抗归一化变换，得到相对于系统测量参考阻抗Z_c归一化的微波器件传输参数

T_{y} = [\begin{matrix} T_{y 11} & T_{y 12} \\ T_{y 21} & T_{y 22} \end{matrix}] = \frac{1}{4 Z_{c} Z_{o}} [\begin{matrix} Z_{c} + Z_{o} & Z_{o} - Z_{c} \\ Z_{o} - Z_{c} & Z_{c} + Z_{o} \end{matrix}] [\begin{matrix} T_{x 11} & T_{x 12} \\ T_{x 21} & T_{x 22} \end{matrix}] [\begin{matrix} Z_{c} + Z_{o} & Z_{c} - Z_{o} \\ Z_{c} - Z_{o} & Z_{c} + Z_{o} \end{matrix}]

进一步的，相对于系统测量参考阻抗Z_c归一化的微波器件散射参数

s_{y} = [\begin{matrix} S_{y 11} & S_{y 12} \\ S_{y 21} & S_{y 22} \end{matrix}] = \frac{1}{T_{x 22}} (\begin{matrix} T_{x 12} & T_{x 11} T_{x 22} - T_{x 12} T_{x 21} \\ 1 & - T_{x 21} \end{matrix}) .