CN105956324B - 一种针对模块化探针s参数幅频特性的校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种针对模块化探针S参数幅频特性的校准方法，利用将具有模块化探针结构的传导信号采集模块插入已知特性参数的校准背板上进行测试，校准背板上的连接器设计为单列针脚，通过逐列测试，根据测试结果利用级联特性推导出其每个连接器针脚到模块化探针另一端射频接口的S参数幅频特性。本发明可针对有一端为多阵列引脚连接器的模块化探针进行校准，校准方式简单，同时对校准背板设计使建模简单精确，能过得到精确的S参数幅频特性校准结果。

Description

一种针对模块化探针S参数幅频特性的校准方法
技术领域
本发明属于信号测试领域，涉及一种针对模块化探针S参数幅频特性的校准方法。
背景技术
模块化探针是针对模块化综合射频机架的一种传导信号采集模块，可通过电子开关阵列控制利用射频接口采集综合射频机架背板上相应槽位上多个针脚的传导信号，其一端为可插入综合射频机架的具有多列针脚的连接器，另一端为可接频谱仪等测试设备的射频接口。模块化探针作为一种信号采集装置，需要对其S参数幅频特性进行校准。
通常对测试装置进行S参数校准的方法有SOLT校准方法，针对单端口测试需要开路、短路和负载三个校准件进行校准，针对双端口测试还需要将两个测试装置直通连接进行校准，对于模块化探针若使用该方法校准，研制针对模块化探针上多列针脚连接器的校准件的过程复杂，而且由于探针上的连接器是公头形式，无法将其直连进行直通测试，其他传统校准方法如TRL、LRM等方法均由于模块化探针上连接器的结构限制而无法适用。
发明内容
本发明的目的是：克服现有的校准方法无法针对有一端为多阵列引脚连接器的模块化探针进行校准的问题，提出了一种针对模块化探针S参数幅频特性的校准方法，仅需制作一个校准背板为校准件，校准方式简单；另外，由于将校准背板上的连接器插座设为单列，利用仅有单列针脚连接器插座的校准背板分别对具有多列针脚连接器插头的采集模块进行逐列测试，可以对模块化探针的每个针脚完成校准，同时使得对校准背板的建模简单精确，因而能够得到较为精确的S参数幅频特性校准结果。
本发明的一种针对模块化探针S参数幅频特性的校准方法，利用将模块化探针结构的传导信号采集模块插入已知特性参数的校准背板上进行测试，校准背板上的连接器设计为单列针脚，通过逐列测试，根据测试结果利用级联特性推导出其每个连接器针脚到模块化探针另一端射频接口的S参数幅频特性，实现步骤如下：
步骤一、校准背板制作。校准背板的结构由两个单列针脚的综合射频机架连接器插座和相同针脚间的互连线组成，单列针脚的尺寸与多列针脚连接器尺寸相同，仅针脚列数为一列，校准背板的边界处打一系列地孔使得不同层的地网络相连。模块化探针上连接器插头的引脚是多列的，每列针脚上均有信号引出，使用将其他几列针脚剔除后的单列针脚连接器作为校准背板上的插座让连接相同针脚间的互连线走线方式简单，使建模结果更加精确，校准精度更高。
校准背板的层叠结构为地层1-介质-信号线层1-介质-地层2-介质-地层3-介质-信号线层2-介质-地层4，信号线层1位于地层1与地层2的正中间位置，信号线层2位于地层3与地层4的正中间位置，为避免信号线间的串扰，两个紧邻针脚的信号线分别布置在不同的信号线层。
步骤二、校准背板建模。根据步骤一所制作出的校准背板的尺寸，建立针脚间互连线的带状线n阶集总电路模型，计算其A参数，作为校准背板的特性参数。设信号线层两边地层间的厚度为b(mil)，信号线层的厚度为t(mil)，宽度为w(mil)，信号线的长度为L(mil)，介质的介电常数为εr，损耗角正切为tan(σ)。
首先，计算带状线的特性阻抗
然后，计算带状线的总电容总电感总电导Gtotal＝ωtan(σ)Ctotal(S)和总电阻其中带状线的总电导和总电阻随频率f(单位GHz)改变，ω为角速度，c为光速。
接着，建立带状线的n阶集总电路模型，如附图3所示。其中Cper＝Ctotal/n，Lper＝Ltotal/n，Gper＝Gtotal/n，Rper＝Rtotal/n，BW为所需校准的频段带宽，单位GHz。
最后，计算带状线的A参数。先计算1阶集总电路模型的ABCD矩阵其中，A1＝1+(Rper+jωLper)(Gper+jωCper)，B1＝Rper+jωLper，C1＝Gper+jωCper，D1＝1，然后利用级联系统A参数可以直接相乘的特点，将1阶ABCD矩阵相乘n次得到n阶ABCD矩阵作为校准背板的特性参数。
步骤三、将模块化探针插入校准背板进行测试。模块化探针的连接器为多列针脚结构，将两个相同的模块化探针相应的单列针脚插入校准背板上的两个单列针脚连接器插座上，在两个模块化探针另一端的射频接口间接入矢量网络分析仪测得两个探针与校准背板级联后的S参数，进行逐列测试，完成针对每个针脚间的测试。
步骤四、模块化探针S参数求解。利用级联系统A参数可以直接相乘的特点，通过对模块化探针-校准背板-模块化探针三级级联后的S参数导为A参数，利用建模求得的校准背板的A参数，推导出模块化探针的A参数解，进而求得模块化探针的S参数解。
首先，将矢量网络分析仪测得的模块化探针-校准背板-模块化探针三级级联后的S参数利用公式计算得到三级级联后的ABCD矩阵
然后，求解模块化探针的A参数解。设模块化探针的A参数则模块化探针-校准背板-模块化探针三级级联后的ABCD矩阵Atest＝Amodule×Abb×Amodule，即将矩阵形式转化为方程形式，即求解该四元二次方程组中Am、Bm、Cm、Dm的值。
最后、计算模块化探针的S参数解。上述四元二次方程组的解有四组，将这四组模块化探针的A参数解根据公式转化为S参数。
步骤五、判断解的合理性求得正确的模块化探针的S参数幅频特性。观察四组解的幅度S参数值，将存在|S11|＞0dB或|S21|＞0dB的解剔除，剩下的解即为正确的模块化探针的S参数幅频特性。
在使用模块化探针针对综合射频机架进行测试后，将测试结果刨去模块化探针的幅度S参数幅频特性即可完成模块化探针S参数幅频特性的校准。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)可针对模块化探针这种结构为一端射频接口，另一端为应用于综合射频机架的多列针脚连接器插头进行幅度校准，并仅需制作一个校准背板为校准件，校准方式简单。
(2)将校准背板上的连接器插座设为单列，利用仅有单列针脚连接器插座的校准背板分别对具有多列针脚连接器插头的采集模块进行逐列测试，可以对模块化探针的每个针脚完成校准，同时使得对校准背板的建模简单精确。
(3)通过先求解A参数再转化成S参数完成对模块化探针幅度S参数的推导，利用级联系统ABCD矩阵可直接相乘的特点，使得根据已知多级结构求解单级特性的过程更加简单。
附图说明
图1是本发明一种针对模块化探针S参数幅频特性的校准方法的流程图；
图2是：(a)为本发明步骤一所需制作的校准背板结构示意图，(b)为本发明具体实施方式中步骤一所需制作的校准背板的剖面层叠示意图。
图3是本发明步骤二校准背板互连线建模所建立的带状线n阶集总电路结构图。
图4是本发明步骤三将模块化探针插入校准背板进行测试的布置图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提出一种针对模块化探针S参数幅频特性的校准方法，包括下列处理步骤：
步骤一、校准背板制作。校准背板的结构如附图2中的(a)所示，由两个单列针脚的综合射频机架连接器插座和相同针脚间的互连线组成，单列针脚的尺寸与多列针脚连接器尺寸相同，仅针脚列数为一列，校准背板的边界处打一系列地孔使得不同层的地网络相连。模块化探针上连接器插头的引脚是多列的，每列针脚上均有信号引出，使用将其他几列针脚剔除后的单列针脚连接器作为校准背板上的插座让连接相同针脚间的互连线走线方式简单，使建模结果更加精确，校准精度更高。
校准背板的剖面图如附图2中的(b)所示，其层叠结构为地层1-介质-信号线层1-介质-地层2-介质-地层3-介质-信号线层2-介质-地层4，信号线层1位于地层1与地层2的正中间位置，信号线层2位于地层3与地层4的正中间位置，为避免信号线间的串扰，两个紧邻针脚的信号线分别布置在不同的信号线层。
步骤二、校准背板建模。根据步骤一所制作出的校准背板的尺寸，建立针脚间互连线的带状线n阶集总电路模型，计算其转移参数即A参数，作为校准背板的特性参数。
A参数即ABCD矩阵的每个参量，描述的是二端口网络输入端口的总电压和总电流与输出端口总电压和总电流的关系，输入端口总电压V1、总电流I1和输出端口总电压V2、总电流I2可通过A参数表示为：
设信号线层两边地层间的厚度为b(mil)，信号线层的厚度为t(mil)，宽度为w(mil)，信号线的长度为L(mil)，介质的介电常数为εr，损耗角正切为tan(σ)。
首先，计算带状线的特性阻抗
然后，计算带状线的总电容总电感总电导Gtotal＝ωtan(σ)Ctotal(S)和总电阻其中带状线的总电导和总电阻随频率f(单位GHz)改变，ω为角速度，c为光速。
接着，建立带状线的n阶集总电路模型，如附图3所示，带状线的n阶集总电路模型由n个1阶集总电路模型级联构成，其中Rper、Lper、Cper和Gper分别为1阶集总电路模型中的电阻、电感、电容和电导。其中Cper＝Ctotal/n，Lper＝Ltotal/n，Gper＝Gtotal/n，Rper＝Rtotal/n，BW为所需校准的频段带宽，单位GHz。
最后，计算带状线的A参数。先计算1阶集总电路模型的ABCD矩阵其中，A1＝1+(Rper+jωLper)(Gper+jωCper)，B1＝Rper+jωLper，C1＝Gper+jωCper，D1＝1，然后利用级联系统A参数可以直接相乘的特点，将1阶ABCD矩阵相乘n次得到校准背板的n阶ABCD矩阵作为校准背板的特性参数。
步骤三、将模块化探针插入校准背板进行测试。模块化探针的连接器为多列针脚结构，将两个相同的模块化探针相应的单列针脚插入校准背板上的两个单列针脚连接器插座上，如附图4所示，在两个模块化探针另一端的射频接口间接入矢量网络分析仪测得两个探针与校准背板级联后的S参数，进行逐列测试，完成针对每个针脚间的测试。
步骤四、模块化探针S参数求解。
S参数，也就是散射参数，是微波传输中的一个重要参数。对于二端口网络，S12为反向传输系数，也就是隔离。S21为正向传输系数，也就是增益。S11为输入反射系数，也就是输入回波损耗，S22为输出反射系数，也就是输出回波损耗。
利用级联系统A参数可以直接相乘的特点，通过对模块化探针-校准背板-模块化探针三级级联后的S参数导为A参数，利用建模求得的校准背板的A参数，推导出模块化探针的A参数解，进而求得模块化探针的S参数解。
首先，将矢量网络分析仪测得的模块化探针-校准背板-模块化探针三级级联后的S参数利用公式(其中Z0为端口特性阻抗)，计算得到实测的模块化探针-校准背板-模块化探针三级级联后的ABCD矩阵
然后，求解模块化探针的A参数解。设模块化探针的A参数为则实测的模块化探针-校准背板-模块化探针三级级联后的ABCD矩阵Atest＝Amodule×Abb×Amodule，即将矩阵形式转化为方程形式，即求解该四元二次方程组中Am、Bm、Cm、Dm的值，即为模块化探针A参数所包含的四个值。
最后、计算模块化探针的S参数解。上述四元二次方程组的解有四组，将这四组模块化探针的A参数解根据公式转化为S参数。
步骤五、判断解的合理性求得正确的模块化探针S参数幅频特性。观察四组解的幅度S参数值，由于模块化探针是无源网络，基于无源网络|S11|≤0dB、|S21|≤0dB的特点，将存在|S11|＞0dB或|S21|＞0dB的解剔除，剩下的解即为正确的模块化探针的S参数幅频特性。
在使用模块化探针针对综合射频机架进行测试后，将测试结果刨去模块化探针的幅度S参数即可完成模块化探针S参数幅频特性的校准。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (3)

1.一种针对模块化探针S参数幅频特性的校准方法，其特征在于实现步骤如下：
步骤一、校准背板制作
校准背板的结构由两个单列针脚的综合射频机架连接器插座和相同针脚间的互连线组成，单列针脚的尺寸与多列针脚连接器尺寸相同，仅针脚列数为一列，校准背板的边界处打一系列地孔使得不同层的地网络相连；模块化探针上连接器插头的引脚是多列的，每列针脚上均有信号引出，使用将其他几列针脚剔除后的单列针脚连接器作为校准背板上的插座让连接相同针脚间的互连线走线方式简单，使建模结果更加精确，校准精度更高；
校准背板的层叠结构为地层1-介质-信号线层1-介质-地层2-介质-地层3-介质-信号线层2-介质-地层4，信号线层1位于地层1与地层2的正中间位置，信号线层2位于地层3与地层4的正中间位置，为避免信号线间的串扰，两个紧邻针脚的信号线分别布置在不同的信号线层；
步骤二、校准背板建模
根据步骤一所制作出的校准背板的尺寸，建立针脚间互连线的带状线n阶集总电路模型，计算转移参数即A参数，作为校准背板的特性参数；
步骤三、将模块化探针插入校准背板进行测试
模块化探针的连接器为多列针脚结构，将两个相同的模块化探针相应的单列针脚插入校准背板上的两个单列针脚连接器插座上，在两个模块化探针另一端的射频接口间接入矢量网络分析仪测得两个探针与校准背板级联后的S参数，进行逐列测试，完成针对每个针脚间的测试；
步骤四、模块化探针S参数求解
利用级联系统A参数直接相乘的特点，通过对模块化探针-校准背板-模块化探针三级级联后的S参数导为A参数，利用建模求得的校准背板的A参数，再得出模块化探针的A参数解，进而求得模块化探针的S参数解；
步骤五、判断解的合理性求得正确的模块化探针的S参数幅频特性，观察若干组解的幅度S参数值，将存在|S11|＞0dB或|S21|＞0dB的解剔除，剩下的解即为正确的模块化探针的S参数幅频特性；在使用模块化探针针对综合射频机架进行测试后，将测试结果刨去模块化探针的幅度S参数幅频特性即可完成模块化探针S参数幅频特性的校准。
2.根据权利要求1所述的针对模块化探针S参数幅频特性的校准方法，其特征在于：所述建立针脚间互连线的带状线n阶集总电路模型的过程如下：设信号线层两边地层间的厚度为b，信号线层的厚度为t，宽度为w，信号线的长度为L，介质的介电常数为εr，损耗角正切为tan(σ)；
首先，计算带状线的特性阻抗
然后，计算带状线的总电容总电感总电导Gtotal＝ωtan(σ)Ctotal和总电阻其中带状线的总电导和总电阻随频率f改变，ω为角速度，c为光速；
接着，建立带状线的n阶集总电路模型，带状线的n阶集总电路模型由n个1阶集总电路模型级联构成，其中1阶集总电路模型由电阻Rper和电感Lper串联并与电容Cper和电导Gper并联构成，其中Cper＝Ctotal/n，Lper＝Ltotal/n，Gper＝Gtotal/n，Rper＝Rtotal/n，BW为所需校准的频段带宽；
最后，计算带状线的A参数：先计算1阶集总电路模型的ABCD矩阵其中，A1＝1+(Rper+jωLper)(Gper+jωCper)，B1＝Rper+jωLper，C1＝Gper+jωCper，D1＝1，然后利用级联系统A参数可以直接相乘的特点，将1阶ABCD矩阵相乘n次得到n阶ABCD矩阵作为校准背板的特性参数。
3.根据权利要求1所述的针对模块化探针S参数幅频特性的校准方法，其特征在于：所述步骤四具体实现如下：
首先，将矢量网络分析仪测得的模块化探针-校准背板-模块化探针三级级联后的S参数，利用公式其中Z0为端口特性阻抗，计算得到三级级联后的ABCD矩阵
然后，求解模块化探针的A参数解，设模块化探针的A参数则模块化探针-校准背板-模块化探针三级级联后的ABCD矩阵Atest＝Amodule×Abb×Amodule，即将矩阵形式转化为方程形式，即求解该四元二次方程组中Am、Bm、Cm、Dm的值；
最后、计算模块化探针的S参数解，上述四元二次方程组的解有四组，将这四组模块化探针的A参数解根据公式转化为S参数。
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