CN112710977B - 基于trm校准的表贴无源器件s参数测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于TRM校准的表贴无源器件S参数测量装置及方法。该装置包括用于测量表贴无源器件S参数的矢量网络分析仪、用于校准矢量网络分析仪的校准件以及用于将矢量网络分析仪与表贴无源器件相连的双端口串联测试夹具。在采用单端口SOLT校准方法校准矢量网络分析仪以消除矢量网络分析仪本身误差的基础上，又采用双端口TRM校准方法校准矢量网络分析仪以消除测试夹具引入的误差，从而可以直接测量得到表贴无源器件的S参数文件，也使得本发明提高了表贴无源器件S参数的准确性。

Description

基于TRM校准的表贴无源器件S参数测量装置及方法
技术领域
本发明属于测量技术领域，更进一步涉及S参数测量技术领域中的一种基于通路-反射-匹配TRM(Through-Reflect-Match)校准的表贴无源器件S参数测量装置及方法。本发明可用于对待测表贴无源器件的S参数进行测量，以准确地表征表贴无源器件的特性。
背景技术
在当今快速发展的电子设计领域，高速数字电路设计中无源器件的寄生效应对信号不再透明，电容器、电感器、电阻器以及磁珠等无源器件本身参数的精确度会严重影响整个系统设计的准确性。在高速数字电路设计过程中通常使用S参数来表征无源器件的特性。S参数的全称为Scatter参数，即散射参数，它是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，它能够很好的反映入射电磁波、反射波电磁以及透射电磁波之间的关系，同时可以很好的描述线性网络特性和非线性网络的特性。因此，精确地获得无源器件的S参数是高速数字电路设计中的关键性问题。目前，在工程实践中通常直接使用矢量网络分析仪对S参数进行测量。
随着高速数字电路向着小型化、轻量化的不断发展，体小质轻的表贴无源器件等非同轴器件已经逐步取代了传统的同轴器件，在高速数字电路设计中得到了广泛的应用。表贴无源器件的S参数测量与同轴器件的S参数测量不同，测量表贴器件的S参数时，在被测表贴无源器件和矢量网络分析仪之间需要引入测试夹具加以转换。目前一些公司研制出了相关测试夹具和校准标准，但由于这类测试夹具及校准标准价格昂贵，不适用于少量表贴无源器件S参数测量的研究使用，因此制作一个简单易用、造价低廉的表贴无源器件适用的测试夹具和校准件是测量其S参数的关键。而由于矢量网络分析仪系统本身和测试夹具的影响，测试过程中会产生系统误差和夹具引入的误差，这些误差就需要使用校准的方法来进行去除。
中国电子科技集团公司第十三研究所在其申请的专利文献“互易二端口网络S参数测量方法、装置及终端设备”(专利号CN 111579869 A，申请号202010317892.3，申请日2020.04.21)中公开了一种互易二端口网络S参数测量方法、装置。该专利公开的方法主要解决不同端口类型、超长或不同方向的二端口输入和输出网络的S参数测量问题，其步骤为：将矢量网络分析仪与待测互易二端口网络连接前，进行第一次单端口校准，获得对应的第一次单端口校准误差项；将矢量网络分析仪与待测互易二端口网络连接后，进行第二次单端口校准，获得对应的第二次单端口校准误差项；根据第一次单端口校准误差项和第二次单端口校准误差项，获得待测互易二端口网络的S参数。该方法存在的不足之处是，该方法是通过计算得到二端口网络的S参数，基于该方法得到的需要进行人工编辑来得到标准的S参数文件，不便于后续对S参数的仿真应用。
该专利公开的装置由第一获取模块、第二获取模块和计算模块组成。第一获取模块，用于将矢量网络分析仪与待测互易二端口网络连接前，进行第一次单端口校准，获得对应的第一次单端口校准误差项；第二获取模块，用于将所述矢量网络分析仪与所述待测互易二端口网络连接后，进行第二次单端口校准，获得对应的第二次单端口校准误差项；计算模块，用于根据所述第一次单端口校准误差项和所述第二次单端口校准误差项，获得所述待测互易二端口网络的S参数。该装置存在的不足之处是，该装置是仅针对具有对外接口的二端口网络S参数测量，不适用于进行对表贴无源器件这种非同轴器件的S参数测量。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种基于TRM校准的表贴无源器件S参数测量装置及方法，用于解决不适用于进行对表贴无源器件这种非同轴器件的S参数测量，以及通过计算及人工编辑的方法得到S参数文件不便于进行仿真应用的问题。
实现本发明目的的具体思路是：为了直接测量得到表贴无源器件的S参数文件，建立表贴无源器件S参数测量装置，提供测试夹具将表贴无源器件与矢量网络分析仪相连。为了消除矢量网络分析仪本身的误差，使用矢量网络分析仪自带校准件对矢量网络分析仪进行单端口短路-开路-负载-直通SOLT(Short-Open-Load-Through)校准。为了消除测试夹具引入的误差，使用SOLT校准后的矢量网络分析仪提取校准件中匹配标准件的偏置长度及偏置损耗，使用校准件对矢量网络分析仪进行双端口TRM校准。使用TRM校准后的矢量网络分析仪测量表贴无源器件的双端口串联测试夹具的S参数，得到可用于进行仿真应用的表贴无源器件的S参数文件。
本发明的测量装置包括用于测量表贴无源器件S参数的矢量网络分析仪、用于校准矢量网络分析仪的校准件以及表贴无源器件的双端口串联测试夹具；
所述校准件包括通路标准件、反射标准件和匹配标准件；
所述测试夹具包括印制电路板和两个SMA(SubMiniature version A)接头；所述SMA接头采用标准的外螺纹+孔SMA接头，其中一个SMA接头连接在印制电路板上第一段共面微带传输线的始端，另一个SMA接头连接在印制电路板上第二段共面微带传输线的末端；所述SMA接头的中心信号引脚连接在共面微带传输线的中心信号线上，四个接地引脚连接在共面微带传输线的上下接地面；待测表贴无源器件通过两段共面微带传输线末端的焊盘与两个SMA接头相连。
本发明的方法步骤包括如下：
步骤1，对矢量网络分析仪进行SOLT校准：
向矢量网络分析仪导入其自带校准件中短路件与开路件的特性参数，使用自带校准件对矢量网络分析仪进行单端口SOLT校准；
步骤2，提取匹配标准件的偏置长度及偏置损耗：
第一步，使用SOLT校准后的矢量网络分析仪测量校准件中匹配标准件的S11参数，将得到的S11参数导入到仿真软件中提取匹配标准件的偏置长度；
第二步，使用SOLT校准后的矢量网络分析仪测量校准件中反射标准件上传输线的延迟时间和频率为1GHz时反射标准件的回波损耗；
第三步，利用偏置损耗公式，计算匹配标准件的偏置损耗；
步骤3，对矢量网络分析仪进行TRM校准：
将匹配标准件的偏置长度和偏置损耗，以及矢量网络分析仪的负载偏置阻抗导入到矢量网络分析仪中，使用校准件对矢量网络分析仪进行双端口TRM校准；
步骤4，测量表贴无源器件：
将待测的表贴无源器件焊接在夹具的两段共面微带传输线末端的焊盘上，使用TRM校准后的矢量网络分析仪测量测试夹具的二端口S参数，并保存为*.s2p格式文件。
本发明与现有技术相比较具有以下的优点：
第一，本发明的装置中包括用于测量表贴无源器件S参数的矢量网络分析仪、用于校准矢量网络分析仪的校准件以及表贴无源器件的双端口串联测试夹具，其中表贴无源器件的双端口串联测试夹具用于表贴无源器件和矢量网络分析仪相连，克服了现有技术中测量装置仅针对具有对外接口的二端口网络而不适用于表贴无源器件的S参数测量的问题，本发明的测量装置可用于进行封装种类繁多的表贴无源器件的S参数测量。
第二，本发明的装置中表贴无源器件的双端口串联测试夹具及校准件均采用印制电路板制作，使得本发明装置中的测试夹具及校准件具有结构简单、成本较低、实用性强、设计周期短。
第三，由于本发明的方法在采用单端口SOLT校准方法校准矢量网络分析仪以消除矢量网络分析仪本身的误差的基础上，又采用了双端口TRM校准方法校准矢量网络分析仪以消除测试夹具引入的误差，从而可以直接测量得到表贴无源器件的S参数文件，克服了现有技术中无法直接对表贴无源器件进行S参数测量，仅能通过计算校准误差项并进行人工编辑的方法得到S参数文件的问题，使得本发明的方法不仅可以直接测量得到表贴无源器件的S参数文件，而且经过两次校准以消除误差，使得提高了表贴无源器件S参数的准确性。
附图说明
图1为本发明测量装置的示意图；
图2为本发明装置的表贴无源器件的双端口串联测试夹具；
图3为本发明装置的表贴无源器件的双端口串联测试夹具及校准件的印制电路板上共面微带传输线的特性阻抗仿真结果；
图4为本发明测量装置的校准件；
图5为本发明测量方法的实现流程图；
图6为本发明的提取校准件中匹配标准件偏置长度的电路图；
图7为本发明装置的表贴无源器件的双端口串联测试夹具及校准件的印制电路板板图；
图8为测量本发明的表贴无源器件的双端口串联测试夹具得到的S参数；
图9为使用本发明得到的电容器阻抗与厂商提供电容器阻抗的对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的作进一步的描述。
参照附图1，对本发明的测量装置作进一步的描述。
本发明的测量装置包括用于测量表贴无源器件S参数的矢量网络分析仪、用于校准矢量网络分析仪的校准件以及表贴无源器件的双端口串联测试夹具。
所述校准件包括通路标准件、反射标准件和匹配标准件。
下面结合附图2，对测试夹具作进一步的描述。
所述测试夹具包括印制电路板和两个SMA接头；所述印制电路板采用双面板，介质材料采用普通FR4材料，介电常数为4.5，板厚为59mil；所述SMA接头采用标准的外螺纹+孔SMA接头，其中一个SMA接头连接在印制电路板上第一段共面微带传输线的始端，另一个SMA接头连接在印制电路板上第二段共面微带传输线的末端；所述SMA接头的中心信号引脚连接在共面微带传输线的中心信号线上，四个接地引脚连接在共面微带传输线的上下接地面；待测表贴无源器件通过两段共面微带传输线末端的焊盘与两个SMA接头相连；所述两段共面微带传输线的长度均为500mil，两段共面微带传输线的中心信号线处于同一水平线，其间距为待测表贴无源器件两个焊盘之间的距离。
所述共面微带传输线背敷金属，其导体材料采用铜，铜厚为1.4mil，共面微带传输线上下线宽分别为78mil和79mil，与地平面的间距为25mil，表层阻焊材料采用绿油，介电常数为3.8，基材上绿油的厚度为0.8mil，共面微带传输线上绿油的厚度为0.5mil。在Si9000软件输入上述共面微带传输线的参数，仿真得到共面微带传输线的特性阻抗为50.02Ω，仿真结果如附图3所示，该共面微带传输线能够很好地匹配矢量网络分析仪的50Ω阻抗同轴电缆。
下面结合附图4，对校准件中的通路标准件、反射标准件和匹配标准件作进一步的描述。
所述通路标准件包括印制电路板和两个SMA接头，如附图4(a)所示；所述印制电路板的参数与测试夹具的印制电路板参数相同；所述SMA接头采用标准的外螺纹+孔SMA接头，两个SMA接头通过共面微带传输线连接在印制电路板的两端；所述共面微带传输线的长度为1000mil；所述共面微带传输线的参数与测试夹具上的共面微带传输线参数相同。
所述反射标准件包括印制电路板和一个SMA接头，如附图4(b)所示；所述印制电路板的参数与测试夹具的印制电路板参数相同；所述SMA接头采用标准的外螺纹+孔SMA接头，SMA接头连接在印制电路板上共面微带传输线的始端；所述共面微带传输线的长度为500mil，其末端开路；所述共面微带传输线的参数与测试夹具上的共面微带传输线参数相同。
所述匹配标准件包括印制电路板、一个SMA接头和两个电阻器，如附图4(c)所示；所述印制电路板的参数与测试夹具的印制电路板参数相同；所述SMA接头采用标准的外螺纹+孔SMA接头，SMA接头连接在印制电路板上共面微带传输线的始端；所述电阻器采用100Ω的表贴电阻器，两个电阻器放在共面微带传输线的中心信号线两侧且与中心信号线垂直，电阻器的两个引脚分别与共面微带传输线的中心信号线末端和上接地面相连。所述共面微带传输线的长度为500mil，其参数与测试夹具上的共面微带传输线参数相同。
参照附图5，对本发明的方法作进一步的描述。
步骤1，对矢量网络分析仪进行SOLT校准。
向矢量网络分析仪导入其自带校准件中短路件与开路件的特性参数，使用自带校准件对矢量网络分析仪进行单端口SOLT校准。
步骤2，提取匹配标准件的偏置长度及偏置损耗。
第一步，使用SOLT校准后的矢量网络分析仪测量校准件中匹配标准件的S11参数，将得到的S11参数导入到仿真软件中提取匹配标准件的偏置长度；所述提取偏置长度的方法，以使用ADS仿真软件为例，利用ADS仿真软件的Optimization和Goal模块，通过迭代逼近的方法获得最优化的偏置长度值，电路结构如附图6所示。
第二步，使用SOLT校准后的矢量网络分析仪测量校准件中反射标准件上传输线的延迟时间和频率为1GHz时反射标准件的回波损耗。
第三步，利用偏置损耗公式，计算匹配标准件的偏置损耗；所述的偏置损耗公式如下：
Figure BDA0002830489710000071
其中，Lo表示匹配标准件的偏置损耗；IL表示1GHz时匹配标准件的偏置传输线的插入损耗，单位为dB，其值为1GHz时反射标准件回波损耗的1/2，εr表示匹配标准件印制电路板介质材料的介电常数；Z0表示匹配标准件的偏置传输线的特性阻抗，单位为Ω；e表示自然常数；td表示匹配标准件上传输线的延迟时间，单位为s，其取值与反射标准件上传输线的延迟时间相等。
步骤3，对矢量网络分析仪进行TRM校准。
将匹配标准件的偏置长度和偏置损耗，以及矢量网络分析仪的负载偏置阻抗导入到矢量网络分析仪中，使用校准件对矢量网络分析仪进行双端口TRM校准。
步骤4，测量表贴无源器件。
将待测的表贴无源器件焊接在夹具的两段共面微带传输线末端的焊盘上，使用TRM校准后的矢量网络分析仪测量测试夹具的二端口S参数，并保存为*.s2p格式文件。所述*.s2p格式文件包括测试条件和测量得到的二端口S参数。所述测试条件包括矢量网络分析仪的厂家及型号、测试时间、测试频率和匹配阻抗。所述二端口S参数包括第一端口的反射系数S11，第一端口到第二端口的正向传输系数S21，第二端口到第一端口的反向传输系数S12，第二端口的反射系数S22。
本发明效果可以通过以下实施例做进一步的说明。
某品牌0805封装的100nf表贴电容器，SMA接头，电阻器，矢量网络分析仪及其自带校准件，厂商提供的100nf电容器的Z参数。
实施例1：根据电容器、SMA接头和电阻器的尺寸及引脚大小，分别设计这些元器件的封装，再设计封装的电气连接，得到测量装置中表贴电容器的双端口串联测试夹具和校准件的印制电路板，如图7所示，其中，图7(a)、图7(b)为表贴电容器双端口串联测试夹具的印制电路板，图7(c)、图7(d)为通路标准件的印制电路板，图7(e)、图7(f)为反射标准件的印制电路板，图7(g)、图7(h)为匹配标准件的印制电路板。
实施例2：由实验1设计的测量装置中表贴电容器的双端口串联测试夹具和校准件的印制电路板经厂家加工得到实际印制电路板。将待测表贴电容器、两个SMA接头焊接到表贴电容器测试夹具的印制电路板上，得到表贴电容器的双端口串联测试夹具如图2所示；将两个SMA接头焊接到通路标准件的印制电路板上，得到通路标准件如图4(a)所示；将一个SMA接头焊接到反射标准件的印制电路板上，得到反射标准件如图4(b)所示；将一个SMA接头和两个电阻器焊接到匹配标准件的印制电路板上，得到匹配标准件如图4(c)所示。
实施例3：向矢量网络分析仪导入其自带校准件中短路件与开路件的特性参数，使用自带校准件对矢量网络分析仪进行单端口SOLT校准；使用SOLT校准后的矢量网络分析仪提取图4(c)所示匹配标准件的偏置长度及偏置损耗；将匹配标准件的偏置长度和偏置损耗，以及矢量网络分析仪的负载偏置阻抗导入到矢量网络分析仪中，使用校准件对矢量网络分析仪进行双端口TRM校准。
实施例4：使用TRM校准后的矢量网络分析仪测量图2所示表贴电容器的双端口串联测试夹具的S参数，结果如图8所示，其中，图8(a)为第一端口的反射系数S11，图8(b)为第一端口到第二端口的正向传输系数S21,图8(c)为第二端口到第一端口的反向传输系数S12，图8(d)为第二端口的反射系数S22。
实施例5：将图8(b)所示第一端口到第二端口的正向传输系数S21根据下式转换为阻抗参数：
Figure BDA0002830489710000081
将转换后得到的阻抗与厂商提供的阻抗进行对比，如图9所示，其中，实线表示厂商提供的官方数据，虚线表示实际测量得到的数据。
由上述实施例的结果可见，使用本发明的测量装置及方法测量的表贴无源器件S参数经转换得到的阻抗与厂商提供的官方阻抗数据基本重合。
本发明的实施例结果表明：本发明的装置适用于进行表贴无源器件的S参数测量，本发明的方法不仅可以直接测量得到表贴无源器件的S参数文件，而且经过两次校准以消除误差，使得提高了表贴无源器件S参数的准确性。

Claims (3)

1.一种基于TRM校准的表贴无源器件S参数测量方法，其特征在于：通过对矢量网络分析仪进行单端口SOLT校准消除其本身的误差，使用SOLT校准后的矢量网络分析仪提取校准件中匹配标准件的偏置长度及偏置损耗，对矢量网络分析仪进行双端口TRM校准，消除测试夹具引入的误差；该方法的步骤包括如下：
步骤1，对矢量网络分析仪进行SOLT校准：
向矢量网络分析仪导入其自带校准件中短路件与开路件的特性参数，使用自带校准件对矢量网络分析仪进行单端口SOLT校准；
步骤2，提取匹配标准件的偏置长度及偏置损耗：
第一步，使用SOLT校准后的矢量网络分析仪测量校准件中匹配标准件的S11参数，将得到的S11参数导入到仿真软件中提取匹配标准件的偏置长度；
第二步，使用SOLT校准后的矢量网络分析仪测量校准件中反射标准件上传输线的延迟时间和频率为1GHz时反射标准件的回波损耗；
第三步，利用偏置损耗公式，计算匹配标准件的偏置损耗；
步骤3，对矢量网络分析仪进行TRM校准：
将匹配标准件的偏置长度和偏置损耗，以及矢量网络分析仪的负载偏置阻抗导入到矢量网络分析仪中，使用校准件对矢量网络分析仪进行双端口TRM校准；
步骤4，测量表贴无源器件：
将待测的表贴无源器件焊接在夹具的两段共面微带传输线末端的焊盘上，使用TRM校准后的矢量网络分析仪测量测试夹具的二端口S参数，并保存为*.s2p格式文件。
2.根据权利要求1所述基于TRM校准的表贴无源器件S参数测量方法，其特征在于：步骤2第三步中所述的偏置损耗公式如下：
Figure FDA0003302471160000011
其中，Lo表示匹配标准件的偏置损耗；IL表示1GHz时匹配标准件的偏置传输线的插入损耗，单位为dB，其值为1GHz时反射标准件回波损耗的1/2，εr表示匹配标准件印制电路板介质材料的介电常数；Z0表示匹配标准件的偏置传输线的特性阻抗，单位为Ω；e表示自然常数；td表示匹配标准件上传输线的延迟时间，单位为s，其取值与反射标准件上传输线的延迟时间相等。
3.根据权利要求 1所述基于TRM校准的表贴无源器件S参数测量方法，其特征在于：步骤4中所述的*.s2p格式文件包括测试条件和测量得到的二端口S参数；所述测试条件包括矢量网络分析仪的厂家及型号、测试时间、测试频率和匹配阻抗；所述二端口S参数包括第一端口的反射系数S11，第一端口到第二端口的正向传输系数S21，第二端口到第一端口的反向传输系数S12，第二端口的反射系数S22。
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