TW201300799A - 量測待測物散射參數的方法 - Google Patents

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    • G01R27/32—Measuring attenuation, gain, phase shift or derived characteristics of electric four pole networks, i.e. two-port networks; Measuring transient response in circuits having distributed constants, e.g. having very long conductors or involving high frequencies

Abstract

本發明提供一種量測待測物散射參數的方法，可以在不需要使用轉接校正器進行全雙埠校正的情況下量測兩端具有不同接頭規格的待測物散射參數。本發明利用兩次的單埠校正程序，建立兩個誤差模型，其中第一個誤差模型包括網路分析儀的連接埠與接線的特性，第二個誤差模型則更包括待測物的特性。所以，自第二個誤差模型中移除第一個誤差模型的參數後便可得到待測物的特性。

Description

量測待測物散射參數的方法
本發明是有關於一種轉接器的散射參數(scattering parameters,簡稱S參數)的量測方法，且特別是有關於一種以網路分析儀量測轉接器散射參數的方法。
隨著電子電路的操作頻率愈來愈高，電子元件的特性就愈複雜，包括走線上的電感值與電容值，或是元件的寄生效應都會隨操作頻率增加而顯現出來。一般而言，在VHF(very high frequency,30~300MHz)下，電子元件的特性可以藉由精準的萬用電表取得。當操作頻率較高時，就必須藉由高頻量測儀器來取得電子元件的特性。
最常用的高頻量測儀器為網路分析儀(network analyzer)，可用來量側電子元件或是待測物的散射參數。網路分析儀是藉由量測待測物在不同頻率下的散射參數(包括功率反射係數(reflected coefficient)與穿透係數(transmitted coefficient))來分析待測物特性。一般而言，最常見的網路分析儀都是指向量式網路分析儀(Vector Network Analyzer,VNA)。
在進行高頻電路量測時，常需要使用各種轉接器(adapter)，這些轉接器用來轉接不同規格的接頭，例如N-type轉3.5mm、3.5mm轉2.4mm，或是晶圓量測用的GSG轉3.5mm等。由於這些轉接器兩邊的接頭規格不同，所以需要兩組short,open與load校正器(calibration kits)以及一個具有不同接頭規格的標準轉接校正器來進行雙埠(two ports)的校正。但是這種兩邊不同規格的標準thru校正器的價格昂貴，且適用頻率愈高，其價格更高。
本發明提供一種量測待測物散射參數的方法，可以在不需要以標準轉接校正器進行全雙埠校正的情況下量測高頻轉接器(RF adapter)的散射參數，藉此降低量測的次數與對校正器的需求。
本發明提出一種量測待測物散射參數的方法，適用於量測兩端具有不同規格的第一接頭與第二接頭的一待測物，此量測方法包括下列步驟：首先，對網路分析儀的第一連接埠進行第一次單埠校正程序以取得第一組校正參數；連接待測物的第一接頭至第一連接埠；經由待測物的第二接頭，對第一連接埠進行第二次單埠校正程序以取得參考平面對應於待測物的第二接頭的第二組校正參數；最後，對第一組校正參數與第二組校正參數進行運算以取得對應於待測物的散射參數。
在對第一組校正參數與第二組校正進行運算以取得對應於待測物的散射參數之步驟中更包括利用下列方程式計算該待測物的散射參數：
其中，S11、S12、S21、S22表示待測物的散射參數；E DF 表示第一組校正參數中的順向指向性誤差(Forward Directivity Error)，E' DF 表示第二組校正參數中的順向指向性誤差；E SF 表示第一組校正參數中的順向訊號源端匹配誤差(Forward Source Match Error)，E' SF 表示第二組校正參數中的順向訊號源端匹配誤差；E RF 表示第一組校正參數中的順向反射路徑誤差(Forward Reflection Tracking Error)，E' RF 表示第二組校正參數中的順向反射路徑誤差。
綜合上述，本發明所提出的量測待測物散射參數的方法，利用兩次的單埠校正程序即可求得高頻轉接器的散射參數。此方法不需要轉接校正器(如3.5mm to 2.4 mm Thru kit)與全雙埠校正程序，可以降低校正成本與量測時間。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
在下文中，將藉由圖式說明本發明之實施例來詳細描述本發明，而圖式中的相同參考數字可用以表示類似的元件。
在進行量測前，網路分析儀必須先執行校正程序，求出系統誤差項，再以反嵌入技術(de-embedding techniques)得到待測物的散射參數(S-parameters)。網路分析儀的誤差主要可分為三種：隨機誤差(Random Errors、漂移誤差(Drift Errors)與系統誤差(Systematic Errors)。隨機誤差主要來自於儀器的熱雜訊與接頭，是屬於無法預測(Unpredicted)與時變的(Time-Variant)的誤差，所以目前的誤差模型無法校正隨機誤差，只能靠多次量測的平均來降低隨機誤差的影響。漂移誤差主要是來自於機械老化與溫度的漂移，所以網路分析儀的環境溫度最好是穩定的。在開機後進行暖機，等待儀器的溫度穩定後再進行量測可以得到比較準確的量測結果。
系統誤差主要來自於網路分析儀內部裝置的非理想特性，所以具有可重復性(repeatable)與非時變(Time-Invariant)的特性。由於系統本身無法預測到時變的隨機誤差與漂移誤差，所以無法準確的去除這些誤差。然而，系統誤差則可以藉由校正程序與數學運算的方式去除以增加待測物的量測準確度。
校正程序主要是為建立量測的參考平面(reference plane)，將參考平面移至量測接頭的前端，也就是待測物(device under test,簡稱DUT)的兩端，以特性化測試夾具與互連線效應。藉此，去除造成非理想特性的系統誤差以反推待測物的真實散射參數。請參照圖1，其繪示網路分析儀的量側示意圖。網路分析儀100透過高頻連接線110與120連接至待測物130，其中誤差的來源包括網路分析儀100與高頻連接線110與120，因此必需將量測的參考平面移至高頻連接線110與120的接頭111、121前端。這樣所建立的誤差模型可以包含網路分析儀100透過高頻連接線110與120。待測物130的真實特性可以藉由數學運算的方式，自量測結果中去除誤差模型(即系統誤差與高頻連接線)的影響求得。
值得注意的是，在本實施例中，接頭111、121的規格包括N-type、3.5mm、2.4mm或GSG等，上述圖1僅為示意，本發明不受限制。
以雙埠的向量網路分析儀為例，主要的校正方式包括SOLT、TRL、TRM/LRM、LRRM和SOLR等。雖然校正的方式與校正器(calibration kits)不同，但所採用的誤差模型相同。請參照圖2A與圖2B，其分別繪示順向(forward)誤差模型與反向(inverse)誤差模型的示意圖。依照誤差項的形式與產生原因，系統的誤差項主要包括6種形式：指向性誤差(directivity error)、訊號源端匹配誤差(source match error)、負載端匹配誤差(load match error)、反射路徑誤差(reflection tracking error)、穿透路徑誤差(transmission tracking error)與串音誤差(crosstalk error)。
考慮順向誤差與反向誤差兩種狀況，誤差模型可以分為順向誤差模型與反向誤差模型，共計12個誤差項，其中順向誤差項有6項，反向誤差項有6項，如圖2A、2B所示。
E DF 表示順向指向性誤差(forward directivity error)；E DR 表示反向指向性誤差(reverse directivity error)。E SF 表示順向訊號源端匹配誤差(forward source match error)；E SR 表示反向訊號源端匹配誤差(reverse source match error)。E LF 表示順向負載端匹配誤差(forward load match error)；E LR 表示反向負載端匹配誤差(reverse load match error)。E RF 表示順向反射路徑誤差(forward reflection tracking error)；E RR 表示反向反射路徑誤差(reverse reflection tracking error)。E TF 表示順向穿透路徑誤差(forward transmission tracking error)；E TR 表示反向穿透路徑誤差(reverse transmission tracking error)。E XF 表示順向串音誤差(forward crosstalk error)；E XR 表示反向串音誤差(reverse crosstalk error)。
S11、S12、S21、S22表示待測物的散射參數。在圖2A中，a1、b1表示待測物對應於第一連接埠的入射信號與反射信號，b2表示待測物對應於第二連接埠的輸出信號。在圖2B中，a2、b2表示待測物對應於第二連接埠的入射信號與反射信號，b1表示待測物對應於第一連接埠的信號。在經由上述實施例之說明後，本技術領域具有通常知識者應可推知圖2A、圖2B中的誤差項與符號意義，在此不加累述。
以SOLT校正法為例，其包括四種校正器：短路(Short)、開路(Open)、負載(Load)與穿透(Thru)，所以一般稱為簡稱為SOLT(Short-Open-Load-Thru)校正法。校正的程序分為單埠校正程序與雙埠校正程序，其中單埠校正程序利用短路、開路與負載三個校正器進行校正，而雙埠校正程序則利用短路、開路、負載與穿透四個校正器進行校正。單埠校正程序與雙埠校正程序主要差異在是否進行“穿透”校正器的校正。在校正後，可以建立誤差模型，其通常以矩陣的形式表示。
當需要使用雙埠量測時，就必須先進行兩個連接埠的單埠校正程序與使用穿透校正器進行雙埠校正程序後才能推知所有誤差項，然後才能進行待測物的量測。若待測物的兩端接頭的規格不同，就需要兩端不同規格的標準轉接校正器來進行校正。例如，當要量測2.4mm對3.5mm轉接器的散射參數時，習知的雙埠校正程序中需要使用2.4mm對3.5mm的轉接校正器(2.4mm to 3.5mm adapter kit or called 2.4mm to 3.5mm Thru kit)來進行雙埠校正。只是，不同接頭規格的Thru kit的價格相當昂貴。
本實施例提出一種新的量測待測物散射參數的方法，利用兩次的單埠校正程序所取得的校正參數來就可以算出待測物的散射參數。接下來，以兩端具有不同接頭規格的轉接器(例如3.5mm轉2.4mm)為例，進一步說明本實施例的技術手段。
請參照圖3A，其繪示本發明一實施例的第一次單埠校正程序示意圖。如圖3A所示，逐一以短路校正器351、開路校正器352與負載校正器353三個校正器對網路分析儀300的第一連接埠301進行單埠校正。由於網路分析儀300的第一連接埠301連接有高頻連接線310，因此校正的參考平面係移至高頻連接線310的接頭311的前端，或是說是參考平面對應於高頻連接線310的接頭311。若網路分析儀300未連接高頻連接線310，則校正平面係位於第一連接埠301的前端。單埠校正的流程可以參照網路分析儀的說明書，在經由上述實施例之說明後，本技術領域具有通常知識者應可推知其他實施方式，在此不加贅述。
在進行第一次的校正程序後，網路分析儀300可以獲得第一組校正參數，此校正參數可以利用誤差模型表示，如圖3B所示，其繪示本實施例的第一組校正參數的誤差模型示意圖。誤差模型360包括順向指向性誤差E DF 、順向訊號源端匹配誤差E SF 與順向反射路徑誤差E RF 。比較圖2A與圖3B，由於圖3B是單埠校正的順向誤差模型，因此不需考慮表示順向負載端匹配誤差E LF 、順向穿透路徑誤差E TF 、順向串音誤差E XF 以及反向誤差項。因為上述未包含的誤差項是在雙埠校正時才需考慮。
誤差模型360可以用來描述第一連接埠301的系統誤差，其包括高頻連接線310的特性。誤差模型360可儲存於網路分析儀300中，只要預先載入誤差模型360作為校正參數，網路分析儀300便可經由第一連接埠301進行單埠量測以取得待測物的反射係數(reflection coefficient)S11。
值得注意的是，本實施例的待測物例如為3.5mm轉2.4mm的轉接器，因此高頻連接線310的接頭規格可以是3.5mm或是2.4mm。本實施例的高頻連接線310係以3.5mm接頭的連接線為例說明，因此第一次單埠校正程序中所使用的短路校正器351、開路校正器352與負載校正器353必須是3.5mm接頭的校正器。
在本實施例中，第一組校正參數(即誤差模型360的誤差項E DF 、E SF 、E LF )會被儲存起來，然後接下來進行第二次的單埠校正程序。如圖4A所示，其繪示本實施例的第二次單埠校正程序的示意圖。在第二次單埠校正程序中，轉接器430的3.5mm接頭431會先被連接至高頻連接線310的接頭311，然後經由轉接器430的2.4mm接頭432進行單埠校正程序。也就是利用2.4mm接頭的短路校正器451、開路校正器452與負載校正器453進行第一連接埠301的校正程序。
在第二次單埠校正程序後，網路分析儀300可以取得第二組校正參數，其誤差模型如圖4B所示，其繪示第二組校正參數的誤差模型示意圖。誤差模型460同樣包括順向指向性誤差E' DF 、順向訊號源端匹配誤差E' SF 與順向反射路徑誤差E' RF 。但是第二組校正參數與第一組校正參數的數值是不同。因為在第二次單埠校正程序，轉接器430被包括在整個量測系統中，使得參考平面移至轉接器的2.4mm接頭432前端，所以第二組校正參數中的誤差項會包括轉接器430的特性與第一組校正參數。也就是說，誤差模型460可以用誤差模型360加上轉接器430的散射參數來表示，如圖4B所示。
換言之，經由數學運算，自第二組校正參數中去除第一組校正參數便可以求得轉接器430的散射參數。上述運算可以利用軟體或硬體方式整合在網路分析儀中以便直接由網路分析儀進行數學運算以求得轉接器430的散射參數。此外，也可以將第一組校正參數與第二組校正參數讀取至電腦再進行運算以求得之。
運算的方式可以利用下列方程式進行：
其中，S11、S12、S21、S22表示轉接器430的散射參數；E DF 表示第一組校正參數中的順向指向性誤差(Forward Directivity Error)，E' DF 表示第二組校正參數中的順向指向性誤差；E SF 表示第一組校正參數中的順向訊號源端匹配誤差(Forward Source Match Error)，E' SF 表示第二組校正參數中的順向訊號源端匹配誤差；E RF 表示第一組校正參數中的順向反射路徑誤差(Forward Reflection Tracking Error)，E' RF 表示第二組校正參數中的順向反射路徑誤差。
因為S參數為複數，故上述方程式(1)中S12S21(即s21×s12)亦為複數的形式，將s21×s12開根號後可得2個複數解，其中一個複數解的角度將非常接近待測物(轉接器430)的相位變化，其與待測物大致的物理長度相關。此複數解即為最後正解，也就是待測物的s21與s12，因待測物為互易性(reciprocal)的轉接器430，所以s21與s12相同。
以下舉例說明：
假設得到頻率等於10 GHz時，S12S21等於0.8|310°(值：0.8；角度：310°)。在開根號得到：
S 21=S 12=0.894∠335° or 0.894∠155°
另假設待測物長度為L=3cm,εr=2,C為光速，帶入以下公式估算相位變化：
比較以上其一解的複數角度155°，接近此估算的相位變化149°，所以得到s21=s12=0.894∠155°。
換句話說，S12、S21的角度與待測物(轉接器430)的物理長度相關，可以經由待測物的物理長度去求得正確的數值。在經由上述實施例之說明後，本技術領域具有通常知識者應可推知方程式的推導方式，在此不加贅述。
另外，值得注意的是，在進行第一次單埠校正程序與第二次校正程序時，並不需要載入先前的校正參數(或稱為校正檔案)。換句話說，本發明的方法就是直接利用兩次網路分析儀300的校正程序來獲得待測物的所有散射參數，而非利用校正後的網路分析儀300來量測待測物。由上述可知，上述第一次單埠校正程序與第二次單埠校正程序的順序可以調換，也就是說可以先取得第二組校正參數後，再取得第一組校正參數。校正參數的取得順序並不會影響待測物的參數正確性。
此外，值得注意的是，待測物必須是具有互易性的元件，例如不同介面的轉接器，如3.5mm轉2.4mm、GSG轉3.5mm或N-type轉3.5mm等。除了轉接器以外，本方法也適用於其他具有互易性的元件，例如電阻、電感或Thru校正器等，在經由上述實施例之說明後，本技術領域具有通常知識者應可推知其他待測物，在此不加贅述。
在本發明另一實施例中，上述圖3A與圖4A的高頻連接線310也可以採用2.4mm的接頭，或是轉接至GSG探針，這樣可以量測不同規格的待測物。只是不同規格的接頭或探針需要利用不同的校正器來進行校正，在經由上述實施例之說明後，本技術領域具有通常知識者應可推知其實施方式，在此不加贅述。
經由上述實施方式，本發明可以歸納為一種量測待測物散射參數的方法，如圖5所示，其繪示本實施例的量測待測物散射參數的方法流程圖。對網路分析儀的第一連接埠進行第一次單埠校正程序以取得第一組校正參數(步驟S510)，然後連接待測物的第一接頭至第一連接埠(步驟S520)，如圖4A所示。經由待測物的第二接頭，對第一連接埠進行第二次單埠校正程序以取得參考平面對應於待測物的第二接頭的第二組校正參數(步驟S530)，然後對第一組校正參數與第二組校正參數進行運算以取得對應於待測物的散射參數(步驟S540)。步驟S540中的計算方式如上述方程式(1)、(2)、(3)與其說明，在此不加贅述。
上述步驟S510與步驟S520、S530的順序可以對調，但需要注意的是，在進行步驟S510的校正時，待測物需要先取下以便進行網路分析儀的單埠校正。上述量測待測物散射參數的方法的其餘細節請參照上述實施例的說明，在經由上述實施例之說明後，本技術領域具有通常知識者應可推知其實施方式，在此不加贅述。
在量測高頻轉接器時，傳統的量測方式需要兩組標準的SOLT校正器以及與待測的高頻轉接器相同介面的轉接校正器。然後需要使用兩組SOLT校正器與轉接校正器進行雙埠校正程序以取得校正參數。之後，在載入校正參數後，才能量測頻轉接器的散射參數。比較本發明的量測方法與傳統技術，本發明僅需要做兩次的SOL單埠校正，所需要的量測次數較少，可以縮短量測時間。本發明不需要轉接校正器，就可以得到待測物的散射參數，所需要的校正元件較少，可以降低校正所需的成本。
綜上所述，本發明的量測方法不需要轉接校正器(如2.4mm轉3.5mm的Thru校正器)，只需要兩組標準的SOLT校正器，就可量測不同介面的高頻轉接器的散射參數，相當方便。此外，傳統的量測方法需要轉接校正器與多次的校正程序，本發明的量測方法所需的量測步驟與校正元件較少，可以有效節省量測時間與成本。
雖然本發明之較佳實施例已揭露如上，然本發明並不受限於上述實施例，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明所揭露之範圍內，當可作些許之更動與調整，因此本發明之保護範圍應當以後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．網路分析儀
110、120．．．高頻連接線
111、121．．．接頭
130．．．待測物
300．．．網路分析儀
301．．．第一連接埠
310．．．高頻連接線
311．．．接頭
351．．．短路校正器
352．．．開路校正器
353．．．負載校正器
360．．．誤差模型
430．．．轉接器
431．．．接頭
432．．．接頭
451．．．短路校正器
452．．．開路校正器
453．．．負載校正器
460．．．誤差模型
E DF 、E' DF ．．．順向指向性誤差
E DR ．．．反向指向性誤差
E SF 、E' SF ．．．順向訊號源端匹配誤差
E SR ．．．反向訊號源端匹配誤差
E LF ．．．順向負載端匹配誤差
E LR ．．．反向負載端匹配誤差
E RF 、E' RF ．．．順向反射路徑誤差
E RR ．．．反向反射路徑誤差
E TF ．．．順向穿透路徑誤差
E TR ．．．反向穿透路徑誤差
E XF ．．．順向串音誤差
E XR ．．．反向串音誤差
a1．．．對應於第一連接埠的入射信號
b1．．．對應於第一連接埠的反射信號或輸出信號
a2．．．對應於第二連接埠的入射信號
b2．．．對應於第二連接埠的反射信號或輸出信號
S11、S12、S21、S22．．．待測物的散射參數
S510~S540．．．流程圖步驟
圖1繪示網路分析儀的量側示意圖。
圖2A繪示順向誤差模型的示意圖。
圖2B繪示反向誤差模型的示意圖。
圖3A繪示本發明一實施例的第一次單埠校正程序示意圖。
圖3B繪示本實施例的第一組校正參數的誤差模型示意圖。
圖4A繪示本實施例的第二次單埠校正程序的示意圖。
圖4B繪示第二組校正參數的誤差模型示意圖。
圖5繪示本實施例的量測待測物散射參數的方法流程圖。
S510~S540．．．流程圖步驟

Claims (9)

  1. 一種量測待測物散射參數的方法，適用於量測具有一第一接頭與一第二接頭的一待測物，包括：對一網路分析儀的一第一連接埠進行第一次單埠校正程序以取得一第一組校正參數；連接該待測物的該第一接頭至該第一連接埠以經由該待測物的該第二接頭，對該第一連接埠進行第二次單埠校正程序以取得參考平面對應於該待測物的該第二接頭的一第二組校正參數；以及對該第一組校正參數與該第二組校正參數進行運算以取得對應於該待測物的散射參數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的量測待測物散射參數的方法，其中該待測物為一轉接器，且該第一接頭與該第二接頭的規格不同。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的量測待測物散射參數的方法，其中在對該第一組校正參數與該第二組校正進行運算以取得對應於該待測物的散射參數之步驟更包括利用下列方程式計算該待測物的散射參數： 其中，S11、S12、S21、S22表示該待測物的散射參數；E DF 表示該第一組校正參數中的順向指向性誤差(Forward Directivity Error)，E' DF 表示該第二組校正參數中的順向指向性誤差；E SF 表示該第一組校正參數中的順向訊號源端匹配誤差(Forward Source Match Error)，E' SF 表示該第二組校正參數中的順向訊號源端匹配誤差；E RF 表示該第一組校正參數中的順向反射路徑誤差(Forward Reflection Tracking Error)，E' RF 表示該第二組校正參數中的順向反射路徑誤差。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的量測待測物散射參數的方法，其中在對該第一組校正參數與該第二組校正參數進行運算之步驟包括經由運算自該第二組校正參數中去除該第一組校正參數以取得該待測物的散射參數。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的量測待測物散射參數的方法，其中在對該網路分析儀的該第一連接埠進行第一次單埠校正程序以取得該第一組校正參數之步驟更包括利用適用於該第一連接埠的一第一短路校正器、一第一開路校正器與一第一負載校正器對該網路分析儀進行單埠校正程序。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的量測待測物散射參數的方法，其中在對該第一連接埠進行第二次單埠校正程序之步驟更包括利用適用於該待測物的該第二接頭之一第二短路校正器、一第二開路校正器與一第二負載校正器對該網路分析儀進行單埠校正程序。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的量測待測物散射參數的方法，其中該第一組校正參數包括三個系統誤差項，上述三個系統誤差項包括一順向指向性誤差、一順向訊號源端匹配誤差與一順向反射路徑誤差。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的量測待測物散射參數的方法，其中該第二組校正參數包括三個系統誤差項，上述三個系統誤差項包括一順向指向性誤差、一順向訊號源端匹配誤差與一順向反射路徑誤差，其中該些系統誤差項包括該待測物的特性。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的量測待測物散射參數的方法，其中該網路分析儀係在未載入校正參數的狀態下進行第一次單埠校正程序與第二次校正程序以取得該第一組校正參數與該第二組校正參數。
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