【原创教程】TRL微波器件测量去嵌入校准–实验测试

采用测量夹具得到数据必然包含夹具对待测件(DUT)的影响,为得到器件的真实S参数,必须去除该影响(通常称为去嵌入)。上世纪70年中期,Bianco等人对测量夹具的去嵌入方法进行了理论研究,Franzen 和Speciale提出了TSD (Through-Short-Delay)的二端口校准算法,该算法实现了简便、快速、精确的显式校准,后来,Engen和Hore把TSD技术推广为TRL(Through-Reflect-Line)技术,此后TRL校准得到广泛应用。

(1)八项误差模型

    TRL校准算法的功能是将测量由夹具两端测量参考面搬移到DUT两端的校准参考面,实现DUT的直接测量。

TRL 校准误差模型

    如上图所示,通常采用8项误差模型来描述夹具特性,TRL校准就是计算夹具散射参数。虽然上述误差模型中包含八个未知量,但进一步推导发现,仅需七个量就可进行完成夹具的去嵌入。篇幅有限,关于TRL算法的数学推导就不详细列举,这个给大家推荐一个非常好的PPT(可自行上网搜索,或联系微信useful2you索取)

(2)校准三步曲

    由于TRL校准过程中各个部分相互级联,为方便推导,将夹具、校准件及待测器件的S参数转换为T参数进行计算,总体来说,TRL校准分为三步:

首先,通过直通校准件和延时校准件的测量数据求得微带线的传播常数(复数),这一过程可得到两个单独未知量和两个独立关系式(包含四个变量);

然后,利用直通校准件测量数据和上述求解结果又可以得到两个独立关系式(包含四个变量);

    最后,联立反射校准件测量数据和两个已知变量、四个独立关系式,可以求解所需七个未知数。

因此待测件的真实响应

    与其它校准算法相比,TRL校准件制作简单,一旦选定校准件,所有步骤求解均为显示表达,可完成自动化校准。

(3)去嵌入验证

    一旦读者对上述推导过程了然于心,便可以自己编程实现TRL去嵌入算法。这里推荐使用Matlab(初学者可以参考本公众号文章“Matlab快速入门五分钟教程”),可以很方便利用现成函数进行S参数导入、导出,方程求解以及绘图等等。按照前面推荐的教程和自己的理解,编写了TRL去嵌入的matlab代码(免费分享),下面进行实验测试。

    以村田1pF电容为例,分别得到TRL三类校准件的S参数和加载有电容的夹具S参数,通过去嵌入校准得到电容的S参数与厂家提供的结果进行对比,结果如下图所示。

校准件及测试夹具S参数

去嵌入测试S参数

    不难发现,去嵌入测试结果的幅相响应吻合很好,其中S11存在少许差别,这可能是器件参数的偏差引起的(毕竟每个器件出厂时都与典型值有一定偏差)。

(4)测试一致性检验

    实际测量中,影响测量精度的因素很多,例如测试仪器的动态范围与稳定性、测量夹具加工的精度等。为衡量一个测量夹具性能的好坏,需要进行多次测量,观察结果的一致性。

    首先,需要对测试仪器本身的幅度和相位稳定特性进行测量,测试重复进行了 30 次,结果如下图所示,可以发现,仪器自身的幅度稳定特性随频率变化较为显著,相位特性相对稳定。

    然后,分别对焊接夹具和免焊接夹具进行重复测量。对于焊接夹具,将同一待测器件反复焊接十次,而对于免焊接夹具,反复压接器件十次,得到的测量结果后,再进行统计分析,最终结果如下图所示。对比可以发现,改进型夹具的测量一致性与系统测量一致性基本处于同一水平,而普通夹具的幅度和相位测量一致性在 1.6GHz 一下总体偏差,相位项一致性在全频段偏差。因此,采用压接处理的改进型夹具在操作效率、测量稳定性等方面都具有一定的优势。

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