怎樣設(shè)計(jì)和驗(yàn)證 TRL 校準(zhǔn)件以及 TRL 校準(zhǔn)的具體過程

1、怎樣設(shè)計(jì)和驗(yàn)證 TRL 校準(zhǔn)件以及 TRL 校準(zhǔn)的具體過程劉迪安捷倫公司網(wǎng)絡(luò)分析儀產(chǎn)品事業(yè)部,北京市朝陽區(qū)望京北路 3號(hào), 100102電話郵件:di_liu摘要:TRL 校準(zhǔn)是一種非常精確的校準(zhǔn)方式,尤其適用于網(wǎng)絡(luò)分析儀的非同軸測(cè) 量。本文詳細(xì)探討了有關(guān) TRL 校準(zhǔn)的整個(gè)環(huán)節(jié),從設(shè)計(jì) TRL 標(biāo)準(zhǔn)件的要求,到設(shè) 計(jì) TRL 校準(zhǔn)件參數(shù)的確定, TRL 校準(zhǔn)件設(shè)計(jì)后的驗(yàn)證,以及 TRL 校準(zhǔn)時(shí)的具體過 程,最后到完成這次非同軸測(cè)量,方方面面都涵蓋了,希望能為大家以后進(jìn)一步研 究 TRL 校準(zhǔn)提供相應(yīng)的參考。關(guān)鍵詞:TRL 校準(zhǔn);非同軸測(cè)量;網(wǎng)絡(luò)分析儀How to

2、design and verify TRL cal kit also implementation of TRL calibration Liu DiCTD, Agilent Technologies, Inc.No.3 WangJing Bei Lu,ChaoYang District, Beijing 100102 TelEmail:di_liuAbstract: TRL calibration is a very accurate calibration method for network analyzer measurement, especially f

3、or non-coaxial measurement. In this paper, we discuss the whole process regarding TRL cal, including the requirement of TRL standards, the specific parameters of TRL standards, verifying of the designed TRL cal kit, the implementation of TRL cal, and also the non-coaxial measurement. This paper can

4、be a reference for people who want to know TRL cal and make more research on TRL cal. Keyword: TRL calibration; non-coaxial measurement; network analyzer引言我們大家都知道傳統(tǒng)的 SOLT 校準(zhǔn),即短路 -開路 -負(fù)載 -直通校準(zhǔn), SOLT 校準(zhǔn) 操作方便,測(cè)量準(zhǔn)確度跟標(biāo)準(zhǔn)件的精度有很大關(guān)系,一般只適合于同軸環(huán)境測(cè)量。 而 TRL(Thru, Reflect, Line校準(zhǔn)是準(zhǔn)確度比 SOLT 校準(zhǔn)更高的校準(zhǔn)方式,尤其適合 于非同軸環(huán)境測(cè)量,

5、例如 PCB 上表貼器件,波導(dǎo),夾具,片上晶圓測(cè)量。 SOLT 校準(zhǔn)通過測(cè)量 1個(gè)傳輸標(biāo)準(zhǔn)件和三個(gè)反射標(biāo)準(zhǔn)件來決定 12項(xiàng)誤差模型,而 TRL 校 準(zhǔn)是通過測(cè)量 2個(gè)傳輸標(biāo)準(zhǔn)件和一個(gè)反射標(biāo)準(zhǔn)件來決定 10項(xiàng)誤差模型或者 8項(xiàng)誤 差模型,取決于所用網(wǎng)絡(luò)分析儀的接收機(jī)結(jié)構(gòu)。TRL校準(zhǔn)極其準(zhǔn)確,在大多數(shù)的場(chǎng)合中比 SOLT 校準(zhǔn)準(zhǔn)確多了。但是,很少 有直接的 TRL 校準(zhǔn)件存在,一般要求用戶根據(jù)所用夾具的材料及物理尺寸,工作 頻率,來設(shè)計(jì)制造出相應(yīng)的 TRL 校準(zhǔn)件。用戶使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量元器件時(shí),采 用不同的夾具,就要設(shè)計(jì)不同的 TRL 校準(zhǔn)件,因此,對(duì)于用戶來說,有一定的難 度和挑戰(zhàn)性。但事實(shí)上

6、,由于 TRL 校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)件不需要制作的像 SOLT 校準(zhǔn)的標(biāo) 準(zhǔn)件那么精確, TRL 校準(zhǔn)的精度只是跟 TRL 標(biāo)準(zhǔn)件的質(zhì)量,重復(fù)性部分相關(guān),而不是完全由標(biāo)準(zhǔn)件決定,因此, TRL 校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)件跟 SOLT 相比更容易制作,它 們的特性也更容易描述。1 TRL標(biāo)準(zhǔn)件的要求1.1 TRL標(biāo)準(zhǔn)件的要求通常來說, TRL 標(biāo)準(zhǔn)件的要求如下:(1直通標(biāo)準(zhǔn)件電氣長(zhǎng)度為 0時(shí),無損耗,無反射,傳輸系數(shù)為 1;電氣長(zhǎng)度不為 0時(shí),直通 標(biāo)準(zhǔn)件的特性阻抗必須和延遲線標(biāo)準(zhǔn)件相同,無須知道損耗,如果用作設(shè)為參考測(cè) 量面,電氣長(zhǎng)度具體值必須知道,同時(shí),如果此時(shí)群時(shí)延設(shè)為 0的話,參考測(cè)量面 位于直通標(biāo)準(zhǔn)件的中間。

7、(2反射標(biāo)準(zhǔn)件反射系數(shù)的相位必須在正負(fù) 90度以內(nèi),反射系數(shù)最好接近 1,所有端口上的 反射系數(shù)必須相同,如果用作參考測(cè)量面的話,相位響應(yīng)必須知道。(3延遲線 /匹配負(fù)載延遲線的特性阻抗作為測(cè)量時(shí)的參考阻抗,系統(tǒng)阻抗定義為和延遲線特性阻抗 一致。延遲線和直通之間的插入相位差值必須在 20度至 160度之間 (或 -20度至 -160度 ,如果相位差值接近 0或者 180度時(shí),由于正切函數(shù)的特性,很容易造成相 位模糊。另外,最優(yōu)的相位差值一般取 1/4波長(zhǎng)或 90度。當(dāng)工作頻率范圍大于 8:1時(shí),即頻率跨度與起始頻率比值大于 8時(shí),必須使用 1條以上的延長(zhǎng)線,以便覆蓋整個(gè)頻率范圍。當(dāng)工作頻率太高

8、時(shí), 1/4波長(zhǎng)的延遲 線物理尺寸很短,不好制作,這時(shí)候,最好是選擇非 0長(zhǎng)度的直通,利用兩者差 值,來增大延遲線的物理尺寸。匹配的阻抗同樣確立測(cè)量時(shí)的參考阻抗,同時(shí),匹配負(fù)載在各個(gè)測(cè)試端口的反 射系數(shù)必須相同。1.2 TRL標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)時(shí)的考慮以上都是對(duì) TRL 校準(zhǔn)件的通常要求,具體設(shè)計(jì)時(shí),一般有以下考慮:(1PCB 上連接頭的一致性越好,損耗越低, TRL 校準(zhǔn)件的效果就越理想。(2直通標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)定了參考測(cè)量面,如果是測(cè)量多端口器件時(shí),直通標(biāo)準(zhǔn)件盡量長(zhǎng) 一些,以減少連接頭之間的串?dāng)_,但是也不用太長(zhǎng),以免浪費(fèi)空間。(3參考測(cè)量面最好定在直通標(biāo)準(zhǔn)件的中間,這樣的話電磁場(chǎng)相對(duì)參考測(cè)量面是對(duì) 稱的。

9、(4開路標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)現(xiàn)起來最容易,但是由于開路標(biāo)準(zhǔn)件存在邊緣電容效應(yīng),所以我 們必須通過測(cè)量或者 3D-EM 仿真來獲得開路標(biāo)準(zhǔn)件的邊緣電容。(5短路標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)現(xiàn)起來要麻煩些,因?yàn)橐_切的知道放置短路標(biāo)準(zhǔn)件過孔的位 置,保證過孔的邊緣剛好放置在短路標(biāo)準(zhǔn)件的末端。同時(shí),短路標(biāo)準(zhǔn)件的好壞 還取決于過孔的鉆孔技術(shù) , 一般說來激光打孔比普通的機(jī)械鉆孔技術(shù)要好很多。 (6負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)件通過 2個(gè) 100 ohm的表貼阻抗來實(shí)現(xiàn),一般來說,設(shè)計(jì)一個(gè)低頻下 的負(fù)載要比高頻下容易的多,這也是為什么高頻下設(shè)計(jì)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件時(shí)要采用多 條延遲線標(biāo)準(zhǔn)件的原因之一。(7延遲線的相位跟信號(hào)傳播時(shí)的相速,對(duì)應(yīng)頻率,有效介電常數(shù)有關(guān)。

10、微帶線由 于沒有一個(gè)固定的介電常數(shù),所以必須使用有效介電常數(shù)來考慮空氣和 PCB 板 材混合后帶來的影響。(8設(shè)計(jì)時(shí),多條延遲線的頻率范圍最好有重疊,這樣能夠保證多條延遲線能夠覆 蓋我們要求的頻率范圍。2 TRL標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)2.1 具體參數(shù)的確定考慮設(shè)計(jì)一個(gè)基于 Rogers 4350板材的 TRL 校準(zhǔn)件,工作頻率范圍從 10MHz 到 20GHz , Rogers 4350板材的介電常數(shù)為 3.48±0.05,直通設(shè)計(jì)為非 0長(zhǎng)度,則各個(gè) 標(biāo)準(zhǔn)件的具體參數(shù)如下圖所示: 圖 1 TRL校準(zhǔn)件中各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件的具體參數(shù)從圖 1中我們可以知道各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件的實(shí)際物理尺寸,然后就可以開始在 PC

11、B 上布 局,布線,最后進(jìn)行制板了,大致的效果如下圖 2所示。3 TRL標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)后的驗(yàn)證TRL校準(zhǔn)件做好之后,我們就要開始驗(yàn)證我們制作的 TRL 校準(zhǔn)件到底好不 好。對(duì)于短路和開路校準(zhǔn)件,我們只要保證短路或開路標(biāo)準(zhǔn)件在各個(gè)測(cè)試端口的反 射系數(shù)相等就好了,至于開路標(biāo)準(zhǔn)件的邊緣電容,短路標(biāo)準(zhǔn)件的駐留電感,可以都 設(shè)為 0;至于負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)件,只要保證終止頻率時(shí),阻抗能為 50歐姆或者接近 50歐 姆就可以了;而對(duì)于直通標(biāo)準(zhǔn)件,就沒什么具體要求了。TRL標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)后最重要的驗(yàn)證是對(duì)延遲線頻率范圍的確定,由于要求延遲 線標(biāo)準(zhǔn)件與直通標(biāo)準(zhǔn)件的相位差位于 20度到 160度,所以我們可以通過 memory

12、trace 來測(cè)量出延遲線標(biāo)準(zhǔn)件與直通標(biāo)準(zhǔn)件的相位差,根據(jù)相位差從 20度到 160度,我們可以確定相應(yīng)的頻率范圍,如圖 3所示,從圖 3我們可以知道, Line1的 頻率范圍是從 101MHz 到 820MHz ,滿足我們最初設(shè)計(jì)時(shí)對(duì) Line1的要求。同樣 的, Line2也是采用相同的方法來確定頻率范圍。此時(shí),也能夠測(cè)量出 Line1,Line2和直通標(biāo)準(zhǔn)件之間的時(shí)延差,這將會(huì)在新建 TRL 校準(zhǔn)套件時(shí)候用到,圖 4是 Line1的時(shí)延測(cè)量值。 圖 2 TRL校準(zhǔn)件布局大致效果圖 圖 3 通過 PNA-X 驗(yàn)證 Line1的頻率范圍 圖 4 基于 PNA-X 的 Line1的時(shí)延測(cè)量值4

13、 TRL校準(zhǔn)4.1 創(chuàng)建 TRL 校準(zhǔn)套件完成了 TRL 標(biāo)準(zhǔn)件的驗(yàn)證后,我們就可以開始創(chuàng)建新的 TRL 校準(zhǔn)套件,創(chuàng)建 的過程很簡(jiǎn)單,總的說來要注意以下幾點(diǎn):(1短路,開路,負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)件都只需確定頻率范圍,以及連接頭類型。(2直通標(biāo)準(zhǔn)件也只需確定頻率范圍,連接頭類型,同時(shí)時(shí)延為 0。(3延遲線標(biāo)準(zhǔn)件,需要確定頻率范圍,時(shí)延值,多條延遲線時(shí),頻率范圍最好有 交疊,來確保覆蓋整個(gè)頻率范圍。圖 5是一個(gè)創(chuàng)建 TRL 校準(zhǔn)套件的例子。 圖 5一個(gè)創(chuàng)建 TRL 校準(zhǔn)套件的例子4.2 TRL 校準(zhǔn)具體過程 創(chuàng)建好 TRL 校準(zhǔn)套件后，我們就可以開始進(jìn)行 TRL 校準(zhǔn)了。具體的過程， PNA-X 的校準(zhǔn)向?qū)?/p>

14、會(huì)一步步指導(dǎo)我們?nèi)绾尾僮鳌?下面我們以 4 端口校準(zhǔn)為例，簡(jiǎn)單的說明下如何進(jìn)行 TRL 校準(zhǔn)，圖 6 即 TRL 校準(zhǔn)向?qū)У囊粋€(gè)步驟。 圖 6 TRL 校準(zhǔn)向?qū)?5 TRL 校準(zhǔn)后的測(cè)量結(jié)果 被測(cè)件是 Display Port 電纜，長(zhǎng)度為 2 米。根據(jù) Display Port 電纜的指標(biāo)，我們 知道頻率不超過 300MHz 時(shí)，2 米長(zhǎng)的 Display Port 電纜，其損耗大概為 2dB，基 本上是單位長(zhǎng)度上的損耗為 1dB。圖 7 即 Display port 電纜測(cè)量的設(shè)置環(huán)境，兩塊 PCB 板，剛好各自對(duì)應(yīng)半個(gè)直通長(zhǎng)度。 從圖 8 中，我們可以得到 Display Port 電纜

15、測(cè)量的最終結(jié)果，當(dāng)頻率為 300MHz 時(shí)，S212.1110dB，接近-2dB，滿足相關(guān)指標(biāo)。 圖 7 Display port 電纜測(cè)量的設(shè)置環(huán)境 圖 8 基于 PNA-X 的 Display Port 電纜測(cè)量結(jié)果 6 結(jié)論 TRL 校準(zhǔn)是一種非常精確的校準(zhǔn)方式，尤其適用于網(wǎng)絡(luò)分析儀的非同軸測(cè) 量。本文詳細(xì)探討了有關(guān) TRL 校準(zhǔn)的整個(gè)環(huán)節(jié)，從設(shè)計(jì) TRL 標(biāo)準(zhǔn)件的要求，到設(shè) 計(jì) TRL 校準(zhǔn)件參數(shù)的確定，TRL 校準(zhǔn)件設(shè)計(jì)后的驗(yàn)證，以及 TRL 校準(zhǔn)時(shí)的具體過 程，最后到完成這次非同軸測(cè)量，方方面面都涵蓋了，希望能為大家以后進(jìn)一步研 究 TRL 校準(zhǔn)提供相應(yīng)的參考。 參考文獻(xiàn) 1 Ag

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