當前位置: 首頁>>新聞中心

微波射頻差分探針去嵌入理論研究

摘 要

為了獲得被測件( DUT )準確的散射參數( S 參數),研究了用于差分網絡的去嵌入理論。在經典的差分探針結構的基礎上,提出了一種可以抑制差分測試中共模信號影響的新型差分探針模型,即信號 - 信號探針( SS 探針)。并完成了直通 - 反射 - 傳輸線( TRL )校準件和 DUT的設計,推導了差分網絡的多模去嵌入理論,編寫算法并利用測試數據進行計算,仿真與測試結果表明在 0~8GHz 的頻率范圍內,去嵌入后的散射參數的幅度、相位與仿真結果一致性較好。

           引 言
 
       隨著高頻高速電路的快速發展,對電路在高頻乃至微波頻段的實際特性的掌握要求越來越高。尤其在對微波射頻電 路 及 元 器 件 進 行 測 量 時,需 要 得 到 被 測 件 ( deviceunder test , DUT )真實且精確的傳輸特性。推導出能夠通過測量得到微波射頻電路及元器件在片的實際傳輸特性的方法,盡可能避免測量過程中可能出現的誤差,并對所提方法進行驗證分析和擴展應用是當前該領域的研究熱點。在片測試系統中,最常使用的是同軸線型的探針來連接測試儀器與被測件 。

 

一般情況下,同軸線型探針由同軸線的內導體向外延伸與被測件端口相連的電路連接,同軸線的外導體與測試電路的地相接。然而由此測試得到的數據是由探針、焊盤以及被 測 件 共 同 影 響 的 參 數 (通 常 是 微 波 網 絡 散 射 參數( scatteromg parameter ,S參數)),如何去除探針和焊盤的影響,消除測量誤差,得到 DUT 真實的特性參數,是微波射頻測量技術發展所必須解決的問題,也是本文需要研究的重點。本文研究了用于差分網絡的去嵌入理論。在經典的差分探針結構的基礎上,提出了一種可以抑制差分測試中共模信號影響的新型差分探針模型。并完成了直通 -反射 - 傳輸線( thru - reflect - line , TRL )校準件和 DUT 的設計,推導差分網絡的去嵌入理論并編寫算法進行計算,實驗結果表明待測件的去嵌入結果與仿真結果一致。

 

1  差分網絡多模式混合S參數

      S 參數原本是為單端網絡定義的,但 Bockelman 等研究了如何使單端 S 參數適用于差分電路,研究了用于解決差模和共模工作的差分電路的“混合S參數”,以及兩種工作模式之間的轉換關系。

 

由差模波和共模波的定義,可以將差分線的混合模 S參數定義為:

 

 

式中:上標 d 、 c 表示模式, d 代表差模, c 表示共模;下標 i 、j 表示差分網絡兩側的廣義端口;分別表示純差模和純共模的S參數;表示差模和共模相互轉換的S參數,其中表示端口 j 到端口 i 的差模到共模的轉換,表示端口 j 到端口 i 的共模到差模的轉換。因為實際情況的差分電路難免存在不平衡性,模式轉換參數必然會存在  。將方程組(1 )改寫為矩陣形式:

 

 

  其中,

 

 

出射波 b 具有與上式相同的結構,因此,令:

 

 

得到4 端口標準 S 參數與差分網絡混合 S 參數關系式:

 

 

式中:上標 m 、 n 表示輸出、輸入模式;std 表示4端口網絡的標準參數。

 

在定義了差分網絡的混合S參數后,還需要對混合 S參數的特性和應用作分析。通常情況下,差分網絡并不只由一個單獨的差分組件構成,而是由多個差分子網絡組成。在對多個差分網絡級聯的混合S參數進行計算時,方法有很多種,最常使用的方法是使用傳輸矩陣法來計算級聯網絡混合S參數  。可以觀察到,混合S參數可將其看作是由每個端口同時傳輸差模和共模的二端口網絡的廣義S參數,由此可以方便于計算廣義傳輸 T 矩陣,進而對級聯差分網絡進行研究,通過對廣義傳輸 T矩陣和廣義S參數矩陣的研究,可以得到它們之間的變換公式:

 

 

2  差分網絡去嵌入的理論推導

2.1  差分網絡去嵌入的一般結論

 

如圖 1 所示,差分網絡去嵌入測試中,對差分電路的測量依然可以看作 3 個網絡的級聯:誤差網絡 A ,待測件DUT ,誤差網絡B 。

 

在這里使用矩陣 T A 表示誤差網絡 A 的從左邊測試端口到 DUT 左側測量參考面的廣義傳輸矩陣;矩陣 T B 表示誤差網絡 B 的從右邊測試端口到 DUT 右側測量參考面的廣義傳輸矩陣,而不是從參考面到測試端口 ;表示單獨的 DUT 的廣義傳輸矩陣。使用表示誤差網絡 B 從左到右的廣義傳輸矩陣,這里稱為 T B 的廣義反向傳輸矩陣。可以證明,廣義反向傳輸矩陣與廣義傳輸矩陣T B 之間有關系:

 

式中:表示反向傳輸矩陣算子;表示置換算子。于是,差分傳輸網絡的測量中,測量得到包含三個差分級聯網絡的整體混合S參數后,經過轉換變為級聯的廣義傳輸矩陣,有:

 
      
 

式中:T Mx 表示測試得到的整體的廣義傳輸矩陣。

 

用于差分網絡去嵌入校準的多模直通 - 反射 - 傳輸線方案( multimode- thru - reflect - line , MTRL )是通過測量兩條不同長度的傳輸線及左右對稱相同的兩個反射校準件來完成去嵌入操作的。所使用的校準件是能夠傳輸差模和共模信號的差分結構校準件,反射校準件的反射性能要非常好。通過測量差分去嵌入系統的直通校準件、線校準件及反射校準件,求得 DUT的廣義傳輸矩陣 T Nx 的表達式中各未知項, DUT的廣義傳輸矩陣便可求得:

 

 

首先討論對直通校準件進行測量的情況。根據差分網絡級聯廣義傳輸矩陣的性質,得到其整體的廣義傳輸矩陣:

 

 

直通校準件的長度一般為0 ,其廣義傳輸矩陣 T NT 為單位矩陣。

 

接下來對線校準件進行測量,可得線校準件整體的廣義傳輸矩陣為:

 

 

假設線校準件的長度為 l ,且沒有反射,則線校準件的廣義傳輸矩陣為:

 

 

式中:γ 1 和 γ 2 分別表示傳輸線上差模和共模的復傳播常數。結合式( 10 )與式(11 )可得:
 

 

由 P 、Q 矩陣的相似關系,利用對角矩陣的特征值分解等理論可以得到誤差網絡 A 和 B 的廣義傳輸矩陣為:

 

 

式中:。矩陣 T A0 、 T B0 均已知,兩者分別為 A 和 B 的傳輸矩陣的特征向量所構成的矩陣,且由特征值的分解即可求得,故未知項都包含在矩陣 K 內。

 

為了繼續求出矩陣 K 中的未知數,接下來需要使用反射校準件。反射校準件需要左右對稱且為雙端口結構,其反射系數矩陣包括 4 個模態的 S 參數。

 

對反射校準件測量,兩端的反射系數矩陣分別為:

 

 

式中:Γ R 是對于兩個反射校準件的2×2的反射矩陣;Γ A和 Γ B 是測量端口處得到的2×2的反射矩陣。在對矩陣T A 和 T B 定義時,均為由端口到參考平面的廣義傳輸矩陣  。假設反射矩陣 ΓA 和 Γ B 是對稱的,且反射校準件的反射矩陣 Γ R 的4個項均不為0 ,推導可以得到矩陣 T Nx 與T Nx0 對應項的系數之比為:

 

從上面的表達式可見, T Nx 的表達式最終只與未知符號模糊度 α 和 β 相關,而其它參數均為已知或可根據已知參數求得。若將傳輸矩陣 T Nx 與 T Nx0 轉換成散射矩陣 S Nx與 S Nx0 ,兩個散射矩陣對應項系數之比為:

 

 

α 和 β 可以通過反射校準件的測量與終端反射件反射特性的比較確定,比較反射矩陣中的對應項,可以消去剩余的符號模糊度 α 和 β ,至此完成了差分傳輸網絡的 MTRL去嵌入  。

 

2.2  水平對稱差分網絡的去嵌入
 

在用于差分去嵌入的 MTRL 方法理論推導中,得到廣義散射矩陣對應項的系數之比:

 

其中, k 1 、k 2 、 k 3 、 k 4 均可由矩陣 T A 和 T B 的特征值分解得到。并由上可見,通過直通校準件和線校準件可以確定 DUT的純模式傳輸參數,即

 

接著分析則有,如果差分探針和被測件是關于水平軸對稱的,即可以認為,端口1和2完全相同,端口3和4完全相同。則通過奇偶模分析可以證明差模和共模的轉換參數均為 0 ,并且不同的純模式參數是分開的。這說明差模參數和共模參數相互獨立  。因此通過水平對稱的假設可以省略模式轉換參數,將傳播模式簡化為純差模和純共模。這意味著在水平對稱的測試中,誤差網絡 A和B的廣義級聯矩陣可以通過使用差模和共模的混合 S 參數來表示,進而對差分DUT 的 S 參數進行 MTRL 去嵌入 。若是只對差分 S 參數進行去嵌入,這種對稱性便可將各個4×4矩陣減少為2×2矩陣,并將4端口網絡簡化為雙端口網絡  。

 
3  差分探針去嵌入組件的設計
3.1  新型差分探針的設計與仿真對比

 

差分探針一般使用同軸線制作,信號引腳為同軸線的內導體,外導體與測試電路上的接地焊盤相接。差分探針由兩根長度相同的同軸線共同組成,分別對應兩個信號引腳,以與差分電路適配,例如傳統的地 - 信號 - 信號 - 地探針(ground - sign - sign - ground , GSSG )即是探針尖端為地 - 信號 -信號 - 地的結構  。

 

差分傳輸線系統中,差分傳輸線在傳輸差模信號時,兩根傳輸線互相作為參考,不需要額外的公共參考地;而共模信號是由兩根傳輸線上傳輸相同相位和幅度的信號形成的,其需要一個公共參考地才能實現兩等相位等幅度信號的同時傳輸  。因此,若要抑制共模信號,可以對共模信號的傳輸路徑進行阻斷,同時不對差分信號的傳輸產生影響 。因此本文提出一種去掉接地引腳的差分探針,用于抑制共模信號和模式轉換的信號,提高差分測試系統的模式純凈度,同時將其應用到差分網絡的測試和去嵌入研究中,即信號 - 信號探針( sign - sign probe , SS 探針)。圖 2 所示為本文所設計的差分探針。

通過對 GSSG 探針和 SS 探針的仿真結果如圖 3 對比可知,在頻率較低時(仿真中低于5GHz ),差模信號的傳輸參數 反 射 參 數沒 有 非 常 大 的 差 別;在 高 于5GHz 之后,隨著頻率的上升, SS 結構差分探針的差分信號傳輸損耗開始變大。但可以很明顯地看到,在整個仿真頻率范圍內, SS 結構探針的共模傳輸參數比 GSSG 結構的共模傳輸參數低至少 5dB , SS結構探針的<-10dB ,同時它的要比 GSSG 結構的要大 10dB 左右,這說明使用SS 結構的探針能夠對共模信號的傳輸進行抑制。

圖 3 GSSG 與 SS 探針差分傳輸線的仿真結果

 
3.2 TRL 校準件與待測件的設計與制作
 

差分結構待測件模型如圖4所示,使用微帶線結構,基板使用相對介電常數約為4.4 、損耗角正切tan δ =0.02的 FR - 4 材料,基板的厚度為 0.6mm 。兩條信號線寬度均為0.55mm ,間距為0.26mm ,此時可以使差分傳輸線的差模阻抗 Z diff =100Ω  。差分線對上各有一關于水平軸對稱的支節,支節長度為 5mm 。

 
 

圖 4  差分結構待測件

 

差分網絡的去嵌入研究同樣也需要對應結構的去嵌入校準件,包括直通、線和反射校準件,用于差分結構的TRL 校準件的設計需要 2 個傳輸校準件和 1 個反射校準件。線校準件也至少需要設計 3 條,才能將頻率應用到20GHz ,方便之后的測量 。設計模型如圖 5 所示。

 

4  差分探針去嵌入測試結果

在使用校準后的矢量網絡分析儀對待測件進行測試時,誤差網絡 A 、 B可以歸納為由探針座與探針固定夾具組成的夾具部分、 SMA 連接器與探針主體組成的探針部分、待測電路的測試焊盤與參考面延長線組成的電路部分構成,且左右兩個誤差網絡應盡可能相同。通過級聯網絡的傳輸 T 矩陣,以及終端接反射網絡的特性,由去嵌入算法可以確定 DUT 的 S 參數。利用 MATLAB 中編寫好的去嵌入算法程序,計算出實測的去嵌入結果,注意本文中使用的是微帶結構的差分線,圖 6 所示是差分去嵌入結果與仿真結果的 16 個混合 S 參數對比曲線。

 

圖6   差分 DUT去嵌入實測與仿真對比

 

 在對差分待測件去嵌入實驗測試的結果中,實驗測試的去嵌入混合S參數與仿真結果非常接近,需要注意的是圖中去嵌入的純模式S參數與仿真結果十分接近,而模式轉換S參數卻抖動很大,但平均值都在仿真值附近,初步分析是因為設計的 SS 探針對于共模傳輸的抑制,使得共模幅度幾乎小于-60dB ,因而模式轉換參數較小,在實際測試時誤差相對較大,因而抖動較大。這也說明了新型探針在抑制共模傳輸方面的效果較好,這也從側面驗證了差分電路的抗干擾能力強。

 

另一方面,考慮到特殊情況下的差分網絡,即水平對稱的微帶差分傳輸線,應用純模式去嵌入方法,僅對差模信號進行去嵌入分析,通過去嵌入計算后,可以得到4個純差分模式的去嵌入參數,這里給出了各個S參數的幅度跟相位值,如圖 7 所示。

 

圖 7  純差模去嵌入結果

 

可以看到,應用純差分模式的混合 S參數進行去嵌入,各個 S 參數的幅度和相位的結果都與仿真結果非常接近,這驗證了特殊情況下的差分網絡(即水平對稱的微帶差分傳輸線)理論與算法的正確性。

 

5  結 論

本文中提出了一種可以應用于射頻探針的差分網絡MTRL去嵌入的算法,并設計了一種新型SS探針以及可用于去嵌入測試的 TRL 校準件和待測件。仿真驗證了該新型探針相比經典的 GSSG 探針有著更好的共模抑制效果,而且結構的改變對于差模傳輸的影響可以忽略;通過實驗測試得到的數據和仿真結果來分析,推導的差分網絡MTRL 去嵌入理論與編制的算法是可靠的,應用頻率可高達 8GHz ;并由此也驗證了文中所設計的微帶線去嵌入校準件和待測件都是滿足設計要求的。后續的工作可以將該去嵌入算法應用到在片測試中,比如利用算法獲得的待測件 S 參數來進行介質材料的介電常數的測量。并可以將在片測試法的測試結果與諧振腔微擾法測得介電常數 相比較,也是一個值得深究的課題。(參考文獻略)

 
  • 上海華湘計算機通訊工程有限公司
  • 地址:上海市田州路99號13號樓3層 郵政編碼:200233
  • 電話:021-54451398/54451395 E-mail:shx@shhuaxiang.sina.net
  • 傳真:021-64958230 Web:www.hn-vipeak.com
  • 版權所有 翻版必究  滬ICP備11026574號
  • 技術支持:上海訊望信息技術有限公司
向日葵视频安装包_向日葵视频安装下载安卓版_向日葵视频安装版