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在低成本测试夹具上实现对表面贴装射频元器件的精确去嵌入
来源:本站整理  作者:佚名  2008-08-12 10:35:00



简介


射频工程师通常使用矢量网络分析仪(VNA)测量射频元器件的S参数,以便对其特性进行表征并进行后续设计。他们在测量过程中遇到的一个问题是,这些元器件往往是表贴封装的,不能直接与VNA连接。如图1所示,工程师通常会制作简单的PCB测试夹具来对被测件(DUT)进行表面贴装,建立被测件与VNA的连接。但是,这样的测试夹具本身会给S参数测量带来寄生效应,必须通过一个称为去嵌入的过程来去除这种效应。

图1 PCB测试夹具对被测件(DUT)进行表面贴装


本文描述了一个实用的去嵌入过程,它不需建立连接DUT输入和输出馈线的等效电路模型,也不要求输入馈线和输出馈线对称。只需要有一个能够完成S参数和S-Y-Z矩阵转换的简易线性仿真器即可。本例使用了Agilent EEsof EDA开发的Genesys虚拟网络分析仪软件,并给出了使用该软件过程的截屏。

去嵌入的步骤


去嵌入可以分为以下五个步骤


①制作三个PCB夹具,分别为开路、短路和连接DUT三种配置。


②使用网络分析仪测量开路、短路和连接DUT三种配置的S参数。


③通过减去使用短路夹具测试得到的Z参数,从而在嵌入DUT和开路夹具中去除串联寄生效应。


④通过减去上一步操作得到的开路夹具的Y参数,从而去除嵌入DUT的并联寄生效应。


⑤把第四步的Y因数转换为S参数,获得实际的DUT特征值。


Genesys虚拟网络分析仪软件可以非常方便地自动执行上述步骤。下面将详细描述这些步骤。此处使用较粗的低阻抗传输线作为DUT,以描述去嵌入前后的结果。


第一步:制作三个PCB夹具,分别为开路、短路和连接DUT的配置

图2 连接DUT的PCB


制作三个PCB夹具,开始进行去嵌入。图2为连接DUT的PCB。

图3 开路夹具


如图3所示,开路夹具是未安装DUT且只有传输线与输入端和输出端相连的PCB。此夹具具有串联和并联的寄生效应。

图4 短路夹具


如图4所示,短路夹具是在开路夹具(见图3)的基础上,通过钻出一排接地过孔,将连接DUT输入和输出参考面的传输线两端短路而制成的。接地过孔造成的短路将会去除并联寄生效应,只剩下串联寄生效应。


第二步:测量开路、短路和连接DUT的夹具的S参数


使用经过适当校准后的VNA测量3个夹具的S参数,并将结果保存为“Open_Data”、“Short_Data”和“DUT_data”。通过在史密斯圆图上显示它们的S参数,来验证短路和开路测量的质量。

图5开路夹具的响应


图5显示了开路夹具的响应。S参数位于史密斯圆图右侧的开路区域。此图显示了开路夹具中的并联电容寄生效应。

图6 短路夹具的响应


图6显示了短路夹具的响应。S参数位于史密斯圆图左侧的短路区域,并包含一定的串联电感。由于过孔的存在,这样的响应是正常的。

图7 去嵌入之前的DUT响应


图7显示了去嵌入之前的DUT(在本例中为一段粗传输线)响应。


第三步:减去短路夹具的Z参数,以去除DUT和开路夹具的串联寄生效应


 通过减去Z参数,我们可以从连接DUT的夹具和开路夹具中去除短路夹具的串联寄生效应。

图8 利用Genesys的公式编辑器,去除串联寄生效应和并联寄生效应


如图8所示,首先在Genesys软件的公式编辑器中,使用第7、12和18行命令将测得的“Open(开路)”、“Short(短路)”和“DUT(连接DUT)”的S参数转换成Z参数。也可以通过别的方式进行相同的矩阵转换运算,但是这种方法要方便得多。


如图8中第23和26行所示,我们现在可以执行减法运算,去除“DUT”和“Open”测量中的串联寄生效应。
第四步:减去第3步中的开路夹具的Y参数,从而去除DUT的并联寄生效应


现在可以通过减去Y参数来去除并联寄生效应。如图8所示,使用第24和27行命令分别将第3步中的“DUT”和“OPEN”的Z参数转换成Y参数;使用第23行命令从DUT中减去“OPEN”的Y参数所代表的并联寄生效应。


第五步:把第4步中的Y参数转换为S参数,从而获得实际的DUT特征


去嵌入的最后一步是使用图8所示的第36行命令,将最终获得的DUT的Y参数转换回S参数。

图9 比较结果


如图9所示,为了验证这些去嵌入步骤是否正确无误,我们在史密斯圆图上对仿真的DUT参数与通过上述步骤获得的去嵌入S参数进行了比较。


比较结果表明,去嵌入结果是正确的。请注意,得出的史密斯圆图与仅对DUT(粗传输线)进行仿真的结果完全匹配。 

总结


本文描述和验证的去嵌入技术是一种非常实用的方法。采用它,工程师可以把元器件焊到PCB上,并使用VNA和简易的自制测试夹具获得精确的测量结果。为了保证良好的精度,基片上连接DUT的馈线越短越好,最好小于波长的1/20。

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