射频与微波测试专栏 : 浅谈射频测试治具的设计概念

在现今的通讯领域中,无论是射频、微波或是高速数字通讯的组件测试,我们可以使用相对应的量测仪器设备来做设计、分析、验证及除错的工作,但是,待测物与仪器之间往往会有接口上的问题而无法直接连接,例如待测物为一封装ic,但测试仪器连接端口为同轴型接头,此时就必须针对该待测物尺寸、特性做连接治具,以利量测的进行。而治具的好坏相当重要,它会直接或间接影响到量测的结果,如精确度、重复性及重现性、使用便利性以及是否易造成人为因素的误差等,因此一个良好的设计必须考虑到诸多因素,这也是为何一个治具的设计费用的差异可以从台币数万元、数百万甚至更高。

由于治具所扮演的角色是仪器与待测组件之间的桥梁,因此理想上的治具必须符合没有损失、平坦的频率响应、没有接头的阻抗不匹配、精确已知的电气长度、与输入与输出端的隔离度无穷大为等条件,如此一来使用者就不需要执行治具的校正动作,而只需要透过同轴式的校正方式将仪器的误差扣除即可。但实际上的设计很难达成上述的理想境界,取而代之的为治具的损失比需小于待测组件损失或增益的不确定度、操作频宽必须大于待测组件的量测频宽、治具在连接端的阻抗不匹配效应必须很小、电气长度必须可量测、与隔离度必须小于待测组件的隔离度等条件,并且治具的寄生效应必须搭配适当的校正方式来移除。

在这里,我们以常用的示波器或数字电表做简单的例子,来对治具做一个简单的定义,示波器对外的连接为bnc接头,与待测物间常用一个主动或被动的探针(probe)来侦测待测物的电压、电流特性。以此系统而言,探针就可视为一个治具,探针等效于一个负载电容电路,当电容值不同或频宽不够时,就有可能无法正确地显示出待测组件特性,此时就必须找到一个适合的探针,才能正确的反映出量测结果,因此从仪器测试端口到待测物的接口之间都算是治具的一部份。一般而言,较富挑战性的领域有直流的低电流(na~fa)i-v特性量测、高频阻抗、平衡式组件、非50奥姆系统、自动化测试机台及电磁波辐射量测等,在不同领域中所讨论的内容会有相当大的差异,而本文主要是针对高频组件量测治具方面做一概念性的解说。

何谓校正/参考平面(calibration/reference plane)

从网络、阻抗、时域反射、频谱分析仪甚至功率计中,都会提到所谓的系统误差的校正(calibration),这里所提的校正,并不是仪器因使用了一段时间产生频率飘移、组件老化而进原厂的校验,而是避免一个良好的仪器因外接的缆线、接头、治具等造成系统的不准确值提高所提出的概念,主要目的是要增加量测精确度、重现性及避免因不同的使用者而会有不同量测结果。

以网络分析仪的s参数量测为例,s参数是由侦测入射、反射及穿透的射频讯号振幅及相位来定义,但外接的缆线、测试治具等会造成信号衰减、相位延迟及反射等现象,而校正的目的,就是提供一个标准或特性已知的组件,以数学矩阵的模型计算出外接治具的损耗、延迟等参数,维持与到达标准组件的接面上,得到正规化的振幅大小为1、相位为0度的起始点,这就称为校正平面或参考平面。此时要注意的是,我们是以已知的标准组件做数学的运算,因此定义标准组件的各个参数值、及实际上标准组件与定义值的误差等,都会影响到校正平面的可靠度。此外,仪器并不会知道我们在校正平面之后做了什么事情,因此,若在校正平面之后又接了一段缆线、接头或是微带线(micro strip line)等,仪器会将此视为待测物的一部份,而造成量测上的误差,如图1所示。在高频仪器的校正模型上,我们整理出表1供各位读者参考,有时必须同时使用2种以上的方法将治具误差移除,详细的原理及说明请参阅前几期的新通讯组件杂志trl、网络分析仪、tdr等相关文章。

系统误差

以时域反射仪系统为例,其仪器的测试频宽与步阶信号产器10%~90%的上升时间成反比,而加上缆线后,其系统的上升时间就变成公式1

,其中一项是缆线在高频下衰减3db的频率响应,由公式1得知,系统频宽是信号源、接收器及外部缆线加总的结果,换句话说,系统的整体频宽会受限于最低的频率响应,若是治具的响应,就会使量测结果产生频宽不足的问题。

另外一个例子,是阻抗不匹配的结果产生的衰减及不准确性图2,信号源端的反射系数为γs,有一个能量bs的入射波进入反射系数为γl的负载端,当两接口的阻抗与特性阻抗不一致时,就会产生多重路径的反射,而这种现象,就会产生不准确性误差:,及衰减量:,当不匹配程度愈高,系统不准确性就会愈明显。当然,某些误差可以透过校正的方式扣除,如相位延迟、信号衰减、隔绝度等,但若我们在执行校正时,信号振幅的不准确度就相当高,这时在校正后的准确性,就值得商榷了。

治具设计的概念

在治具设计之前,要先定下一个基本的目标图3,例如要设计serial ata的连接器治具,对待测组件频宽的要求、耗损、隔离度、串音、偏移(sk

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发布日期:2019年07月02日  所属分类:参考设计