我們大家都知道傳統的 SOLT 校準,即短路 - 開路 - 負載 - 直通校準,SOLT 校準操作方便,測量準確度跟標準件的精度有很大關系,一般只適合于同軸環境測量。而 TRL(Thru, Reflect, Line)校準是準確度比 SOLT 校準更高的校準方式,尤其適合于非同軸環境測量,例如 PCB 上表貼器件,波導,夾具,片上晶圓測量。SOLT 校準通過測 量 1 個傳輸標準件和三個反射標準件來決定 12 項誤差模型,而 TRL 校準是通過測量 2 個傳輸標準件和一個反射標準件來決定 10 項誤差模型或者 8 項誤差模型, 取決于所用網絡分析儀的接收機結構。

 

TRL 校準極其準確,在大多數的場合中比 SOLT 校準準確多了。但是,很少有直接的 TRL 校準件存在,一般要求用戶根據所用夾具的材料及物理尺寸, 工作頻率,來設計制造出相應的 TRL 校準件。用戶使用網絡分析儀測量元器件時,采用不同的夾具,就要設計不同的 TRL 校準件,因此,對于用戶來說,有一定 的難度和挑戰性。但事實上,由于 TRL 校準的標準件不需要制作的像 SOLT 校準的標準件那么精確,TRL 校準的精度只是跟 TRL 標準件的質量,重復性部分 相關,而不是完全由標準件決定,因此,TRL 校準的標準件跟 SOLT 相比更容易制作,它們的特性也更容易描述。

 

1、TRL 標準件的要求

1.1 TRL 標準件的要求

通常來說,TRL 標準件的要求如下:

 

(1)   直通標準件

電氣長度為 0 時,無損耗,無反射,傳輸系數為 1;電氣長度不為 0 時,直通標準件的特性阻抗必須和延遲線標準件相同,無須知道損耗,如果用作設為參考測量面,電氣長度具體值必須知道,同時,如果此時群時延設為 0 的話,參考測量面位于直通標準件的中間。

 

(2)   反射標準件

反射系數的相位必須在正負 90 度以內,反射系數最好接近 1,所有端口上的反射系數必須相同,如果用作參考測量面的話,相位響應必須知道。

 

(3)   延遲線 / 匹配負載

延遲線的特性阻抗作為測量時的參考阻抗,系統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,由于正切函數的特性,很容易造成相位模糊。另外,最優的相位差值一般取 1/4 波長或 90 度。

 

當工作頻率范圍大于 8:1 時,即頻率跨度與起始頻率比值大于 8 時,必須使用 1 條以上的延長線,以便覆蓋整個頻率范圍。當工作頻率太高時,1/4 波長的延遲線物理尺寸很短,不好制作,這時候,最好是選擇非 0 長度的直通,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量時的參考阻抗,同時,匹配負載在各個測試端口的反射系數必須相同。

 

1.2 TRL 標準件設計時的考慮

以上都是對 TRL 校準件的通常要求,具體設計時,一般有以下考慮:

 

(1)   PCB 上連接頭的一致性越好,損耗越低,TRL 校準件的效果就越理想。


(2)   直通標準件設定了參考測量面,如果是測量多端口器件時,直通標準件盡量長一些,以減少連接頭之間的串擾,但是也不用太長,以免浪費空間。


(3)   參考測量面最好定在直通標準件的中間,這樣的話電磁場相對參考測量面是對稱的。


(4)   開路標準件實現起來最容易,但是由于開路標準件存在邊緣電容效應,所以我們必須通過測量或者 3D-EM 仿真來獲得開路標準件的邊緣電容。


(5)   短路標準件實現起來要麻煩些,因為要確切的知道放置短路標準件過孔的位置,保證過孔的邊緣剛好放置在短路標準件的末端。同時,短路標準件的好壞還取決于過孔的鉆孔技術,一般說來激光打孔比普通的機械鉆孔技術要好很多。


(6)   負載標準件通過 2 個 100 ohm 的表貼阻抗來實現,一般來說,設計一個低頻下的負載要比高頻下容易的多,這也是為什么高頻下設計校準標準件時要采用多條延遲線標準件的原因之一。


(7)   延遲線的相位跟信號傳播時的相速,對應頻率,有效介電常數有關。微帶線由于沒有一個固定的介電常數,所以必須使用有效介電常數來考慮空氣和 PCB 板材混合后帶來的影響。


(8)   設計時,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 標準件的設計

2.1 具體參數的確定

考慮設計一個基于 Rogers 4350 板材的 TRL 校準件,工作頻率范圍從 10MHz 到 20GHz,Rogers 4350 板材的介電常數為 3.48±0.05,直通設計為非 0 長度,則各個標準件的具體參數如下圖所示:

 

圖 1、TRL 校準件中各個標準件的具體參數

 

從圖 1 中我們可以知道各個標準件的實際物理尺寸,然后就可以開始在 PCB 上布局,布線,最后進行制板了,大致的效果如下圖 2 所示。

 

3、TRL 標準件設計后的驗證

TRL 校準件做好之后,我們就要開始驗證我們制作的 TRL 校準件到底好不好。對于短路和開路校準件,我們只要保證短路或開路標準件在各個測試端口的反射系數相等就好了,至于開路標準件的邊緣電容,短路標準件的駐留電感,可以都設為 0;至于負載標準件,只要保證終止頻率時,阻抗能為 50 歐姆或者接近 50 歐姆就可以了;而對于直通標準件,就沒什么具體要求了。

 

TRL 標準件設計后最重要的驗證是對延遲線頻率范圍的確定,由于要求延遲線標準件與直通標準件的相位差位于 20 度到 160 度,所以我們可以通過 memory trace 來測量出延遲線標準件與直通標準件的相位差,根據相位差從 20 度到 160 度,我們可以確定相應的頻率范圍,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,滿足我們最初設計時對 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,也能夠測量出 Line1,Line2 和直通標準件之間的時延差,這將會在新建 TRL 校準套件時候用到,圖 4 是 Line1 的時延測量值。

 

圖 2、TRL 校準件布局大致效果圖

 

圖 3、通過 PNA-X 驗證 Line1 的頻率范圍

 

圖 4、基于 PNA-X 的 Line1 的時延測量值

 

4、TRL 校準

4.1 創建 TRL 校準套件

完成了 TRL 標準件的驗證后,我們就可以開始創建新的 TRL 校準套件,創建的過程很簡單,總的說來要注意以下幾點:

 

(1)   短路,開路,負載標準件都只需確定頻率范圍,以及連接頭類型。


(2)   直通標準件也只需確定頻率范圍,連接頭類型,同時時延為 0。


(3)   延遲線標準件,需要確定頻率范圍,時延值,多條延遲線時,頻率范圍最好有交疊,來確保覆蓋整個頻率范圍。

 

圖 5 是一個創建 TRL 校準套件的例子。

 

圖 5、一個創建 TRL 校準套件的例子

 

4.2 TRL 校準具體過程

創建好 TRL 校準套件后,我們就可以開始進行 TRL 校準了。具體的過程,PNA-X 的校準向導會一步步指導我們如何操作。

 

下面我們以 4 端口校準為例,簡單的說明下如何進行 TRL 校準,圖 6 即 TRL 校準向導的一個步驟。

 

圖 6、TRL 校準向導

 

5、TRL 校準后的測量結果

被測件是 Display Port 電纜,長度為 2 米。根據 Display Port 電纜的指標,我們知道頻率不超過 300MHz 時,2 米長的 Display Port 電纜,其損耗大概為 2dB,基本上是單位長度上的損耗為 1dB。圖 7 即 Display port 電纜測量的設置環境,兩塊 PCB 板,剛好各自對應半個直通長度。

 

從圖 8 中,我們可以得到 Display Port 電纜測量的最終結果,當頻率為 300MHz 時,S21=-2.1110dB,接近 -2dB,滿足相關指標。

 

圖 7、Display port 電纜測量的設置環境

 

圖 8、基于 PNA-X 的 Display Port 電纜測量結果

 

6、結論

TRL 校準是一種非常精確的校準方式,尤其適用于網絡分析儀的非同軸測量。本文詳細探討了有關 TRL 校準的整個環節,從設計 TRL 標準件的要求,到設計 TRL 校準件參數的確定,TRL 校準件設計后的驗證,以及 TRL 校準時的具體過程,最后到完成這次非同軸測量,方方面面都涵蓋了,希望能為大家以后進一步研究 TRL 校準提供相應的參考。