怎样设计和验证 TRL 校准件以及 TRL 校准的具体过程

1、怎样设计和验证 TRL 校准件以及 TRL 校准的具体过程刘迪安捷伦公司网络分析仪产品事业部,北京市朝阳区望京北路 3号, 100102电话邮件:di_liu摘要:TRL 校准是一种非常精确的校准方式,尤其适用于网络分析仪的非同轴测 量。本文详细探讨了有关 TRL 校准的整个环节,从设计 TRL 标准件的要求,到设 计 TRL 校准件参数的确定, TRL 校准件设计后的验证,以及 TRL 校准时的具体过 程,最后到完成这次非同轴测量,方方面面都涵盖了,希望能为大家以后进一步研 究 TRL 校准提供相应的参考。关键词:TRL 校准;非同轴测量;网络分析仪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引言我们大家都知道传统的 SOLT 校准,即短路 -开路 -负载 -直通校准, SOLT 校准 操作方便,测量准确度跟标准件的精度有很大关系,一般只适合于同轴环境测量。 而 TRL(Thru, Reflect, Line校准是准确度比 SOLT 校准更高的校准方式,尤其适合 于非同轴环境测量,

5、例如 PCB 上表贴器件,波导,夹具,片上晶圆测量。 SOLT 校准通过测量 1个传输标准件和三个反射标准件来决定 12项误差模型,而 TRL 校 准是通过测量 2个传输标准件和一个反射标准件来决定 10项误差模型或者 8项误 差模型,取决于所用网络分析仪的接收机结构。TRL校准极其准确,在大多数的场合中比 SOLT 校准准确多了。但是,很少 有直接的 TRL 校准件存在,一般要求用户根据所用夹具的材料及物理尺寸,工作 频率,来设计制造出相应的 TRL 校准件。用户使用网络分析仪测量元器件时,采 用不同的夹具,就要设计不同的 TRL 校准件,因此,对于用户来说,有一定的难 度和挑战性。但事实上

6、,由于 TRL 校准的标准件不需要制作的像 SOLT 校准的标 准件那么精确, TRL 校准的精度只是跟 TRL 标准件的质量,重复性部分相关,而不是完全由标准件决定,因此, TRL 校准的标准件跟 SOLT 相比更容易制作,它 们的特性也更容易描述。1 TRL标准件的要求1.1 TRL标准件的要求通常来说, TRL 标准件的要求如下:(1直通标准件电气长度为 0时,无损耗,无反射,传输系数为 1;电气长度不为 0时,直通 标准件的特性阻抗必须和延迟线标准件相同,无须知道损耗,如果用作设为参考测 量面,电气长度具体值必须知道,同时,如果此时群时延设为 0的话,参考测量面 位于直通标准件的中间。

7、(2反射标准件反射系数的相位必须在正负 90度以内,反射系数最好接近 1,所有端口上的 反射系数必须相同,如果用作参考测量面的话,相位响应必须知道。(3延迟线 /匹配负载延迟线的特性阻抗作为测量时的参考阻抗,系统阻抗定义为和延迟线特性阻抗 一致。延迟线和直通之间的插入相位差值必须在 20度至 160度之间 (或 -20度至 -160度 ,如果相位差值接近 0或者 180度时,由于正切函数的特性,很容易造成相 位模糊。另外,最优的相位差值一般取 1/4波长或 90度。当工作频率范围大于 8:1时,即频率跨度与起始频率比值大于 8时,必须使用 1条以上的延长线,以便覆盖整个频率范围。当工作频率太高

8、时, 1/4波长的延迟 线物理尺寸很短,不好制作,这时候,最好是选择非 0长度的直通,利用两者差 值,来增大延迟线的物理尺寸。匹配的阻抗同样确立测量时的参考阻抗,同时,匹配负载在各个测试端口的反 射系数必须相同。1.2 TRL标准件设计时的考虑以上都是对 TRL 校准件的通常要求,具体设计时,一般有以下考虑:(1PCB 上连接头的一致性越好,损耗越低, TRL 校准件的效果就越理想。(2直通标准件设定了参考测量面,如果是测量多端口器件时,直通标准件尽量长 一些,以减少连接头之间的串扰,但是也不用太长,以免浪费空间。(3参考测量面最好定在直通标准件的中间,这样的话电磁场相对参考测量面是对 称的。

9、(4开路标准件实现起来最容易,但是由于开路标准件存在边缘电容效应,所以我 们必须通过测量或者 3D-EM 仿真来获得开路标准件的边缘电容。(5短路标准件实现起来要麻烦些,因为要确切的知道放置短路标准件过孔的位 置,保证过孔的边缘刚好放置在短路标准件的末端。同时,短路标准件的好坏 还取决于过孔的钻孔技术 , 一般说来激光打孔比普通的机械钻孔技术要好很多。 (6负载标准件通过 2个 100 ohm的表贴阻抗来实现,一般来说,设计一个低频下 的负载要比高频下容易的多,这也是为什么高频下设计校准标准件时要采用多 条延迟线标准件的原因之一。(7延迟线的相位跟信号传播时的相速,对应频率,有效介电常数有关。

10、微带线由 于没有一个固定的介电常数,所以必须使用有效介电常数来考虑空气和 PCB 板 材混合后带来的影响。(8设计时,多条延迟线的频率范围最好有重叠,这样能够保证多条延迟线能够覆 盖我们要求的频率范围。2 TRL标准件的设计2.1 具体参数的确定考虑设计一个基于 Rogers 4350板材的 TRL 校准件,工作频率范围从 10MHz 到 20GHz , Rogers 4350板材的介电常数为 3.480.05,直通设计为非 0长度,则各个 标准件的具体参数如下图所示: 图 1 TRL校准件中各个标准件的具体参数从图 1中我们可以知道各个标准件的实际物理尺寸,然后就可以开始在 PCB 上布 局

11、,布线,最后进行制板了,大致的效果如下图 2所示。3 TRL标准件设计后的验证TRL校准件做好之后,我们就要开始验证我们制作的 TRL 校准件到底好不 好。对于短路和开路校准件,我们只要保证短路或开路标准件在各个测试端口的反 射系数相等就好了,至于开路标准件的边缘电容,短路标准件的驻留电感,可以都 设为 0;至于负载标准件,只要保证终止频率时,阻抗能为 50欧姆或者接近 50欧 姆就可以了;而对于直通标准件,就没什么具体要求了。TRL标准件设计后最重要的验证是对延迟线频率范围的确定,由于要求延迟 线标准件与直通标准件的相位差位于 20度到 160度,所以我们可以通过 memory trace

12、来测量出延迟线标准件与直通标准件的相位差,根据相位差从 20度到 160度,我们可以确定相应的频率范围,如图 3所示,从图 3我们可以知道, Line1的 频率范围是从 101MHz 到 820MHz ,满足我们最初设计时对 Line1的要求。同样 的, Line2也是采用相同的方法来确定频率范围。此时,也能够测量出 Line1,Line2和直通标准件之间的时延差,这将会在新建 TRL 校准套件时候用到,图 4是 Line1的时延测量值。 图 2 TRL校准件布局大致效果图 图 3 通过 PNA-X 验证 Line1的频率范围 图 4 基于 PNA-X 的 Line1的时延测量值4 TRL校准

13、4.1 创建 TRL 校准套件完成了 TRL 标准件的验证后,我们就可以开始创建新的 TRL 校准套件,创建 的过程很简单,总的说来要注意以下几点:(1短路,开路,负载标准件都只需确定频率范围,以及连接头类型。(2直通标准件也只需确定频率范围,连接头类型,同时时延为 0。(3延迟线标准件,需要确定频率范围,时延值,多条延迟线时,频率范围最好有 交叠,来确保覆盖整个频率范围。图 5是一个创建 TRL 校准套件的例子。 图 5一个创建 TRL 校准套件的例子4.2 TRL 校准具体过程 创建好 TRL 校准套件后，我们就可以开始进行 TRL 校准了。具体的过程， PNA-X 的校准向导会一步步指导

14、我们如何操作。 下面我们以 4 端口校准为例，简单的说明下如何进行 TRL 校准，图 6 即 TRL 校准向导的一个步骤。 图 6 TRL 校准向导 5 TRL 校准后的测量结果 被测件是 Display Port 电缆，长度为 2 米。根据 Display Port 电缆的指标，我们 知道频率不超过 300MHz 时，2 米长的 Display Port 电缆，其损耗大概为 2dB，基 本上是单位长度上的损耗为 1dB。图 7 即 Display port 电缆测量的设置环境，两块 PCB 板，刚好各自对应半个直通长度。 从图 8 中，我们可以得到 Display Port 电缆测量的最终结

15、果，当频率为 300MHz 时，S212.1110dB，接近-2dB，满足相关指标。 图 7 Display port 电缆测量的设置环境 图 8 基于 PNA-X 的 Display Port 电缆测量结果 6 结论 TRL 校准是一种非常精确的校准方式，尤其适用于网络分析仪的非同轴测 量。本文详细探讨了有关 TRL 校准的整个环节，从设计 TRL 标准件的要求，到设 计 TRL 校准件参数的确定，TRL 校准件设计后的验证，以及 TRL 校准时的具体过 程，最后到完成这次非同轴测量，方方面面都涵盖了，希望能为大家以后进一步研 究 TRL 校准提供相应的参考。 参考文献 1 Agilent

16、Technologies “In-fixture Microstrip Device Measurements Using TRL* Calibration”, Product Note 8720-2, 1991. 2 Agilent Technologies “Applying the 8510 TRL Calibration for Non-Coaxial Measurements”, Product Note 8510-8A, May 2001. 3 Agilent Technologies “In-fixture Measurement using vector network analyzer”, Application Note 1287-9, Jan 2006. 4 Ag