胡為東系列文章之十二--參數測量中針對夾具或探頭

時域Gating 方法是將上圖4 中的夾具中的傳輸媒介使用傳輸線的原理進行等效,只要獲得每一個通道的兩個參數:延遲(TD, Time Delay)和損耗(Loss)即可實現對夾具的去嵌。而延遲和損耗參數是比較容易得到的,如果是專業廠家的夾具或者線纜,通常會給出這兩個參數的值,如果是自己設置的夾具,那么一個辦法是可以通過EDA 仿真軟件獲得這兩個參數;第二個辦法是可以通過簡單方便的實際測量獲得。后續我們會介紹如何通過測量的方法獲得這兩個參數。下圖6 為將具有2P 個端口的夾具使用延遲和損耗進行等效的示意圖。

下圖7 所示為Teledyne LeCroy(力科)的SPARQ 中使用時域Gating 方法使用夾具的延遲和損耗兩個測試方法進行夾具去嵌的界面:

四、時域“Gating”去嵌方法的原理
時域Gating 方法是通過將整個測量系統(包括夾具和被測件DUT)的S 參數先通過算法轉換為阻抗(Z),然后通過夾具的延時和損耗兩個參數將整個系統的阻抗曲線中的夾具部分的阻抗曲線剝離掉,然后將剝離掉的夾具的阻抗曲線后的部分重新轉換為S 參數,從而實現夾具的去嵌。如下圖8 所示,藍色虛線部分為夾具的阻抗曲線:

時域Gating 算法會將待剝離(夾具的阻抗)部分(我們稱作為Gated Element)的阻抗曲線看作為一連串的傳輸線結構單元,如下圖9 所示:

然后為每一個傳輸線結構單元建立一個單元模型(Segment),每個單元模型(Segment)的延時(Delay)和損耗(Loss)都可以通過整個剝離模型的阻抗曲線中已知的參數如阻抗,反射系數,整體延時和損耗等獲得,如下圖10 所示,G(f)即為和頻率相關的損耗參數,D(f)為和頻率相關的延時參數,這兩個函數均可以通過已知的阻抗曲線和整體延時以及損耗獲得。這樣就可以推導出每一個單元模型的S 參數,如下圖所示,更詳細的原理可以參考Teledyne LeCroy(力科)的專利技術文章。

然后,剝離部分(Gating Element)的每一個單元模型的S 參數(剝離前)被代入阻抗剝離算法中,迭代算法遍歷計算整個剝離部分(Gating Element),每次消除完前面一個單元模型(Segment)的影響后重新計算阻抗曲線圖,最后從這個算法中得到剝離部分的每一個單元模型的S 參數(剝離后),如下圖11 所示:

接著根據得到的每個單元的S 參數模型先轉換為T 參數,然后再將T 參數連接到一起形成一個剝離部分(Gating Element)的T 參數,將T 參數轉換為S 參數,這樣就得到了需要剝離的部分的S 參數。有了S 參數,就可以利用力科的SPARQ 軟件中的基于S 參數的剝離算法實現對夾具的去嵌。

五、通過測量獲取夾具/探頭的延時和損耗參數
如果夾具或者探頭的延時和損耗參數是未知的,那么也可以通過使用2X 直通線來估計夾具或者探頭的延時和損耗。因此在夾具設計時,建議在夾具上增加一條2X 直通線,以用于測量夾具/探頭的損耗。如下圖13 所示為一個夾具的示意圖,標注SMA 的端口是與測試儀器相連接的,標志SMA 的端口的線段的另外一個端口為與被測件DUT 相連接的。這個線段的長度為X,那么2X 直通線即是指兩個端口都有SMA 接口的且長度為2X 的直通連線。

首先我們可以通過S21 的階躍響應特性或者基于TDR 技術(TDR 阻抗曲線)來初步估計延時。然后對2X 直通線使用剝離(Time Domain Gating)算法,經過剝離去嵌后,理論上該2X 直通線應為0 損耗,但由于當前的延時參數是粗略估計的,因此需要通過微調以獲得更加精確的值,可通過相位的測量來進行微調,如下圖14 中的左側黃色波形所示,去嵌前相位應該是周期變化的;經過去嵌后,理論上相位應該為0,即為一條位于0 位置的水平直線,但實際情況由于該延時值還不是一個非常理想的值,因此可以適當調整該參數值,直到相位曲線為一條水平的直線,如下圖14 中的右側波形所示,當延時參數為217ps 時,相位曲線已經接近一條水平直線。


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