淺談射頻測(cè)試治具的設(shè)計(jì)概念

在現(xiàn)今的通訊領(lǐng)域中，無(wú)論是射頻、微波或是高速數(shù)字通訊的組件測(cè)試，我們可以使用相對(duì)應(yīng)的量測(cè)儀器設(shè)備來(lái)做設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證及除錯(cuò)的工作，但是，待測(cè)物與儀器之間往往會(huì)有接口上的問(wèn)題而無(wú)法直接連接，例如待測(cè)物為一封裝IC，但測(cè)試儀器連接端口為同軸型接頭，此時(shí)就必須針對(duì)該待測(cè)物尺寸、特性做連接治具，以利量測(cè)的進(jìn)行。而治具的好壞相當(dāng)重要，它會(huì)直接或間接影響到量測(cè)的結(jié)果，如精確度、重復(fù)性及重現(xiàn)性、使用便利性以及是否易造成人為因素的誤差等，因此一個(gè)良好的設(shè)計(jì)必須考慮到諸多因素，這也是為何一個(gè)治具的設(shè)計(jì)費(fèi)用的差異可以從臺(tái)幣數(shù)萬(wàn)元、數(shù)百萬(wàn)甚至更高。

由于治具所扮演的角色是儀器與待測(cè)組件之間的橋梁，因此理想上的治具必須符合沒(méi)有損失、平坦的頻率響應(yīng)、沒(méi)有接頭的阻抗不匹配、精確已知的電氣長(zhǎng)度、與輸入與輸出端的隔離度無(wú)窮大為等條件，如此一來(lái)使用者就不需要執(zhí)行治具的校正動(dòng)作，而只需要透過(guò)同軸式的校正方式將儀器的誤差扣除即可。但實(shí)際上的設(shè)計(jì)很難達(dá)成上述的理想境界，取而代之的為治具的損失比需小于待測(cè)組件損失或增益的不確定度、操作頻寬必須大于待測(cè)組件的量測(cè)頻寬、治具在連接端的阻抗不匹配效應(yīng)必須很小、電氣長(zhǎng)度必須可量測(cè)、與隔離度必須小于待測(cè)組件的隔離度等條件，并且治具的寄生效應(yīng)必須搭配適當(dāng)?shù)男Ｕ�方式�?lái)移除。

在這里，我們以常用的示波器或數(shù)字電表做簡(jiǎn)單的例子，來(lái)對(duì)治具做一個(gè)簡(jiǎn)單的定義，示波器對(duì)外的連接為BNC接頭，與待測(cè)物間常用一個(gè)主動(dòng)或被動(dòng)的探針(Probe)來(lái)偵測(cè)待測(cè)物的電壓、電流特性。以此系統(tǒng)而言，探針就可視為一個(gè)治具，探針等效于一個(gè)負(fù)載電容電路，當(dāng)電容值不同或頻寬不夠時(shí)，就有可能無(wú)法正確地顯示出待測(cè)組件特性，此時(shí)就必須找到一個(gè)適合的探針，才能正確的反映出量測(cè)結(jié)果，因此從儀器測(cè)試端口到待測(cè)物的接口之間都算是治具的一部份。一般而言，較富挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域有直流的低電流(nA~fA)I-V特性量測(cè)、高頻阻抗、平衡式組件、非50奧姆系統(tǒng)、自動(dòng)化測(cè)試機(jī)臺(tái)及電磁波輻射量測(cè)等，在不同領(lǐng)域中所討論的內(nèi)容會(huì)有相當(dāng)大的差異，而本文主要是針對(duì)高頻組件量測(cè)治具方面做一概念性的解說(shuō)。

何謂校正/參考平面(Calibration/Reference Plane)

從網(wǎng)絡(luò)、阻抗、時(shí)域反射、頻譜分析儀甚至功率計(jì)中，都會(huì)提到所謂的系統(tǒng)誤差的校正(Calibration)，這里所提的校正，并不是儀器因使用了一段時(shí)間產(chǎn)生頻率飄移、組件老化而進(jìn)原廠(chǎng)的校驗(yàn)，而是避免一個(gè)良好的儀器因外接的纜線(xiàn)、接頭、治具等造成系統(tǒng)的不準(zhǔn)確值提高所提出的概念，主要目的是要增加量測(cè)精確度、重現(xiàn)性及避免因不同的使用者而會(huì)有不同量測(cè)結(jié)果。

以網(wǎng)絡(luò)分析儀的S參數(shù)量測(cè)為例，S參數(shù)是由偵測(cè)入射、反射及穿透的射頻訊號(hào)振幅及相位來(lái)定義，但外接的纜線(xiàn)、測(cè)試治具等會(huì)造成信號(hào)衰減、相位延遲及反射等現(xiàn)象，而校正的目的，就是提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)或特性已知的組件，以數(shù)學(xué)矩陣的模型計(jì)算出外接治具的損耗、延遲等參數(shù)，維持與到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)組件的接面上，得到正規(guī)化的振幅大小為1、相位為0度的起始點(diǎn)，這就稱(chēng)為校正平面或參考平面。此時(shí)要注意的是，我們是以已知的標(biāo)準(zhǔn)組件做數(shù)學(xué)的運(yùn)算，因此定義標(biāo)準(zhǔn)組件的各個(gè)參數(shù)值、及實(shí)際上標(biāo)準(zhǔn)組件與定義值的誤差等，都會(huì)影響到校正平面的可靠度。此外，儀器并不會(huì)知道我們?cè)谛Ｕ�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纜線(xiàn)、接頭或是微帶線(xiàn)(Micro Strip line)等，儀器會(huì)將此視為待測(cè)物的一部份，而造成量測(cè)上的誤差，如圖1所示。在高頻儀器的校正模型上，我們整理出表1供各位讀者參考，有時(shí)必須同時(shí)使用2種以上的方法將治具誤差移除，詳細(xì)的原理及說(shuō)明請(qǐng)參閱前幾期的新通訊組件雜志TRL、網(wǎng)絡(luò)分析儀、TDR等相關(guān)文章。

系統(tǒng)誤差

以時(shí)域反射儀系統(tǒng)為例，其儀器的測(cè)試頻寬與步階信號(hào)產(chǎn)器10%~90%的上升時(shí)間成反比，而加上纜線(xiàn)后，其系統(tǒng)的上升時(shí)間就變成公式1
，其中一項(xiàng)是纜線(xiàn)在高頻下衰減3dB的頻率響應(yīng)，由公式1得知，系統(tǒng)頻寬是信號(hào)源、接收器及外部纜線(xiàn)加總的結(jié)果，換句話(huà)說(shuō)，系統(tǒng)的整體頻寬會(huì)受限于最低的頻率響應(yīng)，若是治具的響應(yīng)，就會(huì)使量測(cè)結(jié)果產(chǎn)生頻寬不足的問(wèn)題。

另外一個(gè)例子，是阻抗不匹配的結(jié)果產(chǎn)生的衰減及不準(zhǔn)確性圖2，信號(hào)源端的反射系數(shù)為Γs，有一個(gè)能量bs的入射波進(jìn)入反射系數(shù)為ΓL的負(fù)載端，當(dāng)兩接口的阻抗與特性阻抗不一致時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生多重路徑的反射，而這種現(xiàn)象，就會(huì)產(chǎn)生不準(zhǔn)確性誤差：，及衰減量：，當(dāng)不匹配程度愈高，系統(tǒng)不準(zhǔn)確性就會(huì)愈明顯。當(dāng)然，某些誤差可以透過(guò)校正的方式扣除，如相位延遲、信號(hào)衰減、隔絕度等，但若我們?cè)趫?zhí)行校正時(shí)，信號(hào)振幅的不準(zhǔn)確度就相當(dāng)高，這時(shí)在校正后的準(zhǔn)確性，就值得商榷了。

治具設(shè)計(jì)的概念

在治具設(shè)計(jì)之前，要先定下一個(gè)基本的目標(biāo)圖3，例如要設(shè)計(jì)Serial ATA的連接器治具，對(duì)待測(cè)組件頻寬的要求、耗損、隔離度、串音、偏移(skew)等規(guī)格就要有清楚認(rèn)知，接下來(lái)，是開(kāi)始作一些粗略的驗(yàn)證，例如選用何種材料的印刷電路板，其厚度、介電系數(shù)及均勻性為何，大略的損耗及頻寬為多少等，此時(shí)會(huì)需要用到EDA工具來(lái)做軟件的仿真，如Agilent的ADS、Ansoft、SPICE等工具，將各個(gè)特性先透過(guò)仿真的方式?jīng)Q定出信號(hào)線(xiàn)的長(zhǎng)、寬、高及基板材厚度等。以降低失敗可能性而造成時(shí)間及資源的浪費(fèi)，當(dāng)仿真數(shù)據(jù)搜集齊全后，就是實(shí)際作出樣品，因真正的結(jié)果可能還有許多外在的因素造成誤差是軟件無(wú)法考慮的，因此，當(dāng)?shù)玫綐悠分�后，便是使用量測(cè)儀器做驗(yàn)證的工作，一般有向量網(wǎng)絡(luò)、阻抗分析儀、時(shí)域反射儀等，可以協(xié)助在物理層上的測(cè)試。但有時(shí)可能會(huì)仿真真實(shí)的信號(hào)來(lái)驗(yàn)證其信號(hào)完整度，如眼圖(eye diagram)等，這時(shí)就需要編碼產(chǎn)生器、示波器的協(xié)助。若是治具中包含主動(dòng)組件如混波器、放大器等，就必須使用頻譜、向量信號(hào)分析儀分析其失真、噪聲、EVM等參數(shù)。而使用的時(shí)機(jī)與必要性，則端視應(yīng)用的領(lǐng)域而定。

當(dāng)?shù)玫搅顺醪降臄?shù)據(jù)后，下一步就是要作最佳化的調(diào)整，若先期驗(yàn)證、規(guī)劃做得好，這里花的除錯(cuò)壓力就可以減輕許多，換言之，若基礎(chǔ)建設(shè)沒(méi)有做好，所花的精力及資源往往會(huì)事倍功半而得不到效果。

若此治具僅是單一案子使用，基本上在最佳化的調(diào)整做好后，就是完成品了，此時(shí)要對(duì)應(yīng)模擬前后與實(shí)際量測(cè)到的參數(shù)、規(guī)格做容忍度的比較，并做S參數(shù)的定義，如此就可將治具的效應(yīng)如De-embedded的方法在校正時(shí)將治具等誤差移除。但對(duì)要做到一定量產(chǎn)規(guī)模的治具來(lái)說(shuō)，成本效益、同批貨間的差異性、是否易加工等因素就必須列入考量，以維持產(chǎn)品價(jià)格的競(jìng)爭(zhēng)性。

實(shí)例介紹

SMD組件測(cè)試治具

此應(yīng)用是使用阻抗、向量網(wǎng)絡(luò)分析儀量測(cè)如SMD的被動(dòng)組件的治具，因SMD組件的型態(tài)無(wú)法直接連上同軸纜線(xiàn)，因此必須使用治具做延伸。在設(shè)計(jì)上的考量必須符合組件尺寸、頻寬、ESR誤差移除、操作便利性等，其設(shè)計(jì)的目的是要達(dá)到從100mΩ~10kΩ的大范圍阻抗量測(cè)，因此校正平面的接頭選擇上，采用SWR較小的APC-7接頭，以減低反射造成的不準(zhǔn)度。在校正平面后，我們模擬一個(gè)RLCG傳輸線(xiàn)等效于治具的模型，并將其簡(jiǎn)化為串聯(lián)的殘余阻抗Zs=Rs+jwLs與并聯(lián)的離散導(dǎo)納Yo=Go+jwCo的等效電路，而真正的待測(cè)物阻抗值ZDUT，就是等效電路與量測(cè)值的換算結(jié)果：，而Zs及Yo，可以使用在治具端上的短路、開(kāi)路補(bǔ)償?shù)姆绞綄⒔Y(jié)果算出來(lái)。另外，要考慮相位偏移(Phase Shift)的問(wèn)題，舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)0.01μF的電容，在1MHz的測(cè)試環(huán)境下，其ESR(EquivalentSeries Resistance)值為390mΩ，但若在治具與校正平面間增加一段30cm的纜線(xiàn)，則ESR值有10%誤差，而使讀值成為360mΩ，在10MHz時(shí)會(huì)有30%的誤差，愈高頻時(shí)，數(shù)個(gè)mm的誤差都會(huì)相當(dāng)可觀(guān)，因此要再加入一段電氣長(zhǎng)度作為補(bǔ)償。
實(shí)際完成的治具如圖6所示，考慮到接觸點(diǎn)的壓力也會(huì)對(duì)量測(cè)值產(chǎn)生誤差，因此，設(shè)計(jì)一個(gè)固定大小的holder來(lái)承接待測(cè)物，并加上一個(gè)屏蔽的蓋子防止高頻輻射的干擾，如此就可以得到重復(fù)性、穩(wěn)定性相當(dāng)高的治具

GSM手機(jī)測(cè)試治具

此治具設(shè)計(jì)的目的是配合自動(dòng)化機(jī)臺(tái)、自動(dòng)Load/Unload、在800~2200MHz達(dá)到60dB的隔離度，且有內(nèi)建耦合天線(xiàn)能在開(kāi)放空間中量測(cè)待測(cè)物天線(xiàn)所輻射出來(lái)的通訊協(xié)議等。其內(nèi)部機(jī)構(gòu)的考量就是能做到高密蔽性，加上吸波材料來(lái)防止內(nèi)部反射及增加與外界隔離度，并須同時(shí)避免測(cè)試機(jī)臺(tái)、控制處理器產(chǎn)生的虛擬波噪聲干擾等情形，且有良好的重現(xiàn)性、使用周期等作為參考的依據(jù)�！�微波EDA網(wǎng)】