CN103364752A - 一种在片负载牵引测量***的现场校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在片负载牵引测量***的现场校准方法。本校准方法首先制作反射系数覆盖0.1到0.8的失配衰减单片作为传递标准件，然后用在片校准过的矢量网络分析仪对传递标准件进行定标测量，得到传递标准件的标准转换增益G_T(S)及其定标不确定度，接着用定标后的传递标准件对在片负载牵引测量***进行转换增益参数校准，完成负载牵引测量***量值溯源工作。本校准技术可以对在片负载牵引***的性能指标进行全面、真实的校准，给出校准偏差△G_T，并且能够定量的给出在片负载牵引测量***的测量不确定度，对实现负载牵引测量***的量值统一有所帮助，为功率单片电路的研制、生产提供了计量技术支撑。

Description

一种在片负载牵引测量***的现场校准方法

技术领域

微波/毫米波测量领域，关于通过改变源或负载阻抗获得器件准确的大信号参数性能的技术。

背景技术

对于线性器件而言，通过小信号下S参数可以推算出任何负载下的性能，负载牵引方法并不是必须的。但是微波功率晶体管输出功率大，一般工作在大信号状态下，表现出很强的非线性特性。因此，传统的基于线性理论的小信号设计方法已经无法满足大信号条件下微波功率晶体管的设计要求。各种功率放大器广泛应用于各种电子装备中，而功放的设计实际就是研制功率器件之间的匹配网络，研究什么样的网络能获得高的输出功率、高的效率和所需要的增益，这就要了解器件的输出功率、效益和增益随负载阻抗变化是如何变化的,负载牵引测量***就能提供这些信息。设计者折中选择最佳匹配阻抗，设计出理想匹配网络，充分发挥器件的能力，获得高的输出功率、效率和所需增益。

负载牵引测量***非常复杂，特别是在片测量***，其整体性能指标并没有有效的计量措施，由于引进不同厂商的产品以及人员、条件等因素的制约，各单位提供的负载牵引参数测量结果差别很大，导致有时两套类似***在同样的阻抗下测试输出功率、增益、效率的曲线也会不一致。为实现测量***的量值准确可靠，保障负载牵引参数测量的一致性，为提高核心电子器件测试分析和设计开发能力提供有力的计量技术保障，因此，十分有必要开展在片负载牵引测量***的校准工作。

发明内容

本发明提供了一种在片负载牵引测量***的现场校准方法，该方法是为了统一负载牵引测量***参数量值，提供实用的负载牵引参数量值溯源途径所研制的。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种在片负载牵引测量***的现场校准方法，包括如下步骤：

第一步，研制一系列反射系数不同的失配衰减单片作为传递标准件，所述传递标准件的反射系数的覆盖范围为：0.1-0.8；

第二步，利用矢量网络分析仪和微波探针台组成在片矢量网络分析仪作为定标装置，用定标装置测量各传递标准件的S参数，所述S参数为S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂；

第三步，由设定的定标装置的源、负载端反射系数结合上一步测得的S参数，参照公式（1）计算得到各传递标准件的标准转换增益G_T（S），并将其作为相应传递标准件转换增益的定标标准值；

$G_T\left(S\right)=\frac{(1-{\left|{\mathrm{\Γ}}_S\right|}^2){\left|S_{21}\right|}^2(1-{\left|{\mathrm{\Γ}}_L\right|}^2)}{{|(1-S_{11}{\mathrm{\Γ}}_S)(1-S_{22}{\mathrm{\Γ}}_L)-S_{12}{S}_{21}{\mathrm{\Γ}}_S{\mathrm{\Γ}}_L|}^2}...\left(1\right)$

其中，Γ_S为从传递标准件输入端向信号源端看去的反射系数；Γ_L为从传递标准件输出端向输出负载端看去的反射系数；

第四步，计算各传递标准件S参数基于定标装置的测量不确定度；

第五步，通过偏微分方程得到由于S参数测不准引入的标准转换增益G_T（S）的测量不确定度，再将测量重复性引入的测量不确定度与之合成得到标准转换增益G_T（S）的定标不确定度；

第六步，用在片负载牵引测量***测量各传递标准件的测量转换增益G_T，得到在片负载牵引测量***测量重复性引入的测量不确定度，并将其与上述步骤得到的G_T（S）的定标不确定度合成得到在片负载牵引测量***的测量不确定度，实现在片负载牵引测量***的校准。

上述第一步中传递标准件的实现形式为：

设计上：采用稳定性好、分布参数小且适合版图布置的平衡式∏型电阻网络的形式；

工艺上：所述传递标准件以砷化镓晶圆片为衬底，利用溅射技术，把镍铬合金在衬底上制成高频电阻网络，高频电阻网络制成平衡式∏型电阻网络的形式，并在其上覆盖氮化硅薄膜；研制完成的电阻网络以微带线的形式在砷化镓圆片上制作，圆片经过减薄到100μm后作过孔处理；最后的传递标准件在圆片上保存。

上述第四步的计算方法为：测量得到定标装置的***剩余误差项及稳定性误差、噪声误差，并利用这些误差计算得到S参数的测量不确定度。

上述第五步中标准转换增益G_T（S）的定标不确定度的计算方法为：

首先，将各S参数分解为模和相位相结合的形式，即S₁₁＝r₁₁∠θ₁₁，S₂₁＝r₂₁∠θ₂₁，S₁₂＝r₁₂∠θ₁₂，S₂₂＝r₂₂∠θ₂₂，标准转换增益G_T（S）对各S参数的模和相位进行偏微分得到式（2）：

$d{G}_T\left(S\right)=\frac{\∂G_T\left(S\right)}{\∂r_{11}}{\mathrm{dr}}_{11}+\frac{\∂G_T\left(S\right)}{\∂{\mathrm{\θ}}_{11}}d{\mathrm{\θ}}_{11}+\frac{\∂G_T\left(S\right)}{\∂r_{21}}{\mathrm{dr}}_{21}+\frac{\∂G_T\left(S\right)}{\∂{\mathrm{\θ}}_{21}}d{\mathrm{\θ}}_{21}$

$+\frac{\∂G_T\left(S\right)}{\∂r_{12}}d{r}_{12}+\frac{\∂G_T\left(S\right)}{\∂{\mathrm{\θ}}_{12}}d{\mathrm{\θ}}_{12}+\frac{\∂G_T\left(S\right)}{\∂r_{22}}d{r}_{22}+\frac{\∂G_T\left(S\right)}{\∂{\mathrm{\θ}}_{22}}d{\mathrm{\θ}}_{22}$    ..................（9）

其中，dr₁₁、dr₂₁、dr₁₂、dr₂₂为四个S参数的模的不确定度，dθ₁₁、dθ₂₁、dθ₁₂、dθ₂₂为四个S参数的相位不确定度；

接着，将由第四步得到的S参数的测量不确定度分解为模的测量不确定度和相位的测量不确定度；

然后，根据模的测量不确定度和相位的测量不确定度，参照式（9）计算得到标准转换增益G_T（S）的测量不确定度；

最后，计算定标装置由于测量重复性引入的测量不确定度，将其与G_T（S）的测量不确定度合成得到标准转换增益G_T（S）的定标不确定度。

本发明的设计思路如下：

图1所示为在片负载牵引测量***的结构图。负载牵引测量***具有设定源/负载端的反射系数的能力，通常负载牵引测量***的测量不确定度主要来源于源/负载端的反射系数是否准确以及输出端功率测量是否准确，而这样的测量不确定度又不能直接测量出，因此就想到使用转换的方式间接测量得到不确定度。间接测量的物理量应该与源/负载端的反射系数相关，且该物理量中其他参数在负载牵引测量***尽量不引入测量不确定度，这样此物理量所体现的测量不确定度才能比较准确的转换为负载牵引测量***的测量不确定度。而转换增益G_T（S）正好符合这个要求。转换增益G_T（S）是与传递标准件本身的参数（四个S参数）及被校准测量***的源阻抗Γ_s和负载阻抗Γ_L都有关的参量，S参数引入的负载牵引测量***的测量不确定度很小，同时转换增益G_T还包含了对输出端功率测量结果的表征，因此选取该参数作为被校准***的溯源参数能够合理评价负载牵引测量***的测量性能，校准结果更加可信。

为了统一负载牵引测量***参数量值，提供实用的负载牵引参数量值溯源途径，本发明的校准方法是通过设计制作性能稳定的不同反射系数（覆盖0.1到0.8）的失配衰减单片作为传递标准件，用在片校准过的矢量网络分析仪作为定标装置对传递标准件的标准转换增益G_T(S)进行定标，得到标准转换增益G_T(S)及其定标不确定度；再用在片负载牵引测量***对定标后的传递标准件的转换增益G_T进行现场测量，将标准转换增益G_T(S)和测量转换增益G_T相比较得到△G_T，作为修正值，完成在片负载牵引测量***量值溯源工作。图2为本发明的校准原理示意图。

鉴于上面对校准方法的分析论述，采用上述技术方案取得的技术进步为：通过研制传递标准件并对其进行定标，可方便、准确的完成在片负载牵引测量***的现场校准；本校准技术可以对在片负载牵引***的性能指标进行全面、真实的校准，给出修正值△G_T，并能够定量的给出在片负载牵引测量***的校准不确定度，实现工程应用中的不同在片负载牵引测量***的测量结果量值准确、可靠，在片负载牵引测量***经校准后进行器件设计的一致性得到显著提高；本发明中传递标准件的体积较小，采用标准的探针间距，适用于各种现有的测量***，提高了本方法的普适性。

附图说明

图1为在片负载牵引测量***的结构图；

图2为校准原理示意图；

图3为传递标准件设计结构示例图；

图4为定标装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施方式对本发明进行更加详细的解释和说明。

一种在片负载牵引测量***的现场校准方法，具体包括如下步骤：

第一步，研制一系列不同反射系数的失配衰减单片作为传递标准件，所述传递标准件的反射系数覆盖范围为：0.1-0.8。

本发明是通过搭建定标装置对研制的传递标准件进行定标，统一在片负载牵引***的量值，提供实用的在片负载牵引***量值溯源途径，因此传递标准件的研制及定标工作是实现量值溯源的重要环节。

为保证在宽频带范围内具有稳定的、可重复的、受环境影响小的增益特性，提高本方法的准确度，需采用无源器作件为传递标准件。从传递标准件的溅射工艺及合金电阻的均匀性方面着手，设计制作在宽频带范围内符合性能要求的传递标准件。

在设计上：以GaAs材料微带线的形式制作而成，采用平衡式∏型电阻网络的形式，可提高传递标准件的稳定性；为了减小分布参数并适合连接探针的间距要求，传递标准件的设计结构形式如图3所示：输入端和输出端的602欧姆电阻，可分别设计成两个1204欧姆的并联的形式减小分布参数。

在工艺上：标准件以砷化镓晶圆片为衬底，利用溅射技术，把镍铬合金在衬底上制成高频电阻网络，高频电阻网络制成平衡式∏型电阻网络的形式，如图3所示为衰减量为6dB、反射系数0.6的结构示意图，在其上覆盖氮化硅薄膜；研制完成的电阻网络以微带线的形式在砷化镓圆片上制作，圆片经过减薄到100μm后作过孔处理；最后的传递标准件就在圆片上保存。

该发明制作的一系列传递标准件的技术性能如下：

a、频率范围：2GHz-18GHz；

b、反射系数分别为0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8；

反射系数精度<±0.05

c、衰减量为3dB时，反射系数分别为0.1,0.2,0.3；

衰减量为6dB时，反射系数分别为0.1,0.2,0.3,0.4,0.5；

衰减量为15dB时，反射系数分别0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8；

衰减精度<0.1dB

工艺参数：GSG间距为150μm，压点为50μm×50μm。

需要说明的是：传递标准件的定标精度取决于定标装置的准确度及传递标准件的稳定性，与传递标准件的设计指标（如反射系数<0.05）没有直接关系。

第二步，利用矢量网络分析仪和微波探针台组成在片矢量网络分析仪作为定标装置，如图4所示。用定标装置测量各传递标准件的S参数，所述S参数为S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂。

在微波探针台上对矢量网络分析仪做TRL或LRM在片校准，以减小矢量网络分析仪的校准不确定度，这样在片矢量网络分析仪即可将端面校准到探针位置，实现了去嵌入校准，如图4所示。使用该定标装置测量各传递标准件的S参数，所述S参数包括S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂；

第三步，由设定的定标装置的源、负载端反射系数结合上一步测得的S参数，参照公式（1）计算得到各传递标准件的标准转换增益G_T（S），并将其作为相应传递标准件转换增益的定标标准值；

$G_T\left(S\right)=\frac{(1-{\left|{\mathrm{\&Gamma;}}_S\right|}^2){\left|S_{21}\right|}^2(1-{\left|{\mathrm{\&Gamma;}}_L\right|}^2)}{{|(1-S_{11}{\mathrm{\&Gamma;}}_S)(1-S_{22}{\mathrm{\&Gamma;}}_L)-S_{12}{S}_{21}{\mathrm{\&Gamma;}}_S{\mathrm{\&Gamma;}}_L|}^2}...\left(1\right)$

其中，Γ_S为从传递标准件输入端向信号源端看去的反射系数；Γ_L为从传递标准件输出端向输出负载端看去的反射系数。

公式（1）经过变换可得到公式（2）：

$G_T\left(S\right)=\frac{(1-{\left|{\mathrm{\&Gamma;}}_S\right|}^2){\left|S_{21}\right|}^2(1-{\left|{\mathrm{\&Gamma;}}_L\right|}^2)}{{|1-{\mathrm{\&Gamma;}}_{\mathrm{in}}{\mathrm{\&Gamma;}}_S|}^2{|1-S_{22}{\mathrm{\&Gamma;}}_L|}^2}...\left(2\right)$

其中Γ_in为从传递标准件输入端向负载端看去的反射系数；

${\mathrm{\&Gamma;}}_{\mathrm{in}}=S_{11}+\frac{S_{21}{S}_{12}{\mathrm{\&Gamma;}}_L}{1-S_{22}{\mathrm{\&Gamma;}}_L}...\left(3\right)$

转换增益的定义为：传送到负载的功率与来自源的可资用功率之比，由此定义可知，当Γ_S与Γ_in共轭匹配时

来自源的可资用功率是可以传送到网络的最大功率。

在片负载牵引测量***具有设定源/负载端的反射系数的能力，因此根据转换增益定义中传送到负载的功率，可任意设定Γ_L，对于无源传递标准件，当

时由公式（2）可得到转换增益G_T（S）的变换形式公式（4），其实际就是器件的功率增益。

$G_T\left(S\right)=\frac{{\left|S_{21}\right|}^2(1-{\left|{\mathrm{\&Gamma;}}_L\right|}^2)}{(1-{\left|{\mathrm{\&Gamma;}}_{\mathrm{in}}\right|}^2){|1-S_{22}{\mathrm{\&Gamma;}}_L|}^2}...\left(4\right)$

因此实际对在片负载牵引测量***进行校准测量时，对于任意设定的负载阻抗Γ_L，都可以由公式（3）及快速算出相应的源阻抗Γ_s，而不需要通过牵引的办法找到对应的源阻抗Γ_s，并可以事先计算出传递标准件的相应标准转换增益G_T（S）。这对执行现场校准并给出校准结果的不确定度非常方便。

第四步，计算各传递标准件S参数基于定标装置的测量不确定度。

通过上面的分析可见：传递标准件的定标精度主要由定标装置的测量精度决定。为此，需测得定标装置的***剩余误差项（反射跟踪误差、源匹配误差、方向性误差）及稳定性误差、噪声误差等，合成计算得到定标装置的测量不确定度。本方法将定标装置对S参数的测量不确定度作为传递标准件的测量不确定度的主要来源。下面以传递标准件在10GHz频率为例，计算定标装置对S参数的测量不确定度。

以S₁₁为例，不确定度的计算公式如下：

$\mathrm{\&Delta;}{S}_{11\left(\mathrm{mag}\right)}=\sqrt{{\mathrm{Systematic}}^2+{\mathrm{Stability}}^2+{\mathrm{Noise}}^2}...\left(5\right)$

此处ΔS_11(mag)为S₁₁的测量不确定度，其中***剩余误差Systematic²、稳定性及噪声引入的不确定度Stability²和Noise²均可根据Agilent公司PNA矢网误差产生公式求出。

***剩余误差如式（6）所示：

${\mathrm{Systematic}}^2=E_{\mathrm{DF}}^2+E_{\mathrm{RF}}^2{S}_{11}^2+E_{\mathrm{XF}}^2{S}_{11}^4+S_{21}^2{S}_{12}^2(E_{\mathrm{LF}}^2+4E_{\mathrm{SF}}^2{E}_{\mathrm{LF}}^2{S}_{11}^2+E_{\mathrm{LF}}^4{S}_{22}^2)+A_M^2{S}_{11}^2...\left(6\right)$

各项***剩余误差可根据十二项误差的产生原理分别进行测量得到，结果见表1所示：

表1片矢量网络分析仪***剩余误差项测量结果

测试内容	测量值（dB）
		正向有效源匹配ESF	-32
反向有效源匹配ESR	-37
		正向有效方向性EDF	-40
反向有效方向性EDR	-43
		正向有效负载匹配ELF	-44
反向有效负载匹配ELR	-45
		正向串扰EXF	-61
反向串扰EXR	-61
		正向传输跟踪ETF	0.06
反向传输跟踪ETR	0.05
		正向反射跟踪ERF	0.11
反向反射跟踪ERR	0.04
		幅度动态精度AM	0.02
相位动态精度AP（°）	5.75

稳定性及噪声引入的不确定度也可通过测量并根据公式（7）、（8）求出：

${\mathrm{Stability}}^2=\sqrt{C^2+R^2}...\left(7\right)$

${\mathrm{Noise}}^2={\left(N_T{S}_{11}\right)}^2+N_F^2...\left(8\right)$

其中， $C^2=C_{\mathrm{RM}1}^2(1+S_{11}^4)+{4C}_{\mathrm{TM}1}^2{S}_{11}^2+C_{\mathrm{RM}2}^2{S}_{21}^2{S}_{12}^2$

$R^2={(R_{R1}(1+S_{11}^2)+{2R}_{T1}{S}_{11})}^2+{\left(R_{R2}{S}_{21}{S}_{12}\right)}^2$

上式中除了S参数外，参数C_RM、C_TM为电缆稳定性分量；R_R1、R_T1为接头的连接重复性分量，N_T为迹线噪声；N_F为噪底。

S₂₁、S₁₂、S₁₂可根据Agilent公司PNA矢网误差产生公式按照上述步骤计算得出。

第五步，通过偏微分方程得到由于S参数测不准引入的标准转换增益G_T（S）的测量不确定度，再将测量重复性引入的测量不确定度与标准转换增益G_T（S）的测量不确定度合成得到传递标准件标准转换增益G_T（S）的定标不确定度。

利用定标装置测量S参数时不可避免的会引入不确定度，而S参数的不确定度会转嫁到标准转换增益G_T（S）上变成G_T（S）基于定标装置的测量不确定度。

标准转换增益G_T（S）的测量不确定度的计算方法为：

首先，将各S参数分解为模和相位相结合的形式，即S₁₁＝r₁₁∠θ₁₁，S₂₁＝r₂₁∠θ₂₁，S₁₂＝r₁₂∠θ₁₂，S₂₂＝r₂₂∠θ₂₂，标准转换增益G_T（S）对S参数的模和相位进行偏微分得到式（9）：

$d{G}_T\left(S\right)=\frac{\&PartialD;G_T\left(S\right)}{\&PartialD;\left|S_{11}\right|}d\left|S_{11}\right|+\frac{\&PartialD;G_T\left(S\right)}{\&PartialD;{\mathrm{\&theta;}}_{11}}d{\mathrm{\&theta;}}_{11}+\frac{\&PartialD;G_T\left(S\right)}{\&PartialD;\left|S_{21}\right|}d\left|S_{21}\right|+\frac{\&PartialD;G_T\left(S\right)}{\&PartialD;{\mathrm{\&theta;}}_{21}}d{\mathrm{\&theta;}}_{21}$

$+\frac{\&PartialD;G_T\left(S\right)}{\&PartialD;\left|S_{12}\right|}d\left|S_{12}\right|+\frac{\&PartialD;G_T\left(S\right)}{\&PartialD;{\mathrm{\&theta;}}_{12}}d{\mathrm{\&theta;}}_{12}+\frac{\&PartialD;G_T\left(S\right)}{\&PartialD;\left|S_{22}\right|}d\left|S_{22}\right|+\frac{\&PartialD;G_T\left(S\right)}{\&PartialD;{\mathrm{\&theta;}}_{22}}d{\mathrm{\&theta;}}_{22}$

$=\frac{\&PartialD;G_T\left(S\right)}{\&PartialD;r_{11}}{\mathrm{dr}}_{11}+\frac{\&PartialD;G_T\left(S\right)}{\&PartialD;{\mathrm{\&theta;}}_{11}}d{\mathrm{\&theta;}}_{11}+\frac{\&PartialD;G_T\left(S\right)}{\&PartialD;r_{21}}d{r}_{21}+\frac{\&PartialD;G_T\left(S\right)}{\&PartialD;{\mathrm{\&theta;}}_{21}}d{\mathrm{\&theta;}}_{21}...\left(9\right)$

$+\frac{\&PartialD;G_T\left(S\right)}{\&PartialD;r_{12}}d{r}_{12}+\frac{\&PartialD;G_T\left(S\right)}{\&PartialD;{\mathrm{\&theta;}}_{12}}d{\mathrm{\&theta;}}_{12}+\frac{\&PartialD;G_T\left(S\right)}{\&PartialD;r_{22}}d{r}_{22}+\frac{\&PartialD;G_T\left(S\right)}{\&PartialD;{\mathrm{\&theta;}}_{22}}d{\mathrm{\&theta;}}_{22}$

其中，dr₁₁、dr₂₁、dr₁₂、dr₂₂为四个S参数的模的不确定度，dθ₁₁、dθ₂₁、dθ₁₂、dθ₂₂为四个S参数的相位不确定度。

接着，将上述第四步计算得到的S参数的测量不确定度分解为模的不确定度和相位的测量不确定度。

然后，根据模的测量不确定度和相位的测量不确定度，参照式（9）计算得到标准转换增益G_T（S）的测量不确定度。

式（9）中，

和

的计算步骤如下：

首先，将式（9）转换为式（10）：

$G_T\left(S\right)=\frac{(1-{\left|{\mathrm{\&Gamma;}}_S\right|}^2){\left|S_{21}\right|}^2(1-{\left|{\mathrm{\&Gamma;}}_L\right|}^2)}{{|1-S_{22}{\mathrm{\&Gamma;}}_L-S_{12}{S}_{21}{\mathrm{\&Gamma;}}_S{\mathrm{\&Gamma;}}_L+S_{11}(S_{22}{\mathrm{\&Gamma;}}_S{\mathrm{\&Gamma;}}_L-{\mathrm{\&Gamma;}}_S)|}^2}...\left(10\right)$

令Γ_S＝r_S∠θ_S，Γ_L＝r_L∠θ_L，σ＝(1-Γ_S|²)(1-|Γ_L|²)，R₁₁＝S₂₂Γ_SΓ_L-Γ_S＝r_R11∠θ_R11，P₁₁＝1-S₂₂Γ_L-S₁₂S₂₁Γ_SΓ_L，

则式（10）可简化式（11）：

$G_T\left(S\right)=\frac{\mathrm{\&sigma;}{r}_{21}^2}{{|P_{11}+S_{11}{R}_{11}|}^2}=\frac{\mathrm{\&sigma;}{r}_{21}^2}{{|\frac{P_{11}}{R_{11}}+S_{11}|}^2{\left|R_{11}\right|}^2}=\frac{\mathrm{\&sigma;}{r}_{21}^2}{{|Q_{11}+S_{11}|}^2{\left|R_{11}\right|}^2}...\left(11\right)$

$=\frac{\mathrm{\&sigma;}{r}_{21}^2}{r_{R11}^2[r_{11}^2+r_{Q11}^2-{2r}_{11}{r}_{Q11}\cos ({\mathrm{\&theta;}}_{11}-{\mathrm{\&theta;}}_{Q11})]}$

以

的计算为例进行介绍，将式（11）对r₁₁和θ₁₁进行偏微分得到式（12）和式（13）：

$\frac{\&PartialD;G_T\left(S\right)}{\&PartialD;r_{11}}=-\frac{{2G}_T^2\left(S\right)}{\mathrm{\&sigma;}{r}_{21}^2}{r}_{R11}^2[r_{11}+r_{Q11}\cos ({\mathrm{\&theta;}}_{11}-{\mathrm{\&theta;}}_{Q11})]...\left(12\right)$

$\frac{\&PartialD;G_T\left(S\right)}{\&PartialD;{\mathrm{\&theta;}}_{11}}=\frac{{2G}_T^2\left(S\right)}{{\mathrm{\&sigma;r}}_{21}^2}{r}_{R11}^2{r}_{11}{r}_{Q11}\sin ({\mathrm{\&theta;}}_{11}-{\mathrm{\&theta;}}_{Q11})...\left(13\right)$

同理可推导出

和

将这些结果再代入到式（9）中即可得到G_T（S）的测量不确定度u₁。

最后，由于定标装置测量不重复性还会引入测量不确定度u₂，因此计算得到u₂后将u₁与u₂合成得到标准转换增益G_T（S）的定标不确定度u_c1。u₂的计算方法是本领域技术人员都知晓的，这里不再赘述。

第六步，用在片负载牵引测量***测量各传递标准件的转换增益G_T，得到在片负载牵引测量***测量重复性引入的测量不确定度，并将其与上述步骤得到的G_T（S）的定标不确定度合成得到在片负载牵引测量***的测量不确定度，实现在片负载牵引测量***的校准。

在片负载牵引测量***测量各传递标准件的转换增益G_T时，需要设定源/负载端的反射系数，这时，这些反射系数要与上述第三步中定标装置中设定的数值保持一致，这样才能保证校准的正确性。

将在片负载牵引测量***测量重复性引入的测量不确定度u₃与上述步骤得到的G_T（S）的定标不确定度u_c1合成得到在片负载牵引测量***的测量测量不确定度u_c，实现在片负载牵引测量***的校准。

下面以一个具体的例子来详细说明在片负载牵引测量***测量不确定度的计算方法。

以衰减量15dB、反射系数0.5的传递标准件在f=10GHz处的标准转换增益G_T（S）的定标不确定度为例进行在片负载牵引测量***的测量不确定度评定。

由定标装置测量S参数引入的不确定度即dG_T(S)：u₁＝0.186dB；

由定标装置测量重复性引入的测量不确定度u₂＝0.050dB；

两者合成得到该传递标准件的标准转换增益G_T（S）的定标不确定度为：

$u_{c1}=\sqrt{{u_1}^2+{u_2}^2}=0.193\mathrm{dB}$

用上述传递标准件在10GHz处，对0.8GHz-18GHz频段的在片负载牵引测量***（Tuner型号：MT982BU）进行校准。利用该***对转换增益G_T进行6次测量的结果如下（单位dB）：

-15.486，-15.491，-15.495,-19.485，-15.481，-15.485，

由上述结果可以得到此***由测量重复性引入的不确定度u₃＝0.035dB，

则u_c1和u₃合成得到该***的测量不确定度

该***的扩展不确定度U＝0.39dB（k=2）；

此即为在片负载牵引测量***的测量不确定度最终结果。

下述为本发明结果的验证及应用说明。

利用本发明对0.8GHz-18GHz频段的在片负载牵引测量***（Tuner型号：MT982BU）进行试校准。通过对反射系数分别为0.1、0.5、0.8的衰减量15dB的失配衰减器进行在片S参数测量，10GHz频点处校准结果见表2所示：

表210GHz频点处在片负载牵引测量***校准结果

在片负载牵引测量***并没有给出测量不确定度，通过本发明对***的校准，就能够得到测量结果的不确定度。从标准转换增益G_T(s)和***测量转换增益G_T的差值ΔG_T与不确定度的数值比较可以看出：该在片负载牵引测量***测量结果量值比较可靠。在大反射系数（Γ＝0.8）时ΔG_T较大，分析原因主要有以下三点：

1）在片负载牵引测量***进行自校准时，大反射系数的S参数会产生较大不确定度；

2）传递标准件在大反射系数时进行S参数标定时也会产生较大不确定度；

3）该负载牵引***在片测量单片电路时，Γ＝0.8是其极限测量情况，***不能够准确算出并找到最佳匹配点，会带来额外不确定度。

此外，还利用本发明的方法对另一台8GHz-50GHz在片负载牵引测量***（Tuner型号：MT984AU）在10GHz处用Γ=0.5的传递件进行校准，以比较两套在片负载牵引测量***的测量一致性。两***的比较数据见表3所示：

表3使用同一传递标准件对两套在片负载牵引测量***测量数据比较

参数	0.8GHz-18GHz频段	8GHz-50GHz频段
			ΓS(模/相角)	0.40∠10.26	0.55∠10.97
ΓL(模/相角)	0.5∠-90	0.5∠-90
			标准转换增益GT(s)	-15.48dB	-15.46dB
***测量转换增益GT	-15.54dB	-15.74dB
			△GT	0.06dB	0.28dB

从数据可知，该在片负载牵引测量***在8GHz-50GHz频段的测量增益结果比0.8GHz-18GHz频段的测量结果偏小0.22dB。可见为了使各负载牵引测量***量值准确可靠，可根据校准结果对测量***进行相应修正来使各被校准***具有更好的一致性，实现向上溯源的目的。

通过验证示例及结果分析，本校准方法通过开展在片负载牵引测量***的现场校准方法研究，并研制、标定传递标准件等途径解决了在片负载牵引测量***的校准问题，对实现在片负载牵引测量***的量值统一有所帮助，为功率单片电路的研制、生产提供了计量技术支撑。

Claims (4)

1.一种在片负载牵引测量***的现场校准方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，研制一系列反射系数不同的失配衰减单片作为传递标准件，所述传递标准件的反射系数的覆盖范围为：0.1-0.8；

第二步，利用矢量网络分析仪和微波探针台组成在片矢量网络分析仪作为定标装置，用定标装置测量各传递标准件的S参数，所述S参数为S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂；

第三步，由设定的定标装置的源、负载端反射系数结合上一步测得的S参数，参照公式（1）计算得到各传递标准件的标准转换增益G_T（S），并将其作为相应传递标准件转换增益的定标标准值；

$G_T\left(S\right)=\frac{(1-{\left|{\mathrm{\&Gamma;}}_S\right|}^2){\left|S_{21}\right|}^2(1-{\left|{\mathrm{\&Gamma;}}_L\right|}^2)}{{|(1-S_{11}{\mathrm{\&Gamma;}}_S)(1-S_{22}{\mathrm{\&Gamma;}}_L)-S_{12}{S}_{21}{\mathrm{\&Gamma;}}_S{\mathrm{\&Gamma;}}_L|}^2}...\left(1\right)$

其中，Γ_S为从传递标准件输入端向信号源端看去的反射系数；Γ_L为从传递标准件输出端向输出负载端看去的反射系数；

第四步，计算各传递标准件S参数基于定标装置的测量不确定度；

第五步，通过偏微分方程得到由于S参数测不准引入的标准转换增益G_T（S）的测量不确定度，再将测量重复性引入的测量不确定度与之合成得到标准转换增益G_T（S）的定标不确定度；

第六步，用在片负载牵引测量***测量各传递标准件的测量转换增益G_T，得到在片负载牵引测量***测量重复性引入的测量不确定度，并将其与上述步骤得到的G_T（S）的定标不确定度合成得到在片负载牵引测量***的测量不确定度，实现在片负载牵引测量***的校准。

2.根据权利要求1所述的一种在片负载牵引测量***的现场校准方法，其特征在于上述第一步中传递标准件的实现形式为：

设计上：采用稳定性好、分布参数小且适合版图布置的平衡式∏型电阻网络的形式；

工艺上：所述传递标准件以砷化镓晶圆片为衬底，利用溅射技术，把镍铬合金在衬底上制成高频电阻网络，高频电阻网络制成平衡式∏型电阻网络的形式，并在其上覆盖氮化硅薄膜；研制完成的电阻网络以微带线的形式在砷化镓圆片上制作，圆片经过减薄到100μm后作过孔处理；最后的传递标准件在圆片上保存。

3.根据权利要求1所述的一种在片负载牵引测量***的现场校准方法，其特征在于所述第四步的计算方法为：测量得到定标装置的***剩余误差项及稳定性误差、噪声误差，并利用这些误差计算得到S参数的测量不确定度。

4.根据权利要求1所述的一种在片负载牵引测量***的现场校准方法，其特征在于上述第五步中标准转换增益G_T（S）的定标不确定度的计算方法为：

首先，将各S参数分解为模和相位相结合的形式，即S₁₁＝r₁₁∠θ₁₁，S₂₁＝r₂₁∠θ₂₁，S₁₂＝r₁₂∠θ₁₂，S₂₂＝r₂₂∠θ₂₂，标准转换增益G_T（S）对各S参数的模和相位进行偏微分得到式（2）：

$d{G}_T\left(S\right)=\frac{\&PartialD;G_T\left(S\right)}{\&PartialD;r_{11}}{\mathrm{dr}}_{11}+\frac{\&PartialD;G_T\left(S\right)}{\&PartialD;{\mathrm{\&theta;}}_{11}}d{\mathrm{\&theta;}}_{11}+\frac{\&PartialD;G_T\left(S\right)}{\&PartialD;r_{21}}{\mathrm{dr}}_{21}+\frac{\&PartialD;G_T\left(S\right)}{\&PartialD;{\mathrm{\&theta;}}_{21}}d{\mathrm{\&theta;}}_{21}$ ..................（9）

$+\frac{\&PartialD;G_T\left(S\right)}{\&PartialD;r_{12}}d{r}_{12}+\frac{\&PartialD;G_T\left(S\right)}{\&PartialD;{\mathrm{\&theta;}}_{12}}d{\mathrm{\&theta;}}_{12}+\frac{\&PartialD;G_T\left(S\right)}{\&PartialD;r_{22}}{\mathrm{dr}}_{22}+\frac{\&PartialD;G_T\left(S\right)}{\&PartialD;{\mathrm{\&theta;}}_{22}}d{\mathrm{\&theta;}}_{22}$

其中，dr₁₁、dr₂₁、dr₁₂、dr₂₂为四个S参数的模的不确定度，dθ₁₁、dθ₂₁、dθ₁₂、dθ₂₂为四个S参数的相位不确定度；

接着，将由第四步得到的S参数的测量不确定度分解为模的测量不确定度和相位的测量不确定度；

然后，根据模的测量不确定度和相位的测量不确定度，参照式（9）计算得到标准转换增益G_T（S）的测量不确定度；

最后，计算定标装置由于测量重复性引入的测量不确定度，将其与G_T（S）的测量不确定度合成得到标准转换增益G_T（S）的定标不确定度。

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