CN104111435B - 一种测试夹具误差剔除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种测试夹具误差剔除方法，其包括：过程1：使用测试夹具夹持被测件进行测量；然后将被测件与标准件组合为校验被测件，再次使用测试夹具夹持该校验被测件进行测量；过程2利用自动端口延伸分别对被测件以及校验被测件进行测试，得到测试夹具的参数、被测件的参数以及校验被测件的参数；过程3：利用校验被测件的参数对被测件的参数进行修正：判定校验被测件的参数和被测件的参数的比例是否在预设区域内，如果在，则该被测件的参数为准确值，结束本次测试；如果不在，则通过去嵌入方法对被测件进行去除夹具误差。本发明采用上述方法，通过被测件以及校验被测件的比对，修正了APE对于反射测量这种方法产生的误差。

Description

一种测试夹具误差剔除方法

技术领域

本发明涉及矢量网络分析仪的校准技术领域，具体涉及一种测试夹具误差剔除方法。

背景技术

目前的矢量网络分析仪，是新一代微波毫米波测量技术及射频功率器件的表征平台。矢量网络分析仪既能测量单端口网络或两端口网络的各种参数幅值，又能测相位，即通过激励—响应测试来建立线性网络的传输与阻抗，矢量网络分析仪能用史密斯圆图显示测试数据。矢量网络分析仪功能很多，被称为“仪器之王”，是射频微波领域的万用表，主要测试微波网络的S参数。在微波频段，因为采用了波的概念，所以微波网络常用S参数表示。双口网络都可以用4个S参数(S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂)来表示其端口特性。S参量表达的是功率波，可以用入射功率波和反射功率波的方式来定义网络的输入、输出关系。S参数类似于反射和传输特性。在测量、建模和设计多元件的复杂***中，器件的S参数特性起着关键的作用。矢量网络分析仪能方便快捷地测量出被测器件的四个S参数。

矢量网络分析仪采用校准和矢量误差修正提高测量精度，基于校准件的电子校准应用日趋广泛。矢量网络分析仪的附件包括各种校准件，在日常测试时必须先进行校准。校准的目的即是修正矢量网络分析仪的***误差。掌握矢量网络分析仪的误差修正原理和操作方法，有助于操作者更好地使用矢量网络分析仪，取得真实可靠的测试结果。

标准件又称校准件，其技术指标已知，并且是可表征的。常用的校准标准有开路器、短路器、固定匹配负载、滑动匹配负载和精密空气线等，每一套标准件至少包含三个性能差别很大且相对独立的标准。美国Agl ient公司根据不同测试精度将标准件分成三个级别，即经济级校准件，主要有开路器、短路器和固定匹配负载；标准级校准件，主要有开路器、短路器和滑动匹配负载；精密级校准件，主要有开路器、短路器、低频固定负载和精密空气线。每一个标准都有严格的数学定义，标准件的数学定义放在磁盘或磁带中供矢量网络分析仪调用。

在微波射频领域，测试一个器件最大的挑战之一，是如何消除有害的测试夹具效应。不消除这一效应，就无法得到被测器件的精确特性。这导致即使器件性能再好，也只能得到较低的产品规格。射频电路设计中大量使用表面贴装器件(SMD)，而在使用标准仪器(如网络分析仪等)对SMD器件进行测试时需要特定的测量测试夹具实现测试仪器同轴测试端到器件输入端的转接。测量过程中测试夹具的特性也将包含在测试结果之中，获得SMD器件阻抗特性关键是从测量结果中去除测试夹具的影响。目前去除测试夹具的方法主要有网络分析仪端口延伸法、去嵌入法、SOLT校准法、TRL校准法、归一化法、电延时法、时域反射测量法等，各种方法在操作难易度和测量精确性上各有优缺点。

目前有三种消除测试夹具效应的技术：建模，去嵌入和直接测量。测试夹具和被测件(DUT)的相对特性决定了需要哪种水平的校准来满足必须的测量精度。接下来将分别介绍端口延伸(建模)和去嵌入的技术。

(1)端口延伸和自动端口延伸

在矢量网络分析仪的射频测量工具箱中，端口延伸是最简单的方法。它不需要建立精密的，测试夹具测试的校准标准。通常，端口延伸仅用来补偿测试夹具造成的测试端面和DUT之间的相位和群延迟的变化。但是现在，已经有了自动端口延伸功能(APE)，它也可以提供对插损的补偿。APE利用开路或短路标准器件进行测试夹具补偿。

开路标准器件等效于一个未使用的测试夹具，短路标准器件相当于将一个金属板覆盖所有的接线端，使它们与测试夹具的地短路。由于不需要为每个测试夹具制造精确的标准器件，可以大大提高多端口器件的开发效率。使用APE一般需要两个步骤：

第一步，做一个全双端口的校准，这一步去除了矢网、连接电缆和各种同轴连接器的误差，并给所有的测试夹具连接处以很好的源匹配。这一步对于有着很好的连接器匹配(30dB左右或者更好)的测试夹具非常重要。

第二步是使用APE进行测试夹具的校准。这一步就可以去掉测试夹具的插损和响应延迟。如果进行快速测量，第一步可以省去。响应校准可以用来校准整个的测试***。对于传输测量是很容易满足要求的，但对于反射测量这种方法会有很多的误差。

(2)测试夹具去嵌入功能

通过测量某些标准件(开路、短路、匹配负载等)得到测试夹具的射频模型(主要是测试夹具的S参数特性)，然后利用虚拟仪器中的矩阵运算对具体器件的测量结果进行去嵌入处理，从中消除测试夹具的影响，得到器件精确的射频阻抗特性。从被测件测量中去除测试夹具的过程可以用转移散射参数矩阵来完成。利用不同的校准模型，能直接在矢量网络分析仪上完成去嵌入计算。如果将测试夹具的影响考虑成矢量网络分析仪误差校准系数的一部分，则实时去嵌入测量的结果就可以直接显示在矢量网络分析仪上。

在推导去嵌入的数学公式之前，必须以方便的形式表示出测试夹具和被测件。利用信号流图，可以将测试夹具和器件表示成3个独立的2端口网络。这样，测试夹具便分为两半，以表示被测件每一侧上的同轴接口转非同轴接口。两半测试夹具被指定为分别代表测试夹具左侧和右侧的FixtureA和FixtureB。如直接将三个网络的矩阵相乘，便会发现将S参数矩阵变换成转移散射矩阵或T参数在数学处理上更加方便。二端口T参数矩阵可表示为[T]。这里，[T]定义为具有网络的四个参数：

由于我们将测试夹具和被测件定义为三个级联网络，所以很容易将它们各自的T参数网络TA、TDUT和TB相乘。只有利用T参数才能将这个简单的矩阵方程写成下列形式：[TA][TDUT][TB]。

测试夹具误差剔除方法，也即去除测试夹具两侧的TA和TB，并获取被测件或TDUT的信息。目前的测试夹具误差剔除，主要是利用测试夹具的S或T参数模型以及矢量网络分析仪对测试夹具和被测件的组合测量结果，即可以应用上述矩阵方程从测量结果中去除所嵌入的测试夹具。

上述三种消除测试夹具效应的方法，其中，直接测量方法的人工误差仍然存在，且给测试人员带来不便。建模方法中，使用APE进行测试夹具的校准，对于传输测量是很容易满足要求的，但对于反射测量这种方法会有很多的误差。而对于去嵌入方法，其误差剔除过程通常是由矢量网络分析仪获取测量结果之后执行的，且需要矩阵运算进行误差去除，因此测试过程复杂，测试时间长。另外，由于技术条件限制，建模方法和去嵌入方法得到的测试结果均具有一定的误差，在某些要求精确的场合，上述方法均不能达到要求。

发明内容

因此，针对上述的问题，本发明提出一种测试夹具误差剔除方法，结合建模和去嵌入方法，对两种方法下产生的误差进行修正，将矢量网络分析仪的测试过程中用到的测试夹具所产生的误差精确剔除，完全消除夹具效应，从而得到精确的被测件的参数。

为了解决上述技术问题，本发明所采用技术方案是，一种测试夹具误差剔除方法，使用测试夹具夹持被测件进行测量后，消除测试夹具对测量结果的影响，包括如下过程：

过程1：使用测试夹具夹持被测件进行测量；然后将被测件与标准件组合为校验被测件，再次使用测试夹具夹持该校验被测件进行测量；其中，该标准件是开路标准器件或短路标准器件；其中，开路标准器件等效于一个未使用的测试夹具，短路标准器件相当于将一个金属板覆盖所有的接线端，使它们与测试夹具的地短路；

过程2：利用自动端口延伸分别对被测件以及校验被测件进行测试，得到测试夹具的参数、被测件的参数以及校验被测件的参数；其中，自动端口延展技术(APE)是安捷伦科技提出的技术，采用APE，测试端口从连接部分扩展到传输线的末端，因此消除夹具效应；

过程3：利用校验被测件的参数对被测件的参数进行修正：理论上，被测件的参数和校验被测件的参数的变化是呈线性比例的，且该比例可由多次实验得到结果范围值，将该结果范围值记为A，但实际上，使用APE进行测试夹具的校准中对于反射测量这种方法会有很多的误差，因此首先判定校验被测件的参数和被测件的参数的比例是否在A的区域内，如果在该区域内，则该被测件的参数为准确值，结束本次测试；如果不在该区域内，则执行过程4；

过程4：测量标准件的参数获得测试夹具的S参数矩阵，然后通过矩阵运算对被测件的测量结果进行去嵌入处理，得到被测件和测试夹具的组合参数；然后利用测试夹具的S参数矩阵，将测试夹具的组合参数拆分，获得被测件的参数和测试夹具的参数；其中，通过矩阵运算对被测件的测量结果进行去嵌入处理已经在背景技术中阐述过了，这里不再赘述。

为了进一步减少反射测量的误差，该方法还包括以下过程：

过程5：通过多次实验或者其他途径对过程2得到的被测件的参数C1以及过程4得到的被测件的参数C2进行比对，获得C1和C2的比值关系B，该比值关系B是一个范围值；然后将过程4获得的被测件的参数和测试夹具的参数进行比值运算，如果该比值运算在比值关系B的范围内，则不对过程4得到的被测件的参数修正，结束本次测试；如果该比值运算不在比值关系B的范围内，则采用比值关系B对过程4得到的被测件的参数进行修正。其中，采用比值关系B对过程4得到的被测件的参数进行修正的方法可以是将比值关系B与过程2得到的被测件的参数相乘获得。

本发明通过上述过程，通过被测件以及校验被测件的比对，修正了APE对于反射测量这种方法产生的误差；通过结合建模方法以及去嵌入方法，并对两种方法下产生的误差进行比对和修正，更进一步减小了了APE对于反射测量这种方法产生的误差，并且对获得的被测件的参数进行多次修正，从而得到精确的被测件的参数。本发明的方法简单有效，容易实现。

具体实施方式

现结合具体实施方式对本发明进一步说明。

计算机技术与网络技术的飞速发展，可将分散在不同地理位置不同功能的测试设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。人们可从任何地点、在任意时间获取到测量信息(或数据)，并控制仪器进行测量操作。因此，它与传统的仪器相比是一个质的飞跃。目前，国内对网络化仪器的研究正处于起步阶段。“网络就是仪器”的提法也已出现，网络化仪器在测控领域已有实际应用。现在，有关MCN(测量与控制网络-Measure2mentand Control Networks)方面的标准正在积极进行，并取得了一定进展。由上所述，网络化虚拟仪器(简称网络分析仪)将具有广泛的应用前景，将成为虚拟仪器技术发展的一个重要方向。其中，利用网络分析仪对被测件进行测试，是网络分析仪的一个重要功能。然而，对被测件进行测试，为了减少手持被测件测试所带来的误差，现在一般采用测试夹具进行测试，而本发明是研究如何消除测试夹具对被测件的测试结果的影响。

具体的，本发明的一种测试夹具误差剔除方法，使用测试夹具夹持被测件进行测量后，消除测试夹具对测量结果的影响，包括如下过程：

过程1：使用测试夹具夹持被测件进行测量；然后将被测件与标准件组合为校验被测件，再次使用测试夹具夹持该校验被测件进行测量；其中，该标准件是开路标准器件或短路标准器件；其中，开路标准器件等效于一个未使用的测试夹具，短路标准器件相当于将一个金属板覆盖所有的接线端，使它们与测试夹具的地短路；

过程2：利用自动端口延伸分别对被测件以及校验被测件进行测试，得到测试夹具的参数、被测件的参数以及校验被测件的参数；其中，自动端口延展技术(APE)是安捷伦科技提出的技术，采用APE，测试端口从连接部分扩展到传输线的末端，因此消除夹具效应；

过程3：利用校验被测件的参数对被测件的参数进行修正：理论上，被测件的参数和校验被测件的参数的变化是呈线性比例的，且该比例可由多次实验得到结果范围值，将该结果范围值记为A，但实际上，使用APE进行测试夹具的校准中对于反射测量这种方法会有很多的误差，因此首先判定校验被测件的参数和被测件的参数的比例是否在A的区域内，如果在该区域内，则该被测件的参数为准确值，结束本次测试；如果不在该区域内，则执行过程4；

过程4：测量标准件的参数获得测试夹具的S参数矩阵，然后通过矩阵运算对被测件的测量结果进行去嵌入处理，得到被测件和测试夹具的组合参数；然后利用测试夹具的S参数矩阵，将测试夹具的组合参数拆分，获得被测件的参数和测试夹具的参数；其中，通过矩阵运算对被测件的测量结果进行去嵌入处理已经在背景技术中阐述过了，这里不再赘述。

为了进一步减少反射测量的误差，该方法还包括过程5：通过多次实验或者其他途径对过程2得到的被测件的参数C1以及过程4得到的被测件的参数C2进行比对，获得C1和C2的比值关系B，该比值关系B是一个范围值；然后将过程4获得的被测件的参数和测试夹具的参数进行比值运算，如果该比值运算在比值关系B的范围内，则不对过程4得到的被测件的参数修正，结束本次测试；如果该比值运算不在比值关系B的范围内，则采用比值关系B对过程4得到的被测件的参数进行修正。其中，采用比值关系B对过程4得到的被测件的参数进行修正的方法可以是将比值关系B与过程2得到的被测件的参数相乘获得。

其中，利用自动端口延伸(APE)分别对被测件以及校验被测件进行测试，首先进行测量校准，将与网络分析仪配套的校准件连接到网络分析仪的测试电缆端，做全2端口校准，然后用网络分析仪测量测试夹具，得到测试夹具2端口S参数，然后用射频电路仿真软件对测试夹具建模，并利用测量测试夹具的S参数对建模优化，通过测试夹具去嵌入，使校准面移到测试板的中间位置；接下来将被测器件安装到测试基板的微带线上测量S参数；被测器件的S参数数据是通过使用矢量网络分析器(VNA)和2端口电路测试夹具测量得到。最后通过仿真软件从芯片测量数据中获得被测器件的串联等效电路参数。再从芯片的串联等效电路参数计算电容器的Q值。

由去嵌入后的电容S参数，综合出电容的性能参数：电容值(C)、等效串联电阻(ESR)、Q值、正切损耗角(TanD)、串联谐振频率、并联谐振频率，与等效电路参数：电容值(C)、等效串联电感(ESL)、等效串联电阻(ESR)、等效并联电容(EPC)、等效并联电阻(EPR)，可以通过下面三种算法实现：

A.最小二乘曲线拟合

从整体上考虑近似函数p(x)同所给数据点(x_i,y_i)(i＝0,1,…,m)误差r_i＝p(x_i)-y_i(i＝0,1,…,m)的大小，常用的方法有以下三种：一是误差r_i＝p(x_i)-y_i(i＝0,1,…,m)绝对值的最大值即误差向量r＝(r₀,r₁,…r_m)^T的∞—范数；二是误差绝对值的和即误差向量r的1—范数；三是误差平方和的算术平方根，即误差向量r的2—范数；前两种方法简单、自然，但不便于微分运算，后一种方法相当于考虑2—范数的平方，因此在曲线拟合中常采用误差平方和来度量误差r_i(i＝0，1，…，m)的整体大小。

最小二乘数据拟合的具体作法是：对给定数据(x_i,y_i)(i＝0,1,…，m)，在取定的函数类Φ中,求p(x)∈Φ,使误差r_i＝p(x_i)-y_i(i＝0,1,…,m)的平方和最小，即

从几何意义上讲，就是寻求与给定点(x_i,y_i)(i＝0,1,…,m)的距离平方和为最小的曲线y＝p(x)。函数p(x)称为拟合函数或最小二乘解，求拟合函数p(x)的方法称为曲线拟合的最小二乘法。

最小二乘曲线拟合中，函数类Φ可有不同的选取方法.

B.多项式级数迭代

假设给定数据点(x_i,y_i)(i＝0,1,…,m)，Φ为所有次数不超过n(n≤m)的多项式构成的函数类，现求一使得

当拟合函数为多项式时，称为多项式拟合，满足式(1)的p_n(x)称为最小二乘拟合多项式。特别地，当n＝1时，称为线性拟合或直线拟合。

显然

为a₀,a₁,…a_n的多元函数，因此上述问题即为求I＝I(a₀,a₁,…a_n)的极值问题。由多元函数求极值的必要条件，得

即

(3)是关于a₀,a₁,…a_n的线性方程组，用矩阵表示为

式(3)或式(4)称为正规方程组或法方程组。

可以证明，方程组(4)的系数矩阵是一个对称正定矩阵，故存在唯一解。从式(4)中解出a_k(k＝0,1,…，n)，从而可得多项式

可以证明，式(5)中的p_n(x)满足式(1)，即p_n(x)为所求的拟合多项式。我们把称为最小二乘拟合多项式p_n(x)的平方误差，记作

由式(2)可得

多项式拟合的一般方法可归纳为以下几步：

1)由已知数据画出函数粗略的图形——散点图，确定拟合多项式的次数n；

2)列表计算和

3)写出正规方程组，求出a₀,a₁,…a_n；

4)写出拟合多项式

在实际应用中，n＜m或n≤m；当n＝m时所得的拟合多项式就是拉格朗日或牛顿插值多项式。

C.ADS等效电路优化

由去嵌入后的电容S参数，换算成每个频率点所对应的虚阻抗值，根据以下公式来计算电容值。

C＝imag(Zin)/(2*π*freq)

其中，因为矢网低频点校准误差较大，所以可选前面3-4个电容做平均，以消除随机误差。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种测试夹具误差剔除方法，使用测试夹具夹持被测件进行测量后，消除测试夹具对测量结果的影响，其特征在于：包括如下过程：

过程1：使用测试夹具夹持被测件进行测量；然后将被测件与标准件组合为校验被测件，再次使用测试夹具夹持该校验被测件进行测量；其中，该标准件是开路标准器件或短路标准器件；其中，开路标准器件等效于一个未使用的测试夹具，短路标准器件相当于将一个金属板覆盖所有的接线端，使它们与测试夹具的地短路；

过程2：利用自动端口延伸分别对被测件以及校验被测件进行测试，得到测试夹具的参数、被测件的参数以及校验被测件的参数；

过程3：利用校验被测件的参数对被测件的参数进行修正：被测件的参数和校验被测件的参数的比值由多次实验得到结果范围值，将该结果范围值记为A，首先判定校验被测件的参数和被测件的参数的比例是否在A的区域内，如果在该区域内，则该被测件的参数为准确值，结束本次测试；如果不在该区域内，则执行过程4；

过程4：测量标准件的参数获得测试夹具的S参数矩阵，然后通过矩阵运算对被测件的测量结果进行去嵌入处理，得到被测件和测试夹具的组合参数；然后利用测试夹具的S参数矩阵，将测试夹具的组合参数拆分，获得被测件的参数和测试夹具的参数。

2.根据权利要求1所述的测试夹具误差剔除方法，其特征在于：该方法还包括过程5：对过程2得到的被测件的参数C1以及过程4得到的被测件的参数C2进行比对，获得C1和C2的比值关系B，该比值关系B是一个范围值；然后将过程4获得的被测件的参数和测试夹具的参数进行比值运算，如果该比值运算在比值关系B的范围内，则不对过程4得到的被测件的参数修正，结束本次测试；如果该比值运算不在比值关系B的范围内，则采用比值关系B对过程4得到的被测件的参数进行修正。

3.根据权利要求2所述的测试夹具误差剔除方法，其特征在于：过程5中，采用比值关系B对过程4得到的被测件的参数进行修正的方法，是将比值关系B与过程2得到的被测件的参数相乘获得。