微波器件S參數(shù)全溫在線測(cè)試技術(shù)研究

肖苗苗，任翔，馬帥帥，李靜，高鵬鵬，鄧嘉輝

（航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心，北京 100854）

引言

國(guó)外對(duì)于微波器件測(cè)試技術(shù)研究較早，在微波S參數(shù)全溫測(cè)試技術(shù)方面，Rumiantsev A等人提出應(yīng)該在不同的溫度下分別研制且定義校準(zhǔn)件，以此來提高在片S參數(shù)高低溫測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。美國(guó)Cascade公司認(rèn)可上述觀點(diǎn)，并發(fā)明了一個(gè)主卡盤和兩個(gè)輔助卡盤回，在校準(zhǔn)的過程中，將DUT放在主卡盤上，校準(zhǔn)件放在輔助卡盤上。當(dāng)主卡盤的溫度發(fā)生變化時(shí)（-55～125）℃，輔助卡盤的溫度變化較小（-5～55）℃，這樣便可消除溫度對(duì)校準(zhǔn)件的影響，近似地解決了上述問題，但是此設(shè)備價(jià)格昂貴，不易推廣。

國(guó)內(nèi)微波器件生產(chǎn)廠家開展的微波高低溫測(cè)試，均采用先常溫狀態(tài)下校準(zhǔn)，后施加高低溫環(huán)境的方式，測(cè)試準(zhǔn)確性和可靠性難以保證。因此開展微波器件S參數(shù)全溫在線測(cè)試、校準(zhǔn)技術(shù)研究十分必要。

1 微波器件S參數(shù)高精度全溫在線測(cè)試方法研究

要實(shí)現(xiàn)微波器件箱內(nèi)校準(zhǔn)和測(cè)試，需要設(shè)計(jì)一套微波器件程控測(cè)試及校準(zhǔn)程序，通過LabVIEW編程環(huán)境實(shí)現(xiàn)溫箱、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、電源等硬件設(shè)備的程控，同時(shí)通過數(shù)字板卡控制微波開關(guān)實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)和測(cè)試通道切換。

網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)中可能存在的測(cè)量誤差可以分漂移誤差、隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差三大類[1-3]。系統(tǒng)誤差是網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)中最大的誤差源，我們可通過S參數(shù)測(cè)試前的校準(zhǔn)步驟去除。因此，校準(zhǔn)方法的選用在整個(gè)S參數(shù)測(cè)試中起著非常重要的作用[4]。本項(xiàng)目的校準(zhǔn)方法采用TRL（直通-反射-線路）校準(zhǔn)方式，在常規(guī)測(cè)試過程中測(cè)試適配器往往需要進(jìn)行同軸與微帶線的轉(zhuǎn)換，相比SOLT（短路-開路-負(fù)載-直通）的校準(zhǔn)方式，TRL校準(zhǔn)更加精確，成本也更低。本項(xiàng)目以雙端口微波器件為研究對(duì)象，分別選取兩款聲表濾波器、一款數(shù)控衰減器兩類共三個(gè)型號(hào)典型微波器件作為樣片開展研究。

2 微波器件S參數(shù)高精度全溫在線測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

本項(xiàng)目基于LabVIEW編程環(huán)境，集成矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、電源、溫箱等硬件設(shè)備。通過編寫測(cè)試軟件，實(shí)現(xiàn)溫箱溫度的在線調(diào)節(jié)和控制，利用數(shù)字板卡控制微波開關(guān)實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)和測(cè)試通道的切換，通過控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀實(shí)現(xiàn)S參數(shù)的測(cè)試、校準(zhǔn)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，測(cè)試原理圖見圖1。

圖1 微波器件S參數(shù)高低溫測(cè)試系統(tǒng)原理圖

以雙端口微波器件為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一套S參數(shù)高低溫校準(zhǔn)兼測(cè)試裝置，采用多線TRL校準(zhǔn)方法實(shí)現(xiàn)微波器件S參數(shù)高低溫環(huán)境下的在線校準(zhǔn)和測(cè)試，詳見圖2。測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)滿足測(cè)試精度的同時(shí)兼顧通用性，通過替換專用測(cè)試插座可實(shí)現(xiàn)多種類微波器件的高低溫測(cè)試。

圖2 S參數(shù)高低溫校準(zhǔn)兼測(cè)試裝置原理框圖

3 高低溫環(huán)境下的校準(zhǔn)技術(shù)及解決途徑

對(duì)于微波器件在常溫測(cè)試時(shí)的校準(zhǔn)工作，可通過一系列的手動(dòng)切換不同校準(zhǔn)模塊即可完成，但在高低溫環(huán)境下無法實(shí)現(xiàn)手動(dòng)切換，強(qiáng)制的手動(dòng)操作對(duì)測(cè)試結(jié)果具有較大的影響。

解決措施：將THRU、SHORT、LINES、LOAD四種校準(zhǔn)件與測(cè)試模塊集成到測(cè)試夾具上，夾具的射頻輸入和輸出端分別連接兩個(gè)單刀六擲開關(guān)。實(shí)際測(cè)試過程中，首先將測(cè)試斷面校準(zhǔn)到開關(guān)的測(cè)量端面，再將測(cè)試夾具置于溫度試驗(yàn)箱中，兩個(gè)單刀六擲開關(guān)置于溫箱外，連接網(wǎng)絡(luò)分析儀、開關(guān)、測(cè)試夾具組成測(cè)試系統(tǒng)，通過開關(guān)進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)高低溫環(huán)境下的一系列校準(zhǔn)操作。

4 研究過程

4.1 程控測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

程序主體基于LabVIEW標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)機(jī)構(gòu)成，將整套測(cè)試流程分為多個(gè)狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)切換，分別進(jìn)行矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置、電源設(shè)置、溫箱設(shè)置、數(shù)據(jù)采集以及測(cè)試完成后儀器的關(guān)閉操作?；趦x器驅(qū)動(dòng)所提供的相關(guān)功能，進(jìn)行測(cè)試參數(shù)的設(shè)定，以實(shí)現(xiàn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試程序設(shè)置。在進(jìn)行校準(zhǔn)程序設(shè)置時(shí)，擬通過數(shù)字板卡建立數(shù)字輸出任務(wù)，實(shí)現(xiàn)TTL電平輸出，控制微波開關(guān)完成通道切換以實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)操作。電源控制同樣基于儀器驅(qū)動(dòng)，以達(dá)到電源通道、輸出電壓、輸出電流等控制。數(shù)據(jù)采集功能基于SCPI指令實(shí)現(xiàn)完成目標(biāo)頻率范圍內(nèi)一條或多條Trace中最大值與最小值的數(shù)值獲取，并結(jié)合報(bào)表生成工具包實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取。主程序控制界面及程序框圖見圖3、圖4。

圖3 主程序控制界面

圖4 程序框圖

4.2 TRL校準(zhǔn)件及測(cè)試適配器設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目在進(jìn)行TRL校準(zhǔn)件設(shè)計(jì)時(shí)，采用Rogers板材，工作頻率范圍從10 MHz～18 GHz，滿足6 GHz的指標(biāo)要求。因頻率跨度大于8，故采用2條延遲線。利用安捷倫的TRL計(jì)算器軟件可直接計(jì)算出SHORT、OPEN、LOAD、THRU、LINE1、LINE2的傳輸線長(zhǎng)度。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可進(jìn)行TRL校準(zhǔn)件的PCB設(shè)計(jì)，見圖5。根據(jù)選取的三款樣片的尺寸，工作頻段等指標(biāo)，設(shè)計(jì)PCB測(cè)試板。

圖5 TRL校準(zhǔn)件PCB設(shè)計(jì)版圖

4.3 TRL校準(zhǔn)件仿真

TRL校準(zhǔn)件設(shè)計(jì)時(shí)包含THRU、SHORT、LINES、LOAD四種校準(zhǔn)件。即反射校準(zhǔn)件使用短路件，延時(shí)校準(zhǔn)件分段，720 MHz以下使用負(fù)載；720 MHz～3.6 GHz使用延時(shí)線1；（3.6～18）GHz使用延時(shí)線2。延時(shí)線1和延時(shí)線2根據(jù)不同頻段相對(duì)于直通的相對(duì)長(zhǎng)度不同。其中SHORT校準(zhǔn)件和負(fù)載校準(zhǔn)件需對(duì)寄生電容電感做補(bǔ)償。使用HFSS仿真后，延時(shí)線到6 GHz駐波小于1.14，插損小于0.25 dB，滿足0.3 dB的技術(shù)指標(biāo)要求。短路器SHORT駐波大于5 000，能夠滿足校準(zhǔn)要求。負(fù)載LOAD在工作頻帶內(nèi)，駐波小于1.05，能夠滿足校準(zhǔn)要求。

4.4 測(cè)試系統(tǒng)搭建

根據(jù)原理圖，見圖1，搭建微波器件S參數(shù)全溫在線測(cè)試系統(tǒng)。硬件設(shè)備情況見表1。

表1 硬件設(shè)備情況

工控機(jī)與溫箱、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、電源采用GPIB通訊，LabVIEW測(cè)試軟界面可進(jìn)行設(shè)備地址選擇，調(diào)用該設(shè)備。測(cè)試時(shí)將校準(zhǔn)、測(cè)試工裝置于箱內(nèi)，其余硬件均置于箱外。兩個(gè)微波開關(guān)的供電分別由兩個(gè)數(shù)字板卡提供。通過程序界面左上角的八個(gè)通道開關(guān)可實(shí)現(xiàn)微波開關(guān)通道的切換，最終實(shí)現(xiàn)在線校準(zhǔn)和測(cè)試。

4.5 高、低溫在線測(cè)試

開展兩款聲表濾波器及一款數(shù)控衰減器的全溫測(cè)試，進(jìn)行驗(yàn)證比對(duì)。每款型號(hào)選取2只樣片進(jìn)行試驗(yàn)，因三款型號(hào)的工作溫度范圍為（-40～+85）℃，故選取-40 ℃、+25 ℃、+85 ℃三個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試驗(yàn)證試驗(yàn)：

第一種：常溫+25 ℃下校準(zhǔn)，溫箱溫度設(shè)置為-40 ℃、+85 ℃，到達(dá)該溫度點(diǎn)后分別停留半個(gè)小時(shí)以上，進(jìn)行測(cè)試，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。

第二種：常溫+25 ℃下校準(zhǔn)，溫箱溫度設(shè)置為-40 ℃、+85 ℃，到達(dá)該溫度點(diǎn)后分別停留半個(gè)小時(shí)以上，進(jìn)行該溫度點(diǎn)下二次校準(zhǔn)，再進(jìn)行測(cè)試，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。具體測(cè)試數(shù)據(jù)見表2～表4。

表2 聲表濾波器1測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 聲表濾波器2測(cè)試數(shù)據(jù)

表4 數(shù)控衰減器測(cè)試數(shù)據(jù)

表5 板材的介電常數(shù)隨溫度的變化率

根據(jù)常溫下校準(zhǔn)、高低溫下測(cè)試與常溫下校準(zhǔn)、高低溫下二次校準(zhǔn)后再測(cè)試的數(shù)據(jù)，我們可以看到，二次校準(zhǔn)后插入損耗指標(biāo)普遍更小、阻帶抑制更大。

由于測(cè)試用校準(zhǔn)件及測(cè)試適配器的板材均為羅杰斯高頻板材，該高頻板材的介電常數(shù)εr為3.48±0.05。TRL校準(zhǔn)件設(shè)計(jì)時(shí)也是基于此指標(biāo)進(jìn)行的仿真，本項(xiàng)目的TRL校準(zhǔn)件εr指標(biāo)設(shè)置為3.45。因微波器件測(cè)試常用高頻板材主要為羅杰斯板材，選取兩款不同羅杰斯板材，可知它們的εr隨溫度的變化率很小，見下表，基本可以忽略。

為了了解兩種板材的傳輸特性指標(biāo)隨溫度的變化情況，補(bǔ)充以下試驗(yàn)：

使用羅杰斯板材1制作的TRL中的直通校準(zhǔn)件，放置在溫箱內(nèi)，設(shè)置溫度點(diǎn)分別為-40 ℃、+25 ℃、+85 ℃，每個(gè)溫度點(diǎn)放置半小時(shí)以上，測(cè)試三個(gè)溫度點(diǎn)下直通校準(zhǔn)件（THRU）的S參數(shù)指標(biāo)。測(cè)試頻率范圍為10 MHz～18 GHz。選取多個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，記錄S參數(shù)的測(cè)試數(shù)據(jù)。繪制高溫、低溫、常溫下S21、S11測(cè)試曲線，見圖6、圖7。

圖6 羅杰斯板材1的TRL直通件在高溫、低溫、常溫下的S21測(cè)試曲線

圖7 羅杰斯板材1的TRL直通件在高溫、低溫、常溫下的S11測(cè)試曲線

將使用羅杰斯板材2制作的直通校準(zhǔn)件放置在溫箱內(nèi)，設(shè)置溫度點(diǎn)分別為-40 ℃、+25 ℃、+85 ℃，每個(gè)溫度點(diǎn)放置半小時(shí)以上，測(cè)試三個(gè)溫度點(diǎn)下該直通校準(zhǔn)件的S參數(shù)指標(biāo)。測(cè)試頻率范圍為10 MHz～18 GHz。選取多個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，記錄S參數(shù)的測(cè)試數(shù)據(jù)。繪制高溫、低溫、常溫下S21、S11測(cè)試曲線，見圖8、圖9。

圖8 羅杰斯板材2直通件在高溫、低溫、常溫下的S11測(cè)試曲線

圖9 羅杰斯板材2直通件在高溫、低溫、常溫下的S21測(cè)試曲線

因兩端口直通校準(zhǔn)件的傳輸指標(biāo)和反射指標(biāo)都是對(duì)稱的，因此傳輸以S21為例，反射以S11為例繪制測(cè)試曲線，能夠更直觀的看到插入損耗和駐波的變化情況。通過圖8、圖9，我們可以了解到隨著溫度變化，不同板材的直通件的S參數(shù)指標(biāo)變化均為相同頻率點(diǎn)下，溫度越低插入損耗指標(biāo)S21越好，溫度越高插入損耗指標(biāo)S21越差。反射指標(biāo)S11隨溫度變化不大，隨頻率變化較大。隨著頻率升高（6 GHz以上）呈現(xiàn)出低溫較高溫偏離理想值更大的情況。

通過以上附加試驗(yàn)，我們了解到TRL校準(zhǔn)件在溫箱內(nèi)校準(zhǔn)的方式仍存在誤差，且校準(zhǔn)件長(zhǎng)時(shí)間放置在高低溫環(huán)境下會(huì)引起微帶線形變及板材老化，繼而影響性能指標(biāo)。對(duì)于研究性質(zhì)的試驗(yàn)可采用高低溫下校準(zhǔn)方式，但涉及大規(guī)模產(chǎn)線測(cè)試，高低溫下校準(zhǔn)的方式適用性不強(qiáng)。提高高低溫測(cè)試下的校準(zhǔn)精度，可采用以下思路：

1）建立校準(zhǔn)件在高低溫環(huán)境下的誤差模型。模型建立有兩種方式，第一種：測(cè)試不同尺寸、不同材質(zhì)的校準(zhǔn)件在不同溫度條件下的S參數(shù)，將測(cè)試數(shù)據(jù)模型化。第二種：考慮溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)、物理場(chǎng)等多應(yīng)力場(chǎng)的邊界條件，建立多應(yīng)力場(chǎng)仿真模型。

2）校準(zhǔn)件置于溫箱外，常溫下校準(zhǔn)，高低溫測(cè)試前，引入誤差模型，實(shí)現(xiàn)高低溫的精準(zhǔn)測(cè)試。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過測(cè)試適配器及校準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)、測(cè)試平臺(tái)搭建、程控軟件的編寫最終實(shí)現(xiàn)了典型微波器件，聲表濾波器、數(shù)控衰減器的S參數(shù)全溫在線校準(zhǔn)、測(cè)試。通過TRL校準(zhǔn)件的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了S參數(shù)高精度測(cè)試的目標(biāo)。另外通過補(bǔ)充試驗(yàn)了解了不同板材的S參數(shù)隨溫度變化的趨勢(shì)，為后續(xù)相關(guān)試驗(yàn)研究提供了數(shù)據(jù)支撐，提出了建立高低溫環(huán)境下多應(yīng)力場(chǎng)仿真模型的新思路。