我们大家都知道传统的 SOLT 校准,即短路 - 开路 - 负载 - 直通校准,SOLT 校准操作方便,测量准确度跟标准件的精度有很大关系,一般只适合于同轴环境测量。而 TRL(Thru, Reflect, Line)校准是准确度比 SOLT 校准更高的校准方式,尤其适合于非同轴环境测量,例如 PCB 上表贴器件,波导,夹具,片上晶圆测量。SOLT 校准通过测 量 1 个传输标准件和三个反射标准件来决定 12 项误差模型,而 TRL 校准是通过测量 2 个传输标准件和一个反射标准件来决定 10 项误差模型或者 8 项误差模型, 取决于所用网络分析仪的接收机结构。

 

TRL 校准极其准确,在大多数的场合中比 SOLT 校准准确多了。但是,很少有直接的 TRL 校准件存在,一般要求用户根据所用夹具的材料及物理尺寸, 工作频率,来设计制造出相应的 TRL 校准件。用户使用网络分析仪测量元器件时,采用不同的夹具,就要设计不同的 TRL 校准件,因此,对于用户来说,有一定 的难度和挑战性。但事实上,由于 TRL 校准的标准件不需要制作的像 SOLT 校准的标准件那么精确,TRL 校准的精度只是跟 TRL 标准件的质量,重复性部分 相关,而不是完全由标准件决定,因此,TRL 校准的标准件跟 SOLT 相比更容易制作,它们的特性也更容易描述。

 

1、TRL 标准件的要求

1.1 TRL 标准件的要求

通常来说,TRL 标准件的要求如下:

 

(1)   直通标准件

电气长度为 0 时,无损耗,无反射,传输系数为 1;电气长度不为 0 时,直通标准件的特性阻抗必须和延迟线标准件相同,无须知道损耗,如果用作设为参考测量面,电气长度具体值必须知道,同时,如果此时群时延设为 0 的话,参考测量面位于直通标准件的中间。

 

(2)   反射标准件

反射系数的相位必须在正负 90 度以内,反射系数最好接近 1,所有端口上的反射系数必须相同,如果用作参考测量面的话,相位响应必须知道。

 

(3)   延迟线 / 匹配负载

延迟线的特性阻抗作为测量时的参考阻抗,系统阻抗定义为和延迟线特性阻抗一致。延迟线和直通之间的插入相位差值必须在 20 度至 160 度之间(或 -20 度至 -160 度),如果相位差值接近 0 或者 180 度时,由于正切函数的特性,很容易造成相位模糊。另外,最优的相位差值一般取 1/4 波长或 90 度。

 

当工作频率范围大于 8:1 时,即频率跨度与起始频率比值大于 8 时,必须使用 1 条以上的延长线,以便覆盖整个频率范围。当工作频率太高时,1/4 波长的延迟线物理尺寸很短,不好制作,这时候,最好是选择非 0 长度的直通,利用两者差值,来增大延迟线的物理尺寸。

 

匹配的阻抗同样确立测量时的参考阻抗,同时,匹配负载在各个测试端口的反射系数必须相同。

 

1.2 TRL 标准件设计时的考虑

以上都是对 TRL 校准件的通常要求,具体设计时,一般有以下考虑:

 

(1)   PCB 上连接头的一致性越好,损耗越低,TRL 校准件的效果就越理想。


(2)   直通标准件设定了参考测量面,如果是测量多端口器件时,直通标准件尽量长一些,以减少连接头之间的串扰,但是也不用太长,以免浪费空间。


(3)   参考测量面最好定在直通标准件的中间,这样的话电磁场相对参考测量面是对称的。


(4)   开路标准件实现起来最容易,但是由于开路标准件存在边缘电容效应,所以我们必须通过测量或者 3D-EM 仿真来获得开路标准件的边缘电容。


(5)   短路标准件实现起来要麻烦些,因为要确切的知道放置短路标准件过孔的位置,保证过孔的边缘刚好放置在短路标准件的末端。同时,短路标准件的好坏还取决于过孔的钻孔技术,一般说来激光打孔比普通的机械钻孔技术要好很多。


(6)   负载标准件通过 2 个 100 ohm 的表贴阻抗来实现,一般来说,设计一个低频下的负载要比高频下容易的多,这也是为什么高频下设计校准标准件时要采用多条延迟线标准件的原因之一。


(7)   延迟线的相位跟信号传播时的相速,对应频率,有效介电常数有关。微带线由于没有一个固定的介电常数,所以必须使用有效介电常数来考虑空气和 PCB 板材混合后带来的影响。


(8)   设计时,多条延迟线的频率范围最好有重叠,这样能够保证多条延迟线能够覆盖我们要求的频率范围。


2、TRL 标准件的设计

2.1 具体参数的确定

考虑设计一个基于 Rogers 4350 板材的 TRL 校准件,工作频率范围从 10MHz 到 20GHz,Rogers 4350 板材的介电常数为 3.48±0.05,直通设计为非 0 长度,则各个标准件的具体参数如下图所示:

 

图 1、TRL 校准件中各个标准件的具体参数

 

从图 1 中我们可以知道各个标准件的实际物理尺寸,然后就可以开始在 PCB 上布局,布线,最后进行制板了,大致的效果如下图 2 所示。

 

3、TRL 标准件设计后的验证

TRL 校准件做好之后,我们就要开始验证我们制作的 TRL 校准件到底好不好。对于短路和开路校准件,我们只要保证短路或开路标准件在各个测试端口的反射系数相等就好了,至于开路标准件的边缘电容,短路标准件的驻留电感,可以都设为 0;至于负载标准件,只要保证终止频率时,阻抗能为 50 欧姆或者接近 50 欧姆就可以了;而对于直通标准件,就没什么具体要求了。

 

TRL 标准件设计后最重要的验证是对延迟线频率范围的确定,由于要求延迟线标准件与直通标准件的相位差位于 20 度到 160 度,所以我们可以通过 memory trace 来测量出延迟线标准件与直通标准件的相位差,根据相位差从 20 度到 160 度,我们可以确定相应的频率范围,如图 3 所示,从图 3 我们可以知道,Line1 的频率范围是从 101MHz 到 820MHz,满足我们最初设计时对 Line1 的要求。同样的,Line2 也是采用相同的方法来确定频率范围。此时,也能够测量出 Line1,Line2 和直通标准件之间的时延差,这将会在新建 TRL 校准套件时候用到,图 4 是 Line1 的时延测量值。

 

图 2、TRL 校准件布局大致效果图

 

图 3、通过 PNA-X 验证 Line1 的频率范围

 

图 4、基于 PNA-X 的 Line1 的时延测量值

 

4、TRL 校准

4.1 创建 TRL 校准套件

完成了 TRL 标准件的验证后,我们就可以开始创建新的 TRL 校准套件,创建的过程很简单,总的说来要注意以下几点:

 

(1)   短路,开路,负载标准件都只需确定频率范围,以及连接头类型。


(2)   直通标准件也只需确定频率范围,连接头类型,同时时延为 0。


(3)   延迟线标准件,需要确定频率范围,时延值,多条延迟线时,频率范围最好有交叠,来确保覆盖整个频率范围。

 

图 5 是一个创建 TRL 校准套件的例子。

 

图 5、一个创建 TRL 校准套件的例子

 

4.2 TRL 校准具体过程

创建好 TRL 校准套件后,我们就可以开始进行 TRL 校准了。具体的过程,PNA-X 的校准向导会一步步指导我们如何操作。

 

下面我们以 4 端口校准为例,简单的说明下如何进行 TRL 校准,图 6 即 TRL 校准向导的一个步骤。

 

图 6、TRL 校准向导

 

5、TRL 校准后的测量结果

被测件是 Display Port 电缆,长度为 2 米。根据 Display Port 电缆的指标,我们知道频率不超过 300MHz 时,2 米长的 Display Port 电缆,其损耗大概为 2dB,基本上是单位长度上的损耗为 1dB。图 7 即 Display port 电缆测量的设置环境,两块 PCB 板,刚好各自对应半个直通长度。

 

从图 8 中,我们可以得到 Display Port 电缆测量的最终结果,当频率为 300MHz 时,S21=-2.1110dB,接近 -2dB,满足相关指标。

 

图 7、Display port 电缆测量的设置环境

 

图 8、基于 PNA-X 的 Display Port 电缆测量结果

 

6、结论

TRL 校准是一种非常精确的校准方式,尤其适用于网络分析仪的非同轴测量。本文详细探讨了有关 TRL 校准的整个环节,从设计 TRL 标准件的要求,到设计 TRL 校准件参数的确定,TRL 校准件设计后的验证,以及 TRL 校准时的具体过程,最后到完成这次非同轴测量,方方面面都涵盖了,希望能为大家以后进一步研究 TRL 校准提供相应的参考。