淺談射頻測試治具的設(shè)計概念

在現(xiàn)今的通訊領(lǐng)域中，無論是射頻、微波或是高速數(shù)字通訊的組件測試，我們可以使用相對應(yīng)的量測儀器設(shè)備來做設(shè)計、分析、驗(yàn)證及除錯的工作，但是，待測物與儀器之間往往會有接口上的問題而無法直接連接，例如待測物為一封裝IC，但測試儀器連接端口為同軸型接頭，此時就必須針對該待測物尺寸、特性做連接治具，以利量測的進(jìn)行。而治具的好壞相當(dāng)重要，它會直接或間接影響到量測的結(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，因此一個良好的設(shè)計必須考慮到諸多因素，這也是為何一個治具的設(shè)計費(fèi)用的差異可以從臺幣數(shù)萬元、數(shù)百萬甚至更高。

由于治具所扮演的角色是儀器與待測組件之間的橋梁，因此理想上的治具必須符合沒有損失、平坦的頻率響應(yīng)、沒有接頭的阻抗不匹配、精確已知的電氣長度、與輸入與輸出端的隔離度無窮大為等條件，如此一來使用者就不需要執(zhí)行治具的校正動作，而只需要透過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組件損失或增益的不確定度、操作頻寬必須大于待測組件的量測頻寬、治具在連接端的阻抗不匹配效應(yīng)必須很小、電氣長度必須可量測、與隔離度必須小于待測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�方式來移除�?BR>
在這里，我們以常用的示波器或數(shù)字電表做簡單的例子，來對治具做一個簡單的定義，示波器對外的連接為BNC接頭，與待測物間常用一個主動或被動的探針(Probe)來偵測待測物的電壓、電流特性。以此系統(tǒng)而言，探針就可視為一個治具，探針等效于一個負(fù)載電容電路，當(dāng)電容值不同或頻寬不夠時，就有可能無法正確地顯示出待測組件特性，此時就必須找到一個適合的探針，才能正確的反映出量測結(jié)果，因此從儀器測試端口到待測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、高頻阻抗、平衡式組件、非50奧姆系統(tǒng)、自動化測試機(jī)臺及電磁波輻射量測等，在不同領(lǐng)域中所討論的內(nèi)容會有相當(dāng)大的差異，而本文主要是針對高頻組件量測治具方面做一概念性的解說。

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

從網(wǎng)絡(luò)、阻抗、時域反射、頻譜分析儀甚至功率計中，都會提到所謂的系統(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間產(chǎn)生頻率飄移、組件老化而進(jìn)原廠的校驗(yàn)，而是避免一個良好的儀器因外接的纜線、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精確度、重現(xiàn)性及避免因不同的使用者而會有不同量測結(jié)果。

以網(wǎng)絡(luò)分析儀的S參數(shù)量測為例，S參數(shù)是由偵測入射、反射及穿透的射頻訊號振幅及相位來定義，但外接的纜線、測試治具等會造成信號衰減、相位延遲及反射等現(xiàn)象，而校正的目的，就是提供一個標(biāo)準(zhǔn)或特性已知的組件，以數(shù)學(xué)矩陣的模型計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)，這就稱為校正平面或參考平面。此時要注意的是，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，都會影響到校正平面的可靠度。此外，儀器并不會知道我們在校正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、接頭或是微帶線(Micro Strip line)等，儀器會將此視為待測物的一部份，而造成量測上的誤差，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，有時必須同時使用2種以上的方法將治具誤差移除，詳細(xì)的原理及說明請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

以時域反射儀系統(tǒng)為例，其儀器的測試頻寬與步階信號產(chǎn)器10%~90%的上升時間成反比，而加上纜線后，其系統(tǒng)的上升時間就變成公式1
，其中一項是纜線在高頻下衰減3dB的頻率響應(yīng)，由公式1得知，系統(tǒng)頻寬是信號源、接收器及外部纜線加總的結(jié)果，換句話說，系統(tǒng)的整體頻寬會受限于最低的頻率響應(yīng)，若是治具的響應(yīng)，就會使量測結(jié)果產(chǎn)生頻寬不足的問題。

另外一個例子，是阻抗不匹配的結(jié)果產(chǎn)生的衰減及不準(zhǔn)確性圖2，信號源端的反射系數(shù)為Γs，有一個能量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，就會產(chǎn)生多重路徑的反射，而這種現(xiàn)象，就會產(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)確性就會愈明顯。當(dāng)然，某些誤差可以透過校正的方式扣除，如相位延遲、信號衰減、隔絕度等，但若我們在執(zhí)行校正時，信號振幅的不準(zhǔn)確度就相當(dāng)高，這時在校正后的準(zhǔn)確性，就值得商榷了。

治具設(shè)計的概念

在治具設(shè)計之前，要先定下一個基本的目標(biāo)圖3，例如要設(shè)計Serial ATA的連接器治具，對待測組件頻寬的要求、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，是開始作一些粗略的驗(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，此時會需要用到EDA工具來做軟件的仿真，如Agilent的ADS、Ansoft、SPICE等工具，將各個特性先透過仿真的方式?jīng)Q定出信號線的長、寬、高及基板材厚度等。以降低失敗可能性而造成時間及資源的浪費(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法考慮的，因此，當(dāng)?shù)玫綐悠分�后，便是使用量測儀器做驗(yàn)證的工作，一般有向量網(wǎng)絡(luò)、阻抗分析儀、時域反射儀等，可以協(xié)助在物理層上的測試。但有時可能會仿真真實(shí)的信號來驗(yàn)證其信號完整度，如眼圖(eye diagram)等，這時就需要編碼產(chǎn)生器、示波器的協(xié)助。若是治具中包含主動組件如混波器、放大器等，就必須使用頻譜、向量信號分析儀分析其失真、噪聲、EVM等參數(shù)。而使用的時機(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，這里花的除錯壓力就可以減輕許多，換言之，若基礎(chǔ)建設(shè)沒有做好，所花的精力及資源往往會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，此時要對應(yīng)模擬前后與實(shí)際量測到的參數(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的方法在校正時將治具等誤差移除。但對要做到一定量產(chǎn)規(guī)模的治具來說，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)品價格的競爭性。

實(shí)例介紹

SMD組件測試治具

此應(yīng)用是使用阻抗、向量網(wǎng)絡(luò)分析儀量測如SMD的被動組件的治具，因SMD組件的型態(tài)無法直接連上同軸纜線，因此必須使用治具做延伸。在設(shè)計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)計的目的是要達(dá)到從100mΩ~10kΩ的大范圍阻抗量測，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RLCG傳輸線等效于治具的模型，并將其簡化為串聯(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，而真正的待測物阻抗值ZDUT，就是等效電路與量測值的換算結(jié)果：，而Zs及Yo，可以使用在治具端上的短路、開路補(bǔ)償?shù)姆绞綄⒔Y(jié)果算出來。另外，要考慮相位偏移(Phase Shift)的問題，舉例來說，一個0.01μF的電容，在1MHz的測試環(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，則ESR值有10%誤差，而使讀值成為360mΩ，在10MHz時會有30%的誤差，愈高頻時，數(shù)個mm的誤差都會相當(dāng)可觀，因此要再加入一段電氣長度作為補(bǔ)償。
實(shí)際完成的治具如圖6所示，考慮到接觸點(diǎn)的壓力也會對量測值產(chǎn)生誤差，因此，設(shè)計一個固定大小的holder來承接待測物，并加上一個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)測試治具

此治具設(shè)計的目的是配合自動化機(jī)臺、自動Load/Unload、在800~2200MHz達(dá)到60dB的隔離度，且有內(nèi)建耦合天線能在開放空間中量測待測物天線所輻射出來的通訊協(xié)議等。其內(nèi)部機(jī)構(gòu)的考量就是能做到高密蔽性，加上吸波材料來防止內(nèi)部反射及增加與外界隔離度，并須同時避免測試機(jī)臺、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)】