高精度微波夹具设计中的TRL校准技术∗

任 翔 张一治 李 硕 李 静

（航天科工防御技术研究试验中心 北京 100854）

1 引言

在微波器件测试中，网络参数（S参数）是测量最多的参数，对于常规标准接口微波器件的S参数可直接通过网络分析仪测量完成。根据定义，S参数的测试只有在完全匹配的测试系统中才能得到精确的测试结果。而现今电子系统使用的微波器件无论是有源还是无源微波器件，都具有封装形式多样、功能复杂等特点，网络分析仪无法准确对非标准接口的微波器件的S参数进行测试。网络分析仪测试系统中存在的测量误差主要分为漂移误差、随机误差和系统误差三大类［1～3］。系统误差是网络分析仪系统中最大的误差源，系统误差［4］主要有：由定向耦合器有限方向性造成的方向性误差；由阻抗匹配不理想造成的源失配误差和负载失配误差；与频率相关的传输，反射测量频率响应误差；测试通道中信号泄漏造成的隔离误差。网络分析仪的系统误差模型如图1所示。

图1 网络分析仪的系统误差模型

对于具有标准接口的被测网络，系统误差是测试过程中最主要的误差来源，此项误差可以借助仪器生产厂家配备的校准件去除。但是现今被测网络多数为非标准接口，这时候漂移误差和随机误差是最大的误差来源，必须通过选取适当的校准方法并设计专用校准件的方式去除，校准方法的选用对整个S参数测试的准确性起着非常重要的作用。

TRL校准技术目前网络分析仪中使用较普遍的一种双端口校准法，能够修正网络仪的全部12项误差。与传统的校准方法（SOLT校准法）不同，TRL校准的标准件不需要制作的像SLOT校准的标准件那样精确，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，TRL校准法只要求传输线标准的特性阻抗和系统特性阻抗一致，这样很大程度上减少了校准精度对校准标准件的依赖，提高了校准精度。

2 TRL校准技术理论模型分析

在微波测试中，夹具所扮演的角色是网络分析仪与待测器件间的桥梁，因此理想的夹具必须符合没有损耗、具备线性相位的频率响应、没有阻抗失配、精确已知的电气长度、与输入输出端的隔离度无穷大等条件，如此一来使用者就不需要执行夹具的校准动作，而只需要通过同轴式的校准方式将仪器的误差扣除即可。但实际上的夹具设计是不可能完全实现上述要求的，新的观念则为夹具的损失比需小于待测器件损失或增益的不确定度、夹具的操作带宽必须大于待测器件的测量带宽、夹具在连接端的阻抗不匹配效应必须很小、夹具的电气长度必须可测量、与夹具的隔离度必须小于待测器件的隔离度等条件，因此实际上夹具的寄生效应必须搭配适当的校准方式来移除，在诸多的校准方法中，TRL校准是最易实现和最为准确的。

如同前段所述，夹具上TRL校准最大的好处就是微带传输线的特性能够轻易地被得知，而且微带传输线的阻抗也可以由其介质与尺寸精准得知，故而此种校准方式是最适用于夹具上非同轴形式待测器件的全双端口校准方式。虽然此种校准方式依然是要移除测量仪器与夹具上存在的12项误差项（如图2所示），不过与SOLT校准方法所运用的12项误差项的校准模型不同的是，TRL校准是采用简化过后的［5］另外一种8项误差项的模型（如图3所示）。

不过这并不代表经过TRL校准所得的结果会比较不准确，因为如图3所示，此8项误差项几乎都可以和传统12项误差项的误差模型有一对一的应对关系存在，譬如说ε10与ε01的乘积等于传统的ERF误差项；而ε00会等于传统的EDF误差项。所以比较TRL的校准模型与传统的校准模型，其实TRL的校准模型已包括了10项传统的误差项，除了串扰误差项（即EXF和EXR）外，不过就像传统SOLT的全双端口校准方式一样，串扰误差项的校准在TRL校准中也是一个可不做的选项，因此TRL校准的准确度与传统SOLT校准相比是相等的［6～10］。

图2 SOLT校准的12项误差项校准模型

图3 TRL校准的8项误差项校准模型

3 TRL校准件的要求

TRL校准技术使用的标准件有直通标准件、反射标准件和延迟线标准件。直通标准件和反射标准件是最简单的标准件，直通标准件仅由一个直通微带线组成，反射标准件唯一的准则是在每一个端口要提供相同的非零反射值，延迟线标准件的阻抗质量决定了校准件的质量［11～13］。下面将对三种校准件的设计要求做具体介绍。

3.1 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，无需知道损耗，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。

3.2 反射标准件

反射系数的相位必须在正负90°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。

3.3 延迟线标准件

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°～160°之间（或-20°～-160°），如果相位差值接近0或者180°时，由于正切函数的特性，很容易造成相位模糊。此外，最有的相位差值一般取1/4波长或90°。

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。

4 TRL校准件设计时的考虑

TRL校准件设计的好坏直接关系到测量精度，具体设计时，一般有以下考虑［14～16］：

1）PCB上连接头的一致性越好，损耗越低，TRL校准件的效果越好；

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相对麻烦一些，因为要确切地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得多；

6）负载标准件通过2个100ohm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使用要求的频率范围。

5 结语

TRL校准方法的优点在于其校准准确度只依赖于传输线的特性阻抗而不依赖于其他标准，反射标准的反射系数和传输线标准的长度都可以在校准中由计算获得。本文探讨了有关TRL校准技术，从TRL校准技术理论模型分析，到TRL标准件的设计要求，到TRL校准件设计时需考虑的因素，对TRL校准技术做了较全面的介绍。掌握TRL校准技术，设计开发与测试需求相匹配的TRL校准件，可实现对非标准接口的微波器件S参数的精确测试，还可以对无TRL校准软件的网络仪系统及自行研制的简易网络分析仪系统编写TRL校准软件，有着广阔的市场前景。