微波器件S参数全温在线测试技术研究

肖苗苗，任翔，马帅帅，李静，高鹏鹏，邓嘉辉

（航天科工防御技术研究试验中心，北京 100854）

引言

国外对于微波器件测试技术研究较早，在微波S参数全温测试技术方面，Rumiantsev A等人提出应该在不同的温度下分别研制且定义校准件，以此来提高在片S参数高低温测试系统的准确度。美国Cascade公司认可上述观点，并发明了一个主卡盘和两个辅助卡盘回，在校准的过程中，将DUT放在主卡盘上，校准件放在辅助卡盘上。当主卡盘的温度发生变化时（-55～125）℃，辅助卡盘的温度变化较小（-5～55）℃，这样便可消除温度对校准件的影响，近似地解决了上述问题，但是此设备价格昂贵，不易推广。

国内微波器件生产厂家开展的微波高低温测试，均采用先常温状态下校准，后施加高低温环境的方式，测试准确性和可靠性难以保证。因此开展微波器件S参数全温在线测试、校准技术研究十分必要。

1 微波器件S参数高精度全温在线测试方法研究

要实现微波器件箱内校准和测试，需要设计一套微波器件程控测试及校准程序，通过LabVIEW编程环境实现温箱、矢量网络分析仪、电源等硬件设备的程控，同时通过数字板卡控制微波开关实现校准和测试通道切换。

网络分析仪系统中可能存在的测量误差可以分漂移误差、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，我们可通过S参数测试前的校准步骤去除。因此，校准方法的选用在整个S参数测试中起着非常重要的作用[4]。本项目的校准方法采用TRL（直通-反射-线路）校准方式，在常规测试过程中测试适配器往往需要进行同轴与微带线的转换，相比SOLT（短路-开路-负载-直通）的校准方式，TRL校准更加精确，成本也更低。本项目以双端口微波器件为研究对象，分别选取两款声表滤波器、一款数控衰减器两类共三个型号典型微波器件作为样片开展研究。

2 微波器件S参数高精度全温在线测试系统设计思路

本项目基于LabVIEW编程环境，集成矢量网络分析仪、电源、温箱等硬件设备。通过编写测试软件，实现温箱温度的在线调节和控制，利用数字板卡控制微波开关实现校准和测试通道的切换，通过控制矢量网络分析仪实现S参数的测试、校准及数据存储，测试原理图见图1。

图1 微波器件S参数高低温测试系统原理图

以双端口微波器件为研究对象，设计一套S参数高低温校准兼测试装置，采用多线TRL校准方法实现微波器件S参数高低温环境下的在线校准和测试，详见图2。测试装置的设计满足测试精度的同时兼顾通用性，通过替换专用测试插座可实现多种类微波器件的高低温测试。

图2 S参数高低温校准兼测试装置原理框图

3 高低温环境下的校准技术及解决途径

对于微波器件在常温测试时的校准工作，可通过一系列的手动切换不同校准模块即可完成，但在高低温环境下无法实现手动切换，强制的手动操作对测试结果具有较大的影响。

解决措施：将THRU、SHORT、LINES、LOAD四种校准件与测试模块集成到测试夹具上，夹具的射频输入和输出端分别连接两个单刀六掷开关。实际测试过程中，首先将测试断面校准到开关的测量端面，再将测试夹具置于温度试验箱中，两个单刀六掷开关置于温箱外，连接网络分析仪、开关、测试夹具组成测试系统，通过开关进行切换，实现高低温环境下的一系列校准操作。

4 研究过程

4.1 程控测试软件设计

程序主体基于LabVIEW标准状态机构成，将整套测试流程分为多个状态进行状态切换，分别进行矢量网络分析仪设置、电源设置、温箱设置、数据采集以及测试完成后仪器的关闭操作。基于仪器驱动所提供的相关功能，进行测试参数的设定，以实现矢量网络分析仪的测试程序设置。在进行校准程序设置时，拟通过数字板卡建立数字输出任务，实现TTL电平输出，控制微波开关完成通道切换以实现校准操作。电源控制同样基于仪器驱动，以达到电源通道、输出电压、输出电流等控制。数据采集功能基于SCPI指令实现完成目标频率范围内一条或多条Trace中最大值与最小值的数值获取，并结合报表生成工具包实现数据获取。主程序控制界面及程序框图见图3、图4。

图3 主程序控制界面

图4 程序框图

4.2 TRL校准件及测试适配器设计

本项目在进行TRL校准件设计时，采用Rogers板材，工作频率范围从10 MHz～18 GHz，满足6 GHz的指标要求。因频率跨度大于8，故采用2条延迟线。利用安捷伦的TRL计算器软件可直接计算出SHORT、OPEN、LOAD、THRU、LINE1、LINE2的传输线长度。根据计算结果可进行TRL校准件的PCB设计，见图5。根据选取的三款样片的尺寸，工作频段等指标，设计PCB测试板。

图5 TRL校准件PCB设计版图

4.3 TRL校准件仿真

TRL校准件设计时包含THRU、SHORT、LINES、LOAD四种校准件。即反射校准件使用短路件，延时校准件分段，720 MHz以下使用负载；720 MHz～3.6 GHz使用延时线1；（3.6～18）GHz使用延时线2。延时线1和延时线2根据不同频段相对于直通的相对长度不同。其中SHORT校准件和负载校准件需对寄生电容电感做补偿。使用HFSS仿真后，延时线到6 GHz驻波小于1.14，插损小于0.25 dB，满足0.3 dB的技术指标要求。短路器SHORT驻波大于5 000，能够满足校准要求。负载LOAD在工作频带内，驻波小于1.05，能够满足校准要求。

4.4 测试系统搭建

根据原理图，见图1，搭建微波器件S参数全温在线测试系统。硬件设备情况见表1。

表1 硬件设备情况

工控机与温箱、矢量网络分析仪、电源采用GPIB通讯，LabVIEW测试软界面可进行设备地址选择，调用该设备。测试时将校准、测试工装置于箱内，其余硬件均置于箱外。两个微波开关的供电分别由两个数字板卡提供。通过程序界面左上角的八个通道开关可实现微波开关通道的切换，最终实现在线校准和测试。

4.5 高、低温在线测试

开展两款声表滤波器及一款数控衰减器的全温测试，进行验证比对。每款型号选取2只样片进行试验，因三款型号的工作温度范围为（-40～+85）℃，故选取-40 ℃、+25 ℃、+85 ℃三个温度点进行测试。测试验证试验：

第一种：常温+25 ℃下校准，温箱温度设置为-40 ℃、+85 ℃，到达该温度点后分别停留半个小时以上，进行测试，记录测试数据。

第二种：常温+25 ℃下校准，温箱温度设置为-40 ℃、+85 ℃，到达该温度点后分别停留半个小时以上，进行该温度点下二次校准，再进行测试，记录测试数据。具体测试数据见表2～表4。

表2 声表滤波器1测试数据

表3 声表滤波器2测试数据

表4 数控衰减器测试数据

表5 板材的介电常数随温度的变化率

根据常温下校准、高低温下测试与常温下校准、高低温下二次校准后再测试的数据，我们可以看到，二次校准后插入损耗指标普遍更小、阻带抑制更大。

由于测试用校准件及测试适配器的板材均为罗杰斯高频板材，该高频板材的介电常数εr为3.48±0.05。TRL校准件设计时也是基于此指标进行的仿真，本项目的TRL校准件εr指标设置为3.45。因微波器件测试常用高频板材主要为罗杰斯板材，选取两款不同罗杰斯板材，可知它们的εr随温度的变化率很小，见下表，基本可以忽略。

为了了解两种板材的传输特性指标随温度的变化情况，补充以下试验：

使用罗杰斯板材1制作的TRL中的直通校准件，放置在温箱内，设置温度点分别为-40 ℃、+25 ℃、+85 ℃，每个温度点放置半小时以上，测试三个温度点下直通校准件（THRU）的S参数指标。测试频率范围为10 MHz～18 GHz。选取多个频点进行试验，记录S参数的测试数据。绘制高温、低温、常温下S21、S11测试曲线，见图6、图7。

图6 罗杰斯板材1的TRL直通件在高温、低温、常温下的S21测试曲线

图7 罗杰斯板材1的TRL直通件在高温、低温、常温下的S11测试曲线

将使用罗杰斯板材2制作的直通校准件放置在温箱内，设置温度点分别为-40 ℃、+25 ℃、+85 ℃，每个温度点放置半小时以上，测试三个温度点下该直通校准件的S参数指标。测试频率范围为10 MHz～18 GHz。选取多个频点进行试验，记录S参数的测试数据。绘制高温、低温、常温下S21、S11测试曲线，见图8、图9。

图8 罗杰斯板材2直通件在高温、低温、常温下的S11测试曲线

图9 罗杰斯板材2直通件在高温、低温、常温下的S21测试曲线

因两端口直通校准件的传输指标和反射指标都是对称的，因此传输以S21为例，反射以S11为例绘制测试曲线，能够更直观的看到插入损耗和驻波的变化情况。通过图8、图9，我们可以了解到随着温度变化，不同板材的直通件的S参数指标变化均为相同频率点下，温度越低插入损耗指标S21越好，温度越高插入损耗指标S21越差。反射指标S11随温度变化不大，随频率变化较大。随着频率升高（6 GHz以上）呈现出低温较高温偏离理想值更大的情况。

通过以上附加试验，我们了解到TRL校准件在温箱内校准的方式仍存在误差，且校准件长时间放置在高低温环境下会引起微带线形变及板材老化，继而影响性能指标。对于研究性质的试验可采用高低温下校准方式，但涉及大规模产线测试，高低温下校准的方式适用性不强。提高高低温测试下的校准精度，可采用以下思路：

1）建立校准件在高低温环境下的误差模型。模型建立有两种方式，第一种：测试不同尺寸、不同材质的校准件在不同温度条件下的S参数，将测试数据模型化。第二种：考虑温度场、电磁场、物理场等多应力场的边界条件，建立多应力场仿真模型。

2）校准件置于温箱外，常温下校准，高低温测试前，引入误差模型，实现高低温的精准测试。

5 结束语

通过测试适配器及校准件的设计、测试平台搭建、程控软件的编写最终实现了典型微波器件，声表滤波器、数控衰减器的S参数全温在线校准、测试。通过TRL校准件的应用实现了S参数高精度测试的目标。另外通过补充试验了解了不同板材的S参数随温度变化的趋势，为后续相关试验研究提供了数据支撑，提出了建立高低温环境下多应力场仿真模型的新思路。