射频与微波测试专栏 : 浅谈射频测试治具的设计概念

在现今的通讯领域中，无论是射频、微波或是高速数字通讯的组件测试，我们可以使用相对应的量测仪器设备来做设计、分析、验证及除错的工作，但是，待测物与仪器之间往往会有接口上的问题而无法直接连接，例如待测物为一封装IC，但测试仪器连接端口为同轴型接头，此时就必须针对该待测物尺寸、特性做连接治具，以利量测的进行。而治具的好坏相当重要，它会直接或间接影响到量测的结果，如精确度、重复性及重现性、使用便利性以及是否易造成人为因素的误差等，因此一个良好的设计必须考虑到诸多因素，这也是为何一个治具的设计费用的差异可以从台币数万元、数百万甚至更高。
由于治具所扮演的角色是仪器与待测组件之间的桥梁，因此理想上的治具必须符合没有损失、平坦的频率响应、没有接头的阻抗不匹配、精确已知的电气长度、与输入与输出端的隔离度无穷大为等条件，如此一来使用者就不需要执行治具的校正动作，而只需要透过同轴式的校正方式将仪器的误差扣除即可。但实际上的设计很难达成上述的理想境界，取而代之的为治具的损失比需小于待测组件损失或增益的不确定度、操作频宽必须大于待测组件的量测频宽、治具在连接端的阻抗不匹配效应必须很小、电气长度必须可量测、与隔离度必须小于待测组件的隔离度等条件，并且治具的寄生效应必须搭配适当的校正方式来移除。
在这里，我们以常用的示波器或数字电表做简单的例子，来对治具做一个简单的定义，示波器对外的连接为BNC接头，与待测物间常用一个主动或被动的探针(Probe)来侦测待测物的电压、电流特性。以此系统而言，探针就可视为一个治具，探针等效于一个负载电容电路，当电容值不同或频宽不够时，就有可能无法正确地显示出待测组件特性，此时就必须找到一个适合的探针，才能正确的反映出量测结果，因此从仪器测试端口到待测物的接口之间都算是治具的一部份。一般而言，较富挑战性的领域有直流的低电流(nA~fA)I-V特性量测、高频阻抗、平衡式组件、非50奥姆系统、自动化测试机台及电磁波辐射量测等，在不同领域中所讨论的内容会有相当大的差异，而本文主要是针对高频组件量测治具方面做一概念性的解说。
何谓校正/参考平面(Calibration/Reference Plane)
从网络、阻抗、时域反射、频谱分析仪甚至功率计中，都会提到所谓的系统误差的校正(Calibration)，这里所提的校正，并不是仪器因使用了一段时间产生频率飘移、组件老化而进原厂的校验，而是避免一个良好的仪器因外接的缆线、接头、治具等造成系统的不准确值提高所提出的概念，主要目的是要增加量测精确度、重现性及避免因不同的使用者而会有不同量测结果。
以网络分析仪的S参数量测为例，S参数是由侦测入射、反射及穿透的射频讯号振幅及相位来定义，但外接的缆线、测试治具等会造成信号衰减、相位延迟及反射等现象，而校正的目的，就是提供一个标准或特性已知的组件，以数学矩阵的模型计算出外接治具的损耗、延迟等参数，维持与到达标准组件的接面上，得到正规化的振幅大小为1、相位为0度的起始点，这就称为校正平面或参考平面。此时要注意的是，我们是以已知的标准组件做数学的运算，因此定义标准组件的各个参数值、及实际上标准组件与定义值的误差等，都会影响到校正平面的可靠度。此外，仪器并不会知道我们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缆线、接头或是微带线(Micro Strip line)等，仪器会将此视为待测物的一部份，而造成量测上的误差，如图1所示。在高频仪器的校正模型上，我们整理出表1供各位读者参考，有时必须同时使用2种以上的方法将治具误差移除，详细的原理及说明请参阅前几期的新通讯组件杂志TRL、网络分析仪、TDR等相关文章。
系统误差
以时域反射仪系统为例，其仪器的测试频宽与步阶信号产器10%~90%的上升时间成反比，而加上缆线后，其系统的上升时间就变成公式1
，其中一项是缆线在高频下衰减3dB的频率响应，由公式1得知，系统频宽是信号源、接收器及外部缆线加总的结果，换句话说，系统的整体频宽会受限于最低的频率响应，若是治具的响应，就会使量测结果产生频宽不足的问题。
另外一个例子，是阻抗不匹配的结果产生的衰减及不准确性图2，信号源端的反射系数为Γs，有一个能量bs的入射波进入反射系数为ΓL的负载端，当两接口的阻抗与特性阻抗不一致时，就会产生多重路径的反射，而这种现象，就会产生不准确性误差：，及衰减量：，当不匹配程度愈高，系统不准确性就会愈明显。当然，某些误差可以透过校正的方式扣除，如相位延迟、信号衰减、隔绝度等，但若我们在执行校正时，信号振幅的不准确度就相当高，这时在校正后的准确性，就值得商榷了。
治具设计的概念
在治具设计之前，要先定下一个基本的目标图3，例如要设计Serial ATA的连接器治具，对待测组件频宽的要求、耗损、隔离度、串音、偏移(skew)等规格就要有清楚认知，接下来，是开始作一些粗略的验证，例如选用何种材料的印刷电路板，其厚度、介电系数及均匀性为何，大略的损耗及频宽为多少等，此时会需要用到EDA工具来做软件的仿真，如Agilent的ADS、Ansoft、SPICE等工具，将各个特性先透过仿真的方式决定出信号线的长、宽、高及基板材厚度等。以降低失败可能性而造成时间及资源的浪费，当仿真数据搜集齐全后，就是实际作出样品，因真正的结果可能还有许多外在的因素造成误差是软件无法考虑的，因此，当得到样品之后，便是使用量测仪器做验证的工作，一般有向量网络、阻抗分析仪、时域反射仪等，可以协助在物理层上的测试。但有时可能会仿真真实的信号来验证其信号完整度，如眼图(eye diagram)等，这时就需要编码产生器、示波器的协助。若是治具中包含主动组件如混波器、放大器等，就必须使用频谱、向量信号分析仪分析其失真、噪声、EVM等参数。而使用的时机与必要性，则端视应用的领域而定。
当得到了初步的数据后，下一步就是要作最佳化的调整，若先期验证、规划做得好，这里花的除错压力就可以减轻许多，换言之，若基础建设没有做好，所花的精力及资源往往会事倍功半而得不到效果。
若此治具仅是单一案子使用，基本上在最佳化的调整做好后，就是完成品了，此时要对应模拟前后与实际量测到的参数、规格做容忍度的比较，并做S参数的定义，如此就可将治具的效应如De-embedded的方法在校正时将治具等误差移除。但对要做到一定量产规模的治具来说，成本效益、同批货间的差异性、是否易加工等因素就必须列入考量，以维持产品价格的竞争性。
实例介绍
SMD组件测试治具
此应用是使用阻抗、向量网络分析仪量测如SMD的被动组件的治具，因SMD组件的型态无法直接连上同轴缆线，因此必须使用治具做延伸。在设计上的考量必须符合组件尺寸、频宽、ESR误差移除、操作便利性等，其设计的目的是要达到从100mΩ~10kΩ的大范围阻抗量测，因此校正平面的接头选择上，采用SWR较小的APC-7接头，以减低反射造成的不准度。在校正平面后，我们模拟一个RLCG传输线等效于治具的模型，并将其简化为串联的残余阻抗Zs=Rs+jwLs与并联的离散导纳Yo=Go+jwCo的等效电路，而真正的待测物阻抗值ZDUT，就是等效电路与量测值的换算结果：，而Zs及Yo，可以使用在治具端上的短路、开路补偿的方式将结果算出来。另外，要考虑相位偏移(Phase Shift)的问题，举例来说，一个0.01μF的电容，在1MHz的测试环境下，其ESR(EquivalentSeries Resistance)值为390mΩ，但若在治具与校正平面间增加一段30cm的缆线，则ESR值有10%误差，而使读值成为360mΩ，在10MHz时会有30%的误差，愈高频时，数个mm的误差都会相当可观，因此要再加入一段电气长度作为补偿。
实际完成的治具如图6所示，考虑到接触点的压力也会对量测值产生误差，因此，设计一个固定大小的holder来承接待测物，并加上一个屏蔽的盖子防止高频辐射的干扰，如此就可以得到重复性、稳定性相当高的治具
GSM手机测试治具
此治具设计的目的是配合自动化机台、自动Load/Unload、在800~2200MHz达到60dB的隔离度，且有内建耦合天线能在开放空间中量测待测物天线所辐射出来的通讯协议等。其内部机构的考量就是能做到高密蔽性，加上吸波材料来防止内部反射及增加与外界隔离度，并须同时避免测试机台、控制处理器产生的虚拟波噪声干扰等情形，且有良好的重现性、使用周期等作为参考的依据图7、图8。
后会有期
本专栏自2001年至今，已连载了将近两年，从一开始的信号分析基础一直到噪声、多端口组件、物理层至电磁干扰等测试概念，都一一向读者做原理及量测方面的介绍。也由于备稿、资料准备的缘故，让自己在射频量测领域中获得更充实的知识，这段期间，感谢新通讯组件杂志编辑同仁的协助，也感谢读者们的踊跃发问，基于基础的概念到此大多撰写完毕，且有安捷伦其它同仁们接着提供有关无线通讯系统的测试文章，经过小组成员讨论的结果，决定在此向各位读者说声再会，今后若有新的技术或量测上的应用文章，我们会再不定期地提供给各位做参考，希望大家能继续给予我们支持，谢谢。
(本文作者现为台湾安捷伦科技电子仪器事业群技术支持工程部技术顾问)