各种复杂端口的射频探针校准方法V1.0
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赵建超 |
David |
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目录
6.1 GSGSG -GSGSG/GSG、GSG-GSG、GSG校准
1. 需求概述
在射频半导体器件测量领域，常规的器件是双端口器件，且器件的两侧都是Pad结构，
左右对称或者近似对称，这意味着东-西向探针Probe可以完全系统，或者间距pitch微小范围差异都可以，比如东向探针150um间距，西向探针250um间距，这都可以使用同一款校准片来直接完成校准。或者东向探针为GSG结构，西向探针为GS结构也可以在同一校准片上来完成。但是实际上还有一些特殊端口的校准，采用普通的方法是完成不了校准的，需要借助FormFactor的WINCAL XE校准软件中的一些特殊功能来实现。本文就是基于WINCAL XE软件来给出各种复杂端口的射频探针校准方案的。
2. 复杂端口一般包括内容
1. 3端口器件
2. 4端口器件
3. Pitch间距相差较大的2端口器件
4. 一侧是Pad结构，一侧是Coax接口的器件
这种类型的器件，一般模块居多，显然这类半导体器件（模块）在2端口校准时，会遇到问题，主要是THRU无法进行。对此器件校准需要对S参数以及相关变换十分熟练，也可以通过相关的矩阵处理来得校准。
图1 Pad-Coax器件校准示意图
那么基于FormFactor 的WINCAL 软件是如何是实现的呢？步骤如下：
1. 在使用电子校准模块或者标准校准件完成两个端口port1、port2连接的coax 电缆的校准，校准平面到plane处。
2. 在Wincal XE Calibration /Errors Terms菜单下进行Get From VNA中。意思是将网分电缆那一段校准导入到WINCAL 软件中。
3. 勾选Second tier ，使其Enable。
4. 使用Wincal XE完成Cable1+Probe1的单端校准，并将errors terms 发送到VNA中。
5. 到此为止，校准工作结束。可以直接测试了。
由于东-西向Pad的pitch相距较大，在同一张校准上无法进行thru校准。遇到这种情况也可以使用WINCAL XE中的Second tier 方式来完成校准。
图2 Pad-Coax器件校准示意图
1. 在使用电子校准模块或者标准校准件完成两个端口port1、port2连接的coax 电缆的校准，校准平面到plane1处。
2. 在Wincal XE Calibration /Errors Terms菜单下进行Get From VNA中。意思是将网分电缆那一段校准导入到WINCAL 软件中。
3. 勾选Second tier ，使其Enable。
4. 使用Wincal XE完成Cable1+Probe1、Cable2+Probe2的单端校准，并将每次校准的结果errors terms 发送到VNA中。
5. 到此为止，校准工作结束。可以直接测试了。
5. 三端口射频器件校准方法
3端口射频器件属于不对称端口，常见端口方式有以下几种，例如：
2. 东向 GSG , 西向GSSG。
3. 东向 GSG , 西向GSG、GSG。
图3 常见的3端口器件形式
基于4 Port VNA，对于GSG-GSGSG校准，可以选择SOLT和SLOR校准算法。两种方式均分别完成P1、P2和P3端口的OPEN、SHORT、LOAD的校准，其次是直通THRU的校准。
① If SLOT方式，完成P1-P2直通，P1-P3直通。
② If SLOR方式，完成P1-P2直通，P2-P3环回直通。
一般情况下需要两张校准片ISS来实现。
上述这种半导体器件的端口分布的校准方法与GSG-GSG、GSG校准方法完全一致。针对这种器件，在实际S参数测试时需要获取S=[ S11、S12、S13; S21、S22、S23;S31、S32、S33]
并不多。对3个端口都是独立而言，这样的器件以功分器/合路器居多，实际测试时往往需要表征的是两端口的属性，诸如插损、隔离度，另外一个端口需要做端接匹配，本质上还是2端口校准。
严格来讲，GSG-GSSG属于2端口网络，属于2端口非平衡混合网络，常见的巴伦属于此结构。但是在校准时仍旧属于3Port网络，简单地说有三个Signal都需要引出同轴电缆。
当校准完成后，在测试时，往往工程师不关注三个端口独立的属性，需要配置成混合模式，混合模式的S参数定义如下：
其中1端口为单端信号，2端口为差分信号，差分信号有共模形式和差模形式，其中共模形式信号可以和差模形式进行转换。
Sss11， 1端口的反射参数
Ssd12， 2端口差模激励在1端口产生的响应能力的描述参数，即2端口输入（激励）纯粹差分模式信号，在1端口收到（响应）单端形式信号，在这种特定模式转换下链路2端口到1端口产生的损耗。
Ssc12 ，2端口共模激励在1端口产生的响应能力的描述参数，即2端口输入（激励）纯粹共模式信号，在1端口收到（响应）单端形式信号，在这种特定模式转换下链路2端口到1端口产生的损耗。
Sds21， 1端口激励在2端口产生的差模形式响应能力的描述参数，即1端口输入（激励），在2端口收到（响应）差分形式信号，在这种特定模式转换下链路1端口到2端口产生的损耗。
Sdd22， 2端口以差模形式激励，同时2端口以差模形式响应的描述参数，即差模反射系数。
Scs21， 1端口激励在2端口产生的共模形式响应能力的描述参数，即1端口输入（激励），在2端口收到（响应）共模形式信号，在这种特定模式转换下链路1端口到2端口产生的损耗。
Scd22， 2端口以差模形式激励，同时2端口以共模形式响应的描述参数，即差模转共模的反射系数。
Scc22， 2端口以共模形式激励，同时2端口以共模形式响应的描述参数，即共模反射系数。
6. 四端口射频器件校准方法
4端口射频器件，常见端口方式有以下几种，例如：
1. 东向 GSGSG , 西向GSGSG。
2. 东向 GSG、GSG , 西向GSG、GSG。
3. 东向 GSSG , 西向GSSG。
6.1 GSGSG -GSGSG/GSG、GSG-GSG、GSG校准
对于4端口网络校准，与三端口有些类似。
图4 4端口器件端口定义形式
相应的，4端口S参数定义如下，和2端口、3端口定义的S参数类似。
对于4端口网络校准常见的方法包括经典算法SLOT、SLOR等算法。以GSGSG-GSGSG探针为例。校准需要完成P1、P2、P3、P4端口的Short、Load、Open外，关键是做直通校准。
包含了两种直通。第一种是Loop back through环回直通，P1-P2, P3-P4的直通。第二种是真正的直通Straight through，P1-P3,P2-P4。当完成了这些校准后，软件会根据每一项的校准来计算4端口的残差项目，并写入到PNA中，放可以开始测量。
写在此，有一点细节值得注意，并写出来。如果测试工程师在配置端口时，配置成了下列方式后，会发现做直通校准项时，连接关系依旧是：
Loop back through： P1-P2, P3-P4
Straight through: P1-P3, P2-P4
显然Straight through属于交叉直通，因此校准选择上有一些差异。其实这和测试的器件属性相关，一般的器件使用默认的校准即可。如果是交叉端口器件，那么建议使用下列方式即可。因此在校准前，一定要熟悉待测试器件的端口分布情况。
实际上4端口网络的直接应用也是十分少见的，但是2端口平衡网络的应用十分普遍。
6.2 GSSG -GSSG校准
针对GSSG-GSSG结构，其实就是常见的差分入差分出的结构。属于2端口平衡网络结构。校准方式和普通4端口校准方式完全一致。只是校准完成后，在测试时需要将测试的S参数变换为差分平衡结构的S参数。
具体的变换关系如下，一般在PNA里面可以直接设置，无需工程师自己去计算。
其中1端口为单端信号，2端口为差分信号，差分信号有共模形式和差模形式，其中共模形式信号可以和差模形式进行转换。
2端口平衡网络的S矩阵可以分成4区域。其中左上区域为差模S参数，右下区域为共模S参数。左下区域为差模激励共模响应的S参数，右上区域为共模激励差模响应的S参数。
Sdd11， 1端口的差模反射参数
Sdd12， 2端口差模激励在1端口产生的差模响应能力的描述参数，即2端口输入（激励）纯粹差分模式信号，在1端口收到（响应）差分形式信号，在这种特定模式转换下链路2端口到1端口产生的损耗。
Sdd21， 1端口差模激励在2端口产生的差模响应能力的描述参数，即1端口输入（激励）纯粹差分模式信号，在2端口收到（响应）差分形式信号，在这种特定模式转换下链路1端口到2端口产生的损耗。
Sdd22， 2端口的差模反射参数
Scc12， 2端口共模激励在1端口产生的共模形式响应能力的描述参数，即2端口输入共模（激励），在1端口收到（响应）共模形式信号，在这种特定模式转换下链路2端口到1端口产生的损耗。
Scc21， 1端口共模激励在2端口产生的共模形式响应能力的描述参数，即1端口输入共模（激励），在2端口收到（响应）共模形式信号，在这种特定模式转换下链路1端口到2端口产生的损耗。
Scc22， 2端口的共模反射参数
Sdc11， 1端口的共模转差模的反射参数
Sdc12， 2端口共模激励在1端口产生的差模形式响应能力的描述参数，即2端口输入共模（激励），在1端口收到（响应）差模形式信号，在这种特定模式转换下链路2端口到1端口产生的损耗。
Sdc21， 1端口共模激励在2端口产生的差模形式响应能力的描述参数，即1端口输入共模（激励），在2端口收到（响应）差模形式信号，在这种特定模式转换下链路1端口到2端口产生的损耗。
Sdc22， 2端口的共模转换到差模的反射系数
Scd11， 1端口的差模转共模的反射参数
Scd12， 2端口差模激励在1端口产生的共模形式响应能力的描述参数，即2端口输入差模（激励），在1端口收到（响应）共模形式信号，在这种特定模式转换下链路2端口到1端口产生的损耗。
Scd21， 1端口差模激励在2端口产生的共模形式响应能力的描述参数，即1端口输入差模（激励），在2端口收到（响应）共模形式信号，在这种特定模式转换下链路1端口到2端口产生的损耗。
Scd22， 2端口的共模转换到差模的反射系数。
看到4端口单端S参数转换到2端口平衡网络的S参数公式后，其实包含一个内涵的概念，就是在线性网络中这种转换才是成立的。所谓线性网络指的是仅改变输入信号（激励)的幅度和相位，不改变频率成分的网络。信号在端口可以通过线性叠加来处理分析。
1. 在使用电子校准模块或者标准校准件完成4个端口连接的Coax 电缆的校准，校准平面到plane1处。
2. 在Wincal XE Calibration /Errors Terms菜单下进行Get From VNA中。意思是将网分电缆那一段校准导入到WINCAL 软件中。
3. 勾选Second tier ，使其Enable。
4. 使用Wincal XE选择2端口的SLOR校准算法，分别完成P1和P2的校准和P3和P4端口的校准，并将每次校准的结果errors terms 发送到PNA中。也可以使用端口方法完成P1、P2、P3和P4的校准。并将 每次校准的结果errors terms 发送到PNA中
5. 到此为止，校准工作结束。可以直接测试了。
7. 总结
本文主要给出了3端口、4端口的器件校准方法，以及诸如Pad-Coax连接器等结构如何使用WINCALXE软件的Second Tier 功能完成相关校准。限于作者水平，如有瑕疵之处，请予谅解。后续随着遇见复杂器件的端口校准，也会不断更新关于校准相关的文档，并且对校准理论方面也会展开相关的文档。
