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微波测试夹具及其TRL校准件的设计与制作芮金城;曹锐;陶晓辉【摘要】为了满足设计功率放大器时对晶体管精确测试的要求,设计了一种工作在S波段的氮化镓晶体管专用微波测试夹具,根据TRL校准原理制作了相应的校准件来完成夹具的去嵌入.实际测试结果表明,该测试夹具及TRL校准件达到了预期的效果,仿真值与实测值一致性好,损耗误差为0.3 dB,去嵌入之后得到的夹具差损＜0.4 dB,S11和S22＜-15 dB,用该夹具测得的晶体管参数与其数据手册给出的值相吻合.【期刊名称】《电子科技》【年(卷),期】2017(030)011【总页数】4页(P93-95,99)【关键词】微波测试;夹具;TRL校准件;氮化镓;去嵌入【作者】芮金城;曹锐;陶晓辉【作者单位】合肥工业大学光电技术研究院,安徽合肥230009;中国电子科技集团公司第38研究所重点实验室,安徽合肥230088;中国电子科技集团公司第38研究所重点实验室,安徽合肥230088【正文语种】中文【中图分类】TN368随着以晶体管为核心部件的功率放大器的广泛应用，目前很多晶体管并没有相应的模型，有的晶体管制造商虽然提供了晶体管模型用以放大器的仿真设计，但是模型依然没有足够的准确度和可靠性[1]。
因此为了设计性能良好的功率放大器，减少后期的调试工作，对晶体管的精确测试很有必要。
在实际测试中为了实现对晶体管的固定以及散热，实现测试仪器与晶体管之间的连接以及同轴到非同轴环境的转换，需要用到微波测试夹具，而目前的夹具在所有晶体管的所有频段并不能做到通用。
因此为了得到不同晶体管在不同设计频段的参数，需要制作专门的测试夹具以及与其相匹配的校准件[2]。
本文设计了一款用于CREE公司的氮化镓晶体管CGH40010F的微波测试夹具，并根据直通反射延迟线(Through-Reflect-Line，TRL)校准原理制作了相应的校准件，实测结果验证了夹具设计的正确性。
校准是测试的基础，校准的作用就是去除各种误差项的影响，为此需要建立相应的误差模型，根据误差模型确定误差项，通过测试得到这些误差项参数，再经过一系列计算去除误差，这个过程被称为去嵌入。
射频大功率器件TRL校准件的设计首先，需要了解TRL校准结构的基本原理。
TRL校准结构是一种通过测量开路、短路和负载三种参考标准来实现校准的方法。
使用TRL校准件，可以通过测量器件的反射系数和传输系数来确定其S参数矩阵，并据此进行校准。
TRL校准件的设计需要考虑以下几个方面：1.材料选择：首先需要选择合适的材料来制作校准件。
常见的选择包括无氧铜、高纯度陶瓷材料等。
这些材料具有低损耗和良好的稳定性，能够提供准确的校准效果。
2.尺寸设计：根据需要校准的器件的频率范围和尺寸，确定TRL校准件的尺寸。
校准件的尺寸应该与待测器件相对应，以实现准确的匹配和校准。
3.结构设计：TRL校准件的结构应该具有高度的稳定性和可重复性。
常见的结构设计包括带有不同长度的传输线和反射系数接近理想值的反射面。
4.传输线设计：传输线是TRL校准件的主要组成部分，其设计需要考虑频率范围、匹配度和损耗等因素。
常见的传输线设计包括微带线、同轴线和波导。
5.负载设计：负载是校准件的另一个重要组成部分，其设计需要考虑其反射系数和功率容量。
负载应具有很低的反射系数，以确保准确的校准。
6.制造工艺：根据设计要求选择合适的制造工艺，如切割、焊接、打磨等。
制造工艺应确保TRL校准件的精度和可靠性。
最后，需要对设计的TRL校准件进行测试和验证。
测试应涵盖频率响应、反射系数、传输系数和动力学特性等方面，以确保校准件的性能和精度。
总结起来，射频大功率器件TRL校准件的设计是一个复杂而关键的过程。
在设计过程中，需要考虑材料选择、尺寸设计、结构设计、传输线设计、负载设计和制造工艺等要素，以实现准确和可靠的校准。
通过测试和验证，可以确保校准件的性能和精度。
射频大功率器件TRL校准件的设计与制作作者：李树琪来源：《电子科学技术》2016年第04期摘要：以LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）为代表的射频大功率器件已经在民用通信市场以其优异的性能和低廉的价格应用越来越广泛，对于这种射频大功率器件的器件水平和能力评估也越来越受到应用的关注。
本文基于负载牵引系统，采用简单、便捷以及可重复使用的理念，使用常规的微带线阶梯型阻抗变换器电路为基础，充分考虑在应用测试中的偏置电路，进行前期使用ADS（Advanced Design System）仿真加后期验证，设计制造了低耗无串扰的TRL（Though Reflected Delay）校准件，为测试得到射频大功率器件的射频性能奠定了优异的基础。
关键词：TRL；微带线；ADS仿真；低耗无串扰中图分类号： TN454 文献标识码： A 文章编号： 2095-8595 （2016） 04-394-05电子科学技术 URL： http// DOI： 10.16453/j.issn.2095-8595.2016.04.006Abstract： In LDMOS （lateral diffusion of metal oxide semiconductor） as the representative of RF high power devices already in the civilian communications market with its superior performance and low price application is more and more widely， the performance and ability of the RF high power device for evaluation of also more and more get the attention of application. In this thesis， based on the load-pull system， the use of simple， convenient and repeatable the idea of ladder type impedance converter circuit using conventional microstrip， on the basis of full consideration in the bias circuit in application tests， through the use of ADS （Advanced Design System） simulation and verification， we designed and manufactured the TRL calibration kits which is the low loss and no crosstalk for test， it laid a good foundation for the test to get the RF performance of RF high power devices.Key words： TRL； Microstrip； ADS Simulation； Low Loss And No Crosstalk引言随着通信的日益发展以及半导体功率器件研究和生产技术的突飞猛进，从上世纪90年代末以前主要以硅双极型晶体管和砷化镓场效应管为核心的射频微波功率放大器被增益，线性度以输出功率这些更好的性能的产品所取代（硅基射频LDMOS以及氮化镓场效应管）[1]。
TRL微波器件测量去嵌入校准--原理详解前言：该教程是本人2012年跟安捷伦工程师讨论微波器件去嵌入技术时准备的，当时讨论主题如何解决TRL去嵌入算法频率限制问题(已申请专利)，现在摘取其中TRL算法原理部分，重新整理与大家分享。
微波测量中常用的校准方法有两种：· SOLT校准，即短路-开路-负载-直通校准，适用同轴接头测量，如衰减器、低噪放等。
通过测量1个传输标准件和3个反射标准件修正12项误差模型。
· TRL校准，即直通-反射-延时校准，适用非同轴接头测量，如微带线、共面波导等。
通过测量2个传输标准件和1个反射标准件来决定8项误差模型。
相比SOTL 而言，TRL由于校准件制作成本低、校准精度高等优点而得到广泛的应用。
下面首先对TRL校准算法进行介绍。
(1) 校准件和测量件一套完整的TRL校准装置包含三个校准件和一个测量夹具，图中DUT表示待测件(device under test)。
需要指出的是，直通校准件包含的传输线与加载有DUT 夹具的传输线等长，延时校准件包含的传输线比直通校准件包含的传输线要长，长度记为l，反射件包含的传输线与直通件包含的传输件等长，特别的，反射校准件一般是通过传输线末端开路或短路实现。
由于加载DUT的夹具不仅包含同轴到传输线的接口转换，还包含一定长度的传输线，实际测试时必须考虑这两部分对测试结果的影响。
(2) 误差模型为扣除夹具带来的影响，需采用精确的误差模型对夹具的频率特性进行描述。
从电路加载的角度来看，直通、延时和反射校准件可以看做DUT分别是长度为零的传输线、长度为l的传输线以及特定阻抗的集总器件(并联或串联接入传输线)时的特殊夹具，可以用S参数分别表示如下聪明的读者可能已经猜到，通过测量三个校准件的S参数，大概可以反推出夹具中除去DUT 的剩余部分频率响应吧。
Bingo!考虑到夹具与DUT 部分相互级联，为方便推导，特将S参数转化为T参数对夹具各部分进行表征。
怎样设计和验证TRL校准件及具体过程
刘迪
【期刊名称】《电子产品世界》
【年(卷),期】2008(000)003
【摘要】TRL校准是一种非常精确的校准方式,尤其适用于网络分析仪的非同轴测量.本文详细探讨了有关TRL校准的整个环节,从设计TRL标准件的要求,到设计TRL校准件参数的确定,TRL校准件设计后的验证,以及TRL校准时的具体过程,最后到完成这次非同轴测量,希望能为大家以后进一步研究TRL校准提供相应的参考.【总页数】4页(P123-126)
【作者】刘迪
【作者单位】安捷伦公司网络分析仪产品事业部,北京,100102
【正文语种】中文
【中图分类】TP3
【相关文献】
1.计入辅助电路的TRL校准件设计 [J], 王嘉璇;周东方;刘庆;高其辉;邓海林
2.射频大功率器件TRL校准件的设计与制作 [J], 李树琪
3.微波测试夹具及其TRL校准件的设计与制作 [J], 芮金城;曹锐;陶晓辉
4.硅基芯片TRL校准件的设计与制作 [J], 甄建宇;陈娜
5.硅基芯片TRL校准件的设计与制作 [J], 甄建宇;陈娜
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射频器件测量的校准技术分析
吴杰峰
【期刊名称】《无线通信技术》
【年(卷),期】2024(33)1
【摘要】在用矢量网络分析仪(VNA)对射频微波元件进行S参数测量时,由于网分的同轴端口与元器件类似微带的端口无法直接进行测量,故往往引入夹具以实现同轴到微带的过渡。
在此过程中,测量结果包含了夹具本身自带的误差,需要用校准技术进行去嵌入(deembedding)。
直通-反射-延时线(TRL)是其中一种高精度的校准技术,本文在HFSS中制作了10 MHz-45 GHz的TRL校准件包括“顶层地”传输线,新型共面波导,基片集成波导,两层介质的共面波导等不同结构,去嵌入之后的1 pF电容与理想电容在全频段有较好的一致性,并把结果进行对比。
下一步模拟了性能更好的同轴连接器,以改善实验的去嵌入结果,验证TRL校准件达到毫米波的可行性方案。
【总页数】7页(P47-53)
【作者】吴杰峰
【作者单位】宁波大学信息科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN915.5
【相关文献】
1.射频大功率器件TRL校准件的设计与制作
2.非同轴射频器件校准件参数仿真技术的研究
3.射频功率器件宽带多层TRL校准算法研究
4.一种基于图像处理的红外微扫描器件测量与校准的方法
5.射频器件测量的校准技术研究
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實驗三TRL及SOLT校準技術一實驗目的本實驗之目的在於使同學了解網路分析儀之TRL校準原理,及程序和SOL T校準技術.並將利用校準完成之網路分析儀量測實驗四的Chip RLC 之S參數,進而建立Chip RLC 元件之高頻等效模型.二實驗原理(一)校準目的去除cable, adapter,製具(Test Fixture)及連接待測物傳輸線的頻率響應以獲得準確的待測物(Device under test ,DUT) S參數特性。
(二)校準方法(1)Open．Short．Load ·Thru主要特性:A.適合量測已包裝或接上各型接頭之電路B.校準元件不容易製造C.因為此法不能去除接頭至焊接點的不連續效應,可能無法正確獲得待測物特性(2)Through．Reflect·Line (TRL)主要特性:A.適合量測未包裝或未接上各型接頭之PCB電路B.校準元件容易製造C. 可de-embed接頭至焊接點及多餘的傳輸線的頻率效應,因而可正確獲得待測物特性D.需要一套PCB製具(Test Fixture)固定PCB電路E.不適用於低頻(<300MHz) ,因為低頻時需要很長的Calibration Kit(三)校準元件(Calibration Kits)(1)選擇一適當中心頻率f0 ,量測可用頻率為(2/9) f0到(16/9)f0(2)如圖3-1 A所示Through 之長度l0為待測物(DUT)至連接點傳輸線之兩倍長.可以任意選擇,只要方便量測即可.其功能在於去除連接點至待測物(DUT)的傳輸線效應(3)如圖3-1 B所示Reflect (即open)之間隔為中心頻率f0時的四分之一波長(4) 如圖3-1 C所示Line之長度要比Through多出中心頻率f0的四分之一波長(四)校準設備儀器之SETUP如圖3-2所示操作之儀器有HP8719D網路分析儀及製具Wiltron Test Fixture Model 3680-20圖3-2圖3-3 HP8719D/20D/22D Front Panel圖3-3 ,3-4及3-5所標示的按鍵,面板等部位,依照編號列述如下:1.Line switch2.Display3.Disk drive4.SoftKeys5.STIMULUS function block6.RESPONSE function block7 .ACTIVE CHANNEL keys 8.The ENTRY block9.INSTRUMENT STA TE function block 10.Preset Key11.R CHANNEL connectors 12.PORT 1 and PORT 2圖3-3 HP8719D/20D/22D Front Panel1.HP-IB connector2.Parallel interface3.RS-232 interface4.KEYBOARD input(DIN)5.Power cord receptacle with fuse6.Line voltage selector switch7.Fan8.10 MHZ PRECISION REFFERENCE OUTPUT9. 10 MHZ REFFERENCE ADJUST 10.EXTERNAL REFFERENCE INPUT connector 11.AUXILIARY INPUT connector 12.EXTERNAL AM connector 13.EXTERNAL TRIGGER connector 14.TEST SEQUENCE 15.LIMIT TEST16.MEASURE PRESTART 17.TEST SET INTERCONNECT 18.BIAS INPUTS AND FUSES 19,SERIAL number plate 20.RF IN/OUT 21.EXTERNAL MONITOR VGA圖3-5 Wiltron Test Fixture Model 3680(五)校準注意事項1.Cable A+ Adapter A的特性必須近似於Cable B+ Adapter B的特性2.量測製具最好使用夾具、增加量測校準元件及待測物的可重覆性﹒3.校準元件及待測物前後的傳輸線線寬必須一樣，並且使用同種介質電路板所製成4.適當設定網路分析儀，三實驗項目(一) 使用儀器及軟體(1)雕刻機(2)網路分析儀(3)PROTEL (電路版layout 軟體)(二)TRL Calibration 操作製作一組中心頻率為2GHz 之TRL Calibration Kits並對HP8719D Network Analysizer 進行校準(1)已知Z o=50 Ω,εr=4.2 H= 16 mil求出W= ? mil , εeff= ?(2)已知f0=2 GHZ，求出(λ0/4)= ? mil 、可校準之頻率範圍f min=(2/9)f0=? GHZ , f max=(16/9)f0=? GHZ(三)SOL T Calibration 操作四實驗步驟(一) TRL Calibration 操作(1)應用Protel Layout軟體畫出一組Thru 長度為1600 mils之TRL Calibration Kit並轉成Gerber File(2)利用雕刻機將此組Calibration Kit製作完成(3)校準步驟如Appendix3A所示(4)利用此組Calibration Kit對依序作Thru Reflect Line之Calibration校準完成後並將結果存檔(1)在將Thru Kit 量測一次驗證其S21=1 ∠00誤差在±50以內(二)SOL T Calibration 操作(1)校準步驟如Appendexix3B所示(2)去除所有Kit之後驗證S11=1 ∠00。
射频大功率器件TRL校准件的设计
以LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）为代表的射频大功率器件已经在民用通信市场以其优异的性能和低廉的价格应用越来越广泛，对于这种射频大功率器件的器件水平和能力评估也越来越受到应用的关注。
本文基于负载牵引系统，采用简单、便捷以及可重复使用的理念，使用常规的微带线阶梯型阻抗变换器电路为基础，充分考虑在应用测试中的偏置电路，进行前期使用ADS（Advanced Design System）仿真加后期验证，设计制造了低耗无串扰的TRL（Though Reflected Delay）校准件，为测试得到射频大功率器件的射频性能奠定了优异的基 础。
随着通信的日益发展以及半导体功率器件研究和生产技术的突飞猛进，从上世纪90年代末以前主要以硅双极型晶体管和砷化镓场效应管为核心的射频微波功率放大器被增益，线性度以输出功率这些更好的性能的产品所取代（硅基射频LDMOS以及氮化镓场效应管）[1]。
这同时也对这些新技术新产品的性能的评估提出了更高的要求。
目前国内以苏州纳米所（华太电子技术有限公司）所研制的945_960 MHz频段的RF LDMOS功率管产品（单裸管芯输出功率达到180瓦，线性增益达到19dB，效率达到 70%，电压驻波比达到10:1），已经达到了实业化的目标[2]。
较之于传统常用的SOLT校准（适用于同轴校准），TRL校准对于在非同轴环境下进行射频大功率器件的测试来说是一种非常精确的校准方式。
这种校准方法的优点在于其校准准确度只依赖于传输线的特征阻抗而不是其他标准，反射标准的反射系数和传输系数的长度都可以在校准中由计算得出[3]，很好地避免了一些测试板引入的误差，更能准确地反映被测器件的性能。
1 TRL校准件的要求
基于目前通用的射频测试板材，我们选用的是罗杰斯公司的Rogers 4350B型板材，这种板材制造标称的介电常数εr = 3.48，损耗因子为0.0037，板材厚度选取30mil，走线铜厚选取17μm。
此次需要完成的目标频段是：2.0GHz~2.5GHz， 制作出来的Reflect，Though以及Delay校准件均能满足在此频段内反射系数Г（S11）<-10dB，传输系数 T（S22）<-0.9dB。
器件根部原始设计阻抗根据经验 我们设定为2.5Ω，测试电路输入输出端口设计阻抗为通
信系统设备通用的50Ω，端口采用常用的SMA 型端子作为射频型号输入输出的物理接口。
2 TRL校准件的构建
因为最终目的是为基于Load-Pull系统的器件阻抗提取和性能评估，对于校准件的版图设计基本需考虑通用性和成本，即在射频信号主路采用微带线阶梯型阻抗变换器的基础上，还需要在设计过程中考虑器件应用时所需要的直流偏置电路。
2.1 射频信号主路设计
2.1.1 射频信号主路设计由于从器件根部的2.5Ω变换到测试电路输入输出端口的50Ω，而且需要实现 2.0GHz~2.5GHz的频段跨越，为了确保在宽频带上能获得良好的匹配性能，因此设计阶梯为4级，对应设计的中间变换阻抗为：5Ω、10Ω、20Ω。
可以采用 下面的阻抗计算公式计算：
其中，W为线宽，T为铜线厚度，εr为板材的介电常数。
在此我们运用安捷伦公司ADS软件中的Linecalc这个小软件进行，微带线宽度的计算和确定如图1所示。
通过软件计算得出微带线宽度与设定阻抗的关系如表1：
图1 ADS微带线计算工具
表1 ADS微带线计算结果
2.1.2 射频信号主路设计的微带线的长度的设计思路为使用不定长度传输微带线多阶梯阻抗变换器（图 2），根据传输线理论：第i节的输入阻抗公式为：
这样就可以使用递推法计算出每一节的微带线的长度。
在此由于考虑整个校准件是一个整体，以及还存在去除偏置电路的影响以及整个校准件制作不宜做得太大，因此每一节微带线的长度，我们将使用ADS的S-parameter 调谐仿真，以及Layout之后的Momentum仿真，从整体上对微带线的长度和宽度进行调节，以达到能实现设计目标的要求。
图2 阶梯阻抗变换器
2.2 直流偏置电路
直流偏置电路为射频功率放大器主路的元器件提供一个工作状态，其设计的好坏将影响放大器的性能，尤其是漏极偏置电路的设计[4]。
一般直流偏置电路设计需要遵循的三个原则：
（1）偏置电路对信号主路影响要尽量的小，即不引入较明显的附加耗损、反射以及高频信号沿偏压电路的泄露。
（2）为了偏置电路存在的大电流，需要考虑合理的偏置线宽度。
（3）尽量结构紧凑，简单。
2.2.1 基于直流偏置电路的三个原则，我们在选择四分之一扇形开路线（即四分之一波长开路短截线的变形），这样能够很好满足三原则的要求。
扇形微带短截线电抗可以由下列关系式出[5] ：
在式(3) 中, Ji(x)和Ni(x)是第一类和第二类贝塞尔函数，α扇形微带短截线的角度，εre是等效介质常数，λ0为自由空间波长, r1和r2是扇形微带线的内、 外半径，h，w分别是介质基片的厚度和微带宽度， we是扇形短截线等效为微带线的宽度。
2.2.2 根据设计的三原则偏置线宽度的设计尤其是器件漏端的偏置线线宽的设计需要我们考虑电流承载能力，同时也需要考虑的是直流偏置铜线必须为尽量细的高阻线，因为这样能减少偏置电路对于主路的影响。
那么根据表2中铜箔宽度与承载电流的关系，我们可以进行选择，在此设计中我们考虑电流承受能力在1.2A左右，所以使用0.762的线宽也讲电流承载能力的余量考虑在我们的设计中。
3 TRL校准件的仿真与验证
3.1 校准件的仿真
通过上述对于整个TRL校准件的设计考虑， 使用ADS工具，我们得到了本次根据仿真电路得出的可用于实际制作的PCB版图，以及使用ADS的 Momentum仿真出来的结果。
图3中的S11和S21各有三条线段，分别代Though、Reflect、Delay三块校准件的反射系数和传输系数。
考察2.0GHz2.25GHz2.5GHz三个典型频点的值，在S11的曲线图上，除Delay在2.0GHz点上只达到了-11dB，其余均低于-15dB；同样在S21的曲线图 上，除Delay在2.0GHz点上接近与-0.9dB，其余均高
于-0.7dB。
应该说2.0GHz～2.5GHz这个频段内很好的达到了设计目标。
图3 TRL校准件Momentum仿真图
ADS这个软件在仿真、优化过程中有着优异的性能，对于比较高要求和挑战的性能指标能够做好预先仿真，并实现PCB版图电路，减少了工程反复和硬件材料的浪费，降低了设计成本，是一个很好的射频工程应用工具。
3.2 校准件的验证
校准件的验证分两步进行，第一步是对校准件直接进行小信号测试验证，第二步是使用频率在 2.0GHz~2.5GHz之间的器件，在配合Load-Pull系统找到器件封装根部阻抗后，再通过普通射频电路测试板的匹配来验证校准件是否符合设计要求。
3.2.1 校准件小信号参数的验证
在完成TRL校准件的加工之后，我们将TRL校准件中的Though校准件和Delay校准件在Agilent的 N5241A网络分析仪上进行小信号参数的测试，采用其结果与仿真结果进行对比。
右图4中上面的图为 “Though校准件”的S11和S21的频率扫描图，图4 为“Delay校准件”的S11和S21的频率扫描图。
从结果来看，Though“Though校准件”和“Delay校准件”的S11最大值均低于-12dB，S21的最大值均高-0.84dB。
其测量结果与仿真结果基本一致，从测试值来讲还略优于仿真的结果。
3.2.2 器件的校验
在此我们选取了一颗工作频率在2.45GHz，30W 的RF-LDMOS，在其封装内已经完成了输入的两级匹配的器件来进行验证，通过与Focus的Load-pull的 校准和测量，我们得到的封装器件的根部阻抗为：
输入端：11.669 - 59.755j ；
输出端：5.941 + 22.597j
使用测量得到的器件根部的阻抗值，我们对符合器件的射频电路测试板进行了匹配，见图5。
测试板的小信号测试曲线见图6。
对比使用TRL校准件得到的器件性能与射频外围电路测试板得到的器件性能，我们可以看图表3。
表3的数据显示了使用TRL校准件测的是器件根部阻抗以及在此阻抗下得到的器件性能与根据根部阻抗进行的射频电路测试板匹配后的器件性能比较，其增益、功率和效率基本一致。
图5 24030射频测试电路
图6 TRL校准件小信号测试曲线
表3 TRL校准件得到的24030器件根部阻抗以及性能测试对比
4 结语
上文关于TRL校准件的设计和制作很好地完成了既定的目标，实现了高频下射频大功率器件的TRL校准，同时我们也看到，TRL校准件的设计涉及的很多方面和细节需要很好的梳理和把握。
当然，一个好的TRL校准件的设计和制作还需要考虑更多的封装的兼容以及更宽频率的覆盖，这个也是我们将要努力的方向。
