如何在网分中自定义探针校准件.V1.0
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赵建超 |
David |
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目录
1. 前言
一般情况下，Cascade射频探针台会自带射频校准软件WINCAL。在执行测试时，通过以太网口或者GPIB 将网分与WINCAL软件建立起通信，所有的校准均在WINCAL中执行。具体包括设置扫频范围、扫描点数、中频带宽、选择探针类型、pitch间距、探针放置方向、选用校准片、选用校准算法、根据提示一步一步扎针校准，校准完成后进行验证测试以及对软件自动对校准质量进行评估，并给出良好、可接受、不可接受等判断。由于WINCAL软件数据库中已经有了探针、校准片等的校准系数等（客户们常说的探针的寄生参数），因此十分方便简单，且保障了不同的工程师由于专业成熟、熟练程度等导致的校准不一致性问题。因此建议客户尽量使用WINCAL软件来执行校准。但是实际上有些客户是没有购买WINCAL软件，仅购买了Cascade射频探针，这就需要在网络分析仪中自定义探针校准件。
这一步工作具体可以分为4个子步骤：
1. 定义校准件（套件，包KIT）的名字和描述。
2. 定义该校准件（套件，包KIT）的各个标准件 (Open、Short、Load，Thru、Line等)。
3. 匹配校准算法需要的标准件。
4. 确认保存完成。
2.1 定义校准件的名字和描述
定义校准件的名字和描述，简单地说，就是对准备定义的校准件起一个容易识别且反应其特征的名字。下面是KeySight PNA上带有的校准包，分别给出了名字和描述。例如85056D这个校准包，描述为2.4mm Calibration Kit。客户在测量时如果使用2.4mm的电缆时，需要调用这个校准包。
图1 PNA中自带的探针校准kit包
如果购买了FormFactor（Cascade）110GHz GSG探针以及相关校准件，在使用网分测量前（假设没有购买WINCAL校准软件），需要客户来事先定义探针的校准包文件的。
首先在原有Kit菜单中Insert插入一组新的校准件，即自定义的探针组件。
校准Kit包的名字定义为：I110-AM-GSG-100，其含义为infinity系列DC-110GHz带宽探针，针尖结构为GSG, Pitch间距为100um，同轴连接器为45°斜角，且材质为默认铍铜。
描述为Cascade I110-AM-GSG-100 Probe Cal Kit
在定义校准Kit包时，需要搞清连接器的类型，即Connector类型。
对于探针而言，需要在Connector Family栏中通过Add新定义一个类型，probe。
频率范围从0-110000MHz，即探针的使用频率范围。
Gender极性，可以选择Gender和Genderless两种，分别带表有极性和无极性的意思。如果是探针校准件的话，选择Genderless，即定义的这个校准Kit没有公母之分。
阻抗50Ω，这里个人理解为系统的特征阻抗，一般为50Ω的系统，有可能存在75Ω系统。
Transmission media 中选择传输Media，默认是Coax。
图2 PNA中定义探针probe校准Kit
2.2 定义校准Kit包中的标准件
SLOT算法中，需要定义Open、Short、Load、Thru四个参数；
TRL算法中，一般需要定义thru、open（short）、Line等参数。
探针Datasheet上都会给出这几个参数的，具体如下：
首先对上面这几个值做一下说明。上面这些值均是集总校准参数，而非分布校准参数。在校准时，PNA网分中时常会发现没有集总参数项输入，需要输入分布参数来代替集中参数，需要转换。下面分布给出open、short、Load、thru的定义设置，且分为同轴校准器和探针校准片。
2.2.1 Open标准件—同轴模式
Open标准件属于单端口的，因此Connector仅有一项。
频率范围DC-110000MHz。
延迟特性，需要补充延迟时间（ps）和延迟损耗（G Ohm/s）以及offset阻抗。
开路特性，需要补充C0、C1、C2、C3参数。
在此核心谈一下open characteristics 和delay characteristics的概念。
开路电容的概念，同轴open标准件理论上应该在参考面处使其中心导体和外皮之间实现理想open，但是实际上open标准件是具有一段长度的，然后在末端开路。由于中心导体signal和GND之间的电场线并非完全闭合，在signal导体末端会有一部分辐射到空气中，这就是造成开路电容存在的原因。开路电路导致反射系数不是理想的1，而是存在误差。改进型的open校准件要求外导体长一些，长度大于外导体内直径的话可以近似认为电场线闭合，即达到理想的开路状态。
延迟特性，图中从参考面到Open标准件末端的这一段长度就是所谓的offset 延迟线。图中已经做了标记。这段线也是有电气特性的。需要用延迟时间（ps）和延迟损耗（G Ohm/s）来描述。具体延迟计算方式见公式（1）、（2）、（3）。
图3 open标准件图例
图4 校准件原理图
（1）
（2）
（3）
公式（2）是公式（1）的深入展开，公式（3）是其他频点上的offset损耗计算方式。
作者阅读资料和推导时发现有一些资料中容易写错，将
错写到分子上了，还有一些对数的底数和真数写反了，有些另外缺少负号，在使用公式时请留意。
图5 Open校准件窗口
理论上校准时既要输入open电容的信息，还要输入delay的信息。Delay的计算公式如下：
另外注意阻抗输入的是50Ω。但是定义同轴校准件时往往忽略了delay特性。理论上这段传输线由于存在导体损耗、介质损耗等因此也有offset损耗的。
2.2.2 Open标准件—探针
在探针校准时，探针携带的校准资料上会给出某某规格探针在使用某某规格校准片下的开路电容C0值。有时还会给出两种情况下的这个值，一种是在空气中的值，一种是采用ISS校准片的开路电容的值。根据校准时采取的方式进行输入即可。
图6 不同种类针型、不同Pitch间距下的校准系数
由于在Open标准件窗口对探针一样，仅需要定义集总开路电容即可。一般情况下，延迟特性忽略。但是如果确实需要定义Delay特性。时，Delay处的Z0阻抗可能不是50Ω，需要注意。
图7 FormFactor校准片上标准件图案
图8 FormFactor校准片上标准件图案
2.2.3 Short标准件-同轴
如果充分理解了Open同轴标准件中的参数设置含义，那么Short几乎是不存在问题的，因此文章在此不再详细描述，差异是short中定义的是短路电感值。
图9 同轴校准Short窗口
2.2.4 Short标准件-探针
这里不再赘述，主要描述的是短路电感L0。其次如果有Delay特性的话，这里的阻抗输入应该500Ω，500Ω一般为网络分析仪允许的最大值，而非50Ω。因为短路线无阻抗控制，相当于一小段陶瓷基板上的飞线。
图10 探针校准Short窗口
2.2.5 Load标准件-同轴
Load同轴标准件制作时，一方面是delay延迟，delay方面不再赘述。Load类型，负载添加中主要有4种形式
1、 Fixed Load 固定负载 即认为是个没有任何反射的完美的终端。
2、 Sliding Load 滑动负载 由传输线和固定阻抗的负载组成，通过改变传输线上的不同位置来改变反射系数的相位。
3、 Arbitrary Impedance 任意阻抗 和系统阻抗不同的终端阻抗。
4、 Offset Load 通过一段延迟后的负载,主要用于TRL和波导的校准中。
图11 同轴校准Load窗口
2.2.6 Load标准件-探针
探针上一般会给出50Ω和端接电感的值，这款规格型号探针给出的是-3.9pH。具体参考下面表格。至于为何出现正值或者负值电感。请参考香港共晶电子科技有限公司公众号中的文章《晶圆射频测量表征之射频探针校准技术》详细原因。当探针的Pitch间距探针，电感小,电容大，总体呈现容型，因此为负值。
图12 相同针型不同间距Pitch下的校准系数
图13 校准片上Load图案
在输入探针Load的参数时，会发现菜单里没有地方输入-3.9pH这个集总参数的地方。仅有delay 属性框。那么如何将-3.9pH转化为延迟时间呢？ 这里给出转化方法。计算方法为Td = L/Z0，L为电感值。因此-3.9pH/500Ω=-0.0078ps。问题来了，这里为何输入这里的阻抗输入应该500Ω，500Ω一般为网络分析仪允许的最大值。因为短路线无阻抗控制，相当于一小段陶瓷基板上的飞线。
“Some VNA's do not allow lumped element models for all standards. The use of an offset
transmission line based equivalent ircuit is required. The lumped ele-ment series inductance represented by the load (term) or short can be effectively modeled by a short section of high impedance transmission line offset. Normally the offset impedance is set to the maximum
value allowed by the VNA (e.g.,500 ohms for the HP 8510) and the corresponding delay is determined using the equationT, = L/Z,.For example, the 4.8 pH short circuit inductance of a 150 pm pitch, ground-signal-ground configuration ACP probe would be entered into an HP 85 10 calkit as a short standard with a 9.6 fs (4.8pH/500 0) long 500 0 offset。”
图14 探针Load标准件参数设置窗口
2.2.7 Thru标准件-同轴
Delay 属性与前面计算方式类似，不再赘述。
图15 同轴THRU标准件参数设置窗口
2.2.8 Thru标准件-探针
1ps指的是Thru线的延迟。
图16 探针THRU标准件参数设置窗口
2.3 匹配标准件
当完成了校准包中标准件的定义后，其次需要确定校准算法。由于每种校准算法需要的标准件是不同的。SOLT校准算法需要Open、Load、Short、Thru标准件，TRL算法需要open 、 Thru、 Line标准件。下面以SOLT校准算法为例，来说明。十二项误差模型校准的步骤如下：
第一步：校准Port1,使用one-port程序（SHORT、OPEN、LOAD），求解出方向性误差、匹配、和反射跟踪误差
。
第二步：通过测试每一个端口的Load，求解出测量泄露或者串扰e30，
第三步：连接Port1和Port2端口，测量Port2端口的匹配e22，测试传输误差e10e32。
第四步：相同的步骤用于反向测量中。
按照上面的方法以此定义好open、short、Load，thru即可。
如果是探针的校准，方法完全一致，由于Port1和Port2端口属性是一致的，因此仅有SA、SB、SC，这意思是Port1端口和Port2端口使用的标准件是一致的。
限于篇幅，本文给出如何在是德网络分析仪上定义射频探针标准标准件，以及选用SOLT算法时如何匹配这些标准件。在输入分布式参数时要注意的细节，作者给出了其所以然的分析，有助于对探针校准件加深理解。后续也会针对探针的TRL校准件定义进行专门的探讨。若文章中有一些错误疏漏之处，往谅解，或者欢迎与作者探讨来提升。
