向量網路分析儀

分功器的另一個路徑則將訊號導入衰減器，經過適當的衰減復進入同步 切換器，當上圖中切換器兩邊的開關皆切向右時，則訊號從埠一打出，

其間因待測物所產生之反射訊號會經由埠一側的方向性耦合器

（directional coupler）進入接收機 A，並與接收機 R 所得到之訊號經過運 算，得到 S₁₁等係數；另一方面，埠一打出的訊號流經待測物的部分則進 入埠二，並透過埠二側的方向性耦合器流入接收機 B，再與接收機 R 所 得到之訊號經過運算，得到 S₂₁等係數。同理地，當切換器兩邊的開關皆 切向左時，則訊號從埠二打出，並經由相似的機制，得到 S22與 S12等係 數。

4-2 誤差模型（Error Model）

在向量網路分析儀中的誤差源可以分為兩大類：一種為隨機誤差，

另一種為系統誤差。隨機誤差之變異性較大也較難以預知，譬如由於接 頭可重複性或溫度改變所造成的誤差等等；系統誤差則較為固定，譬如 同軸電纜在高頻時產生之電容或電感效應，以及網路分析儀內各機構如 方向性耦合器之不完美所產生的誤差。為了方便敘述系統誤差的影響，

延伸出誤差模型的概念：它將全部的系統誤差從實際的網路分析儀中萃 取出，變為理想的向量網路分析儀與待測物間隔了一道誤差模型：[4]

使用上述之概念並配合訊號流程圖來表示誤差模型，可以得到如下表示 法：

圖 4-3 正方向的訊號流程圖

圖 4-4 反方向之訊號流程圖

其中，E_D是由於方向性耦合器在指向度（directivity）的不完美而造 成的誤差（directivity error），E_S為在訊號發射埠與待測物間之不匹配所

產生之誤差（source mismatch），EL為在待測物與訊號接收埠間之不匹 配所造成的誤差（load mismatch），EX 則為訊號發射埠側之電纜接頭輻 射，躍過待測物直接進入訊號接收埠側的串音效應，另外 ER與 ET則為 A、

B、R 三個接收機間之不匹配所產生之誤差。由此可以看出在一個網路分 析儀中有十二種系統誤差參數存在，而為了得到準確的量測結果，需要 校正的步驟。

4-3 SOLT 校正原理

在正式使用網路分析儀量測之前，都要經過一道校正的步驟，其主 要原因就是要將系統誤差移除，並將參考準位移至同軸電纜之 SMA 接頭 處以符合實際待測物的所在位置，而在三接收機的網路分析儀中，一般 所使用的為 SOLT（Short、Open、Load、Through）校正法，即使用已知 特性的短路、開路、負載、穿透等四種校正套件來先做量測，將量測的 結果加以計算，以補償在誤差模型中的各項參數所造成的影響。

圖 4-5 單埠誤差模型

為了方便說明，取出圖 4-3 中單埠的情形。當待測物為完美匹配之 Load 校正套件時，得到量測的 S11值，S11 Mload：

RF

S

E =

+

=

¹¹

而當待測物為理想的 Open 校正套件時量測的 S₁₁值，S_11Mopen：

SF RF DF

S SF RF DF

Mopen

E E E

S E

S E E

S

= + −

+ −

= ⁼

1 1 11 ¹

11

11 11 （4-2）

而當待測物為理想的 Short 校正套件時量測的 S11值，S11 Mshort :

SF RF DF

S SF RF DF

Mshort

E E E

S E

S E E

S

= − −

+ −

= ⁼⁻

1 1 11 ¹

11

11 11 （4-3）

由以上三個式子，便可解出E_DF、E_RF、E_SF等三個未知數，亦即對正 方向做Open、Short、Load 校正套件的量測，便可解出三個誤差參數；同 理，對反方向做Open、Short、Load校正套件的量測，可以得到另外的三 個誤差參數：EDR、ERR、ESR 。而Thru 的校正套件會做四次的量測，其 中兩次為正方向輸入，兩次為反方向輸入，茲以正方向為例說明：

1. 正方向輸入，由 a0 輸入訊號，b0 接收訊號。

圖 4-6 裝上 Thru 校正套件時之訊號流程圖一

由上圖中，可以得到量測得的 S11MthruF：

SF LF

SF LF RF DF S

S SF LF

SF LF RF

DF MthruF

E E

E E E

E E S E S

E S E E S

E

S

= + −

+ −

= = =

1 1 ^{21 12 1}

12 21

11 21 12 （4-4）

配合由 SOL（Short、Open、Load）所的到的幾個誤差參數，可再由上式 解出 E_LF 。

2. 正方向輸入，由 a0 輸入訊號，b3 接收訊號。

圖 4-7 裝上 Thru 校正套件時之訊號流程圖二

由上圖中，可以得到量測得的 S21MthruF：

SF LF

SF LF TF XF S

S SF LF

SF LF TF

XF MthruF

E E

E E E

E E S E S

E S E E S

E

S

= + −

+ −

= = =

1 1 ^{21 12 1}

12 21

21 21 12 （4-5）

除去之前已解出的參數，會在上式中剩下兩未知數EXF、ETF，一般的 情況下，需要隔離度（Isolation）的量測數據，方能分別計算出此兩參數。

同理地，Thru校正套件的另外兩次反方向及一次隔離度量測，亦能計算 出EDR、ESR、ERR、ETR、ELR、EXR等誤差參數。由此可以看出，藉由SOLT 之校正方式，可以將網路分析儀系統中的十二種誤差參數一一求出，進 而在實際待測物的量測時將之移除，而得到精確的量測結果。

4-4 自製校正套件

在第二章中，我們已說明為了量測的方便自製了測試介面板（Test Fixture），此測試介面板會帶來待測物以外的影響，如圖 4-8 所示，因此 需要予以移除。常用的方法是將測試介面板的效應經由建立等效模型的 方式，分別求出 STF1、STF2再利用公式轉換成為方便用以表現於串接形式

（Cascade）的 ABCD 矩陣後，利用數學將其效應”去嵌入”

（De-embedded）。

圖 4-8 測試介面板對於待測物量測之影響

而在本研究中，所採用的方式則是利用自製的校正套件來將測試介 面板的效應移除，亦即將量測的參考平面直接移到測試介面板之接觸點 處。因此在自製的每個校正套件中，都要具備與測試介面板相同的饋入 傳輸線，也就是將圖 4－8 中的[STF1 ]、[STF2 ]的效應都做入校正套件中，

如此網路分析儀在做校正的運算時，便會主動將這兩個效應都”去嵌入”，

於是不需再額外地寫程式。

首先設定好參考平面所需要延伸的長度，為了便於區分，我們採取 的方式是左右不等長的設計，訊號線為 50 Ohm 傳輸線，並在與訊號彈簧 針相對應的位置處鑿穿孔，以利傳輸線條件的設定。

在 Short 之校正套件上，用銲錫將整個 via hole 出來之訊號線與接地 面銲接在一起，之後用 TDR 時域阻抗測試及電表做直流短路測試，以確 認校正套件接頭處訊號端與接地端間有導通，以達成 Short 校正套件之設 置；而在 Thru 校正套件與測試載具冠狀端之接觸點，使用銲錫將接觸點 銲成突起圓形塊，使得“正面”測試介面板及“反面”測試介面板能使二面之

接觸點能對應接觸，然後用電表做直流短路測試，確認兩邊接頭的訊號 端相連，但訊號端與接地端間不相連；至於 Open 校正套件，與 Thru 測 試介面板及放置測試載具測試介面板有相同的佈局，故並未與其他二種 校正套件做在一起，由於與 Open 測試介面板是直接以 Thru 測試介面板 及放置測試載具測試介面板來做為 Open 的校正套件；至於 Load 校正套 件的製作，則在鑿穿孔處分別以兩個 100 歐姆 0603 尺寸的電阻並聯，來 達到等效 50 歐姆電阻的終端（terminal）效果，如下圖（b）所示：

圖 4-9 取得 50 歐姆負載之方法（a）單一 50 歐姆 SMD 電阻（ b ）並 聯兩 100 歐姆 SMD 電阻

在（a）中，單一 50 歐姆的 SMD 電阻有寄生電感 L ，其中

L j

Z

⁵⁰= 50+

ω

（4-6）

而在（b）中，

50 2 2

'

⁵⁰

100 L

L j

Z = + j ω = + ω

（4-7）

由此可以看出使用並聯的原因是為了利用並聯來減低電阻裡的寄生 電感效應。製作完成的校正套件如圖 4-10 所示。

將放置測試載具測試介面板、測試載具整體組裝後的待測物接上網 路分析儀如圖 4-11 所示，且由於使用了自製校正套件，因此網路分析儀 於校正步驟的設定需加以改變，詳細的設定步驟見附錄 B。

圖 4-10 自製校正套件 （a） SHORT （b） LOAD

圖 4-11 與網路分析儀連接後的整體待測物

4-5 量測前的確認動作

由於測試座有設置導柱（guide pin），所以整體載具在做測量時有良 好的可重複性（repeatibility），實驗中使用同一組訊號彈簧針，需要重複 數次的量測，且每次量測需將載具完全拆開後，重新裝置之；導柱與定 位孔的主要功能雖為測試托座與測試介面之固定，使每次的實驗都能保 持在同樣的接觸情況，然而最大的問題在於如果這兩者的設置沒有足夠 的可靠度，則每次的量測彼此間將會出現極大的變異，因此，倘若缺少 了可重複性的驗證，則自製的校正套件便不算能符合量測的條件。至於 量測的項目考量，會使用S11及S21做為量測的最終結果以做為測試載具補 償的根據。由於此量測的頻域響應值極為微量，故很容易受到測試治具 連接及自製校正板誤差模型的影響。

與網路分析儀連接後的整體待測物近距離如圖 4-12。與網路分析儀 連接後的Thru校正待測物如圖 4-13。與網路分析儀連接後的Load校正待 測物如圖 4-14。與網路分析儀連接後的Thru校正待測物近距離如圖 4-15。與網路分析儀連接後的Short校正待測物如圖 4-16。與網路分析儀 連接後的Open校正待測物如圖 4-17。Open校正之頻率響應圖如圖 4-18。Short校正之頻率響應圖如圖 4-19。Thru校正之頻率響應圖如圖 4-20。

使用安捷倫之標準校正套件校正後去量測自製校正板Open之頻率響 應圖如圖 4-21，此時之量測參考平面為自製校正板的SMA接頭起點，故 量測出之頻域響應圖S11即為自製套件的頻域響應特性。自製校正板Short 之頻率響應圖如圖 4-22。自製校正板Load之頻率響應圖如圖 4-23。由自 製校正板的頻域響應圖S11反應出此實驗之自製校正板的有效頻帶上限約 為8.5 GHz，從自製校正板Load之頻率響應圖可看出S11約略在8.5GHz之後 大於 -10分貝。

圖 4-12 與網路分析儀連接後的整體待測物近距離圖

圖 4-13 與網路分析儀連接後的Thru校正待測物

圖 4-14 與網路分析儀連接後的Load校正待測物

圖 4-15 與網路分析儀連接後的Thru校正待測物近距離圖

圖 4-16 與網路分析儀連接後的Short校正待測物

圖 4-17 與網路分析儀連接後的Open校正待測物

圖 4-18 Open 校正之頻率響應圖

圖 4-19 Short 校正之頻率響應圖

圖 4-20 Thru 校正之頻率響應圖

圖 4-21 自製校正板 Open 之頻率響應圖

圖 4-22 自製校正板 Short 之頻率響應圖

圖 4-23 自製校正板 Load 之頻率響應圖

4-6 頻域響應測試

在本實驗中，量測後得到的結果會用於比較其頻域響應的差異性去做適當的 補償值於測試時的輸入訊號補償，使用網路分析儀量測得到的頻域響應圖如圖 4-24的S21（入射損失，單位為分貝dB）及圖 4-25的S11（回射損失，單位為分貝dB）。

使用自製的校正套件的校正能力在低頻時較不會有太大的誤差，但頻率越高 時其校正的正確性的誤差越為明顯，諸如Open校正、Load校正、Thru校正的變異 性隨著測試頻率的增高而誤差量更為增大，如本實驗的thru的連接是使用模擬封裝 鍚球的方式在其中一片的待測介面板加銲一半圓形突起銲鍚去做為測試介面板的 連接信號，此一半圓形突起銲鍚主要是模擬彈簧針（Pogo Pin）冠狀頂端的接觸特 性所使用，所以在thru時將兩片測試板的接觸墊面對面鎖緊時會讓半圓形突起銲鍚 擠壓變形，使待測試介面板與測試載具之彈簧針冠狀頂端接觸鎖緊時的接觸效果 大為影響，故經由自製校正套件的誤差及測試介面板接觸條件的改變，皆會使高 頻時的頻率響應的參考結果大為打折。所以此研究的網路分析儀得到的頻域響應 結果會與高頻電磁仿真模擬軟體的頻域響應結果去做結合，以輔助網路分析儀高 頻量測的不足。

在文檔中 中 華 大 學 (頁 42-60)