非同軸微波器件測試夾具設計方法研究與探討?

程婷婷 張一治 任 翔 李 靜 李 碩 苗志坤

（航天科工防御技術研究試驗中心 北京 100854）

1 引言

目前，隨著航天航空，信息技術的發展，越來越多的微波器件被運用到了武器系統，航空產品和通訊產品中。微波器件組成的系統對功能和相應的技術指標有很高要求，對構成系統的每個微波器件功能和技術指標要求也很高。因此元器件制造商和設計工程師需要對每個部件性能進行規劃和參數測試，才能保證整個系統穩定正常的工作。

2 需求

通常，人們將工作在微波波段（頻率為300MHz～300000MHz）的器件，稱為微波器件。目前，常用的微波器種類很多，有功率合成/分配器、隔離器、濾波器、波導組件、射頻開關、微波放大器、微波晶體管等，由此被廣泛應用于雷達、電子戰系統和通信系統。

隨著武器系統、航空產品和通訊產品的小型化、快速化、精細化的需求，微波器件的材料和工藝不斷更新換代，非同軸微波器件越來越多的涌現出來。實現非同軸微波器件的準確測試變的日益重要。想要實現非同軸微波器件的準確測試，測試夾具的合理設計至關重要。在實際測試過程中，由于測試夾具設計不合理，造成測試結果有誤的例子時有發生，甚至有時還會損傷被測微波器件和測試設備，因此合理設計夾具是實現微波器件準確測試的關鍵所在［1～2］。

3 微波器件測試原理

目前，微波器件的測試除了需要測試夾具，還需要有測試設備和測試電纜。常用的測試設備有網絡分析儀、信號分析儀和信號發生器等，常見的測試為網絡分析儀通過半剛性同軸電纜組件連接測試夾具的方式對非同軸微波器件進行測試。如圖1所示。整個測試系統主要由矢量網絡分析儀、專用測試夾具（含專用校準件）、半剛性同軸電纜組件和被測微波器件組成［3～4］。

圖1 微波器件測試原理圖

4 非同軸微波器件夾具設計方法

微波器件種類很多，有同軸微波器件和非同軸微波器件。非同軸微波器件有多種封裝，例如圖2中表貼封裝、帶線封裝或者插針封裝等。這些封裝類型微波器件不能直接與同軸接口形式的矢量網絡分析儀連接進行測試，需要工程師設計和制作與器件相匹配的測試夾具。在非同軸微波器件測試時，由于非同軸微波器件本身的特殊封裝與高頻特性，以及測試時的非焊接要求，因此非同軸微波器件的夾具需要具備高精度、高可靠性、高重復性、使用方面等多重特點。在夾具設計時需要從夾具結構、夾具電路兩個方面進行設計。文章接下來將從夾具結構設計和夾具電路設計兩個方面介紹夾具設計方法，實現器件準確穩定的測試。

圖2 非同軸微波器件封裝圖

4.1 夾具結構設計

在測試非同軸微波器件時，由于被測器件封裝各異，所以測試夾具需要滿足各種封裝器件的測試要求，同時測試夾具使用頻率較高，還需要滿足耐磨損，易操作的使用要求。在實際應用時，夾具通常按照圖3的結構進行設計，首先設計一個共用的平臺，然后針對不同封裝的器件設計不同的載片。當測試不同封裝器件時，只需要更換相應的載片，即可以完成相應的測試連接。這個共用的平臺通過射頻同軸轉接器與網絡分析儀的半剛性電纜組件相接，通過微帶線與載片相接，實現對器件的測試。同軸至微帶的轉接是指射頻同軸轉接器內接射頻探針與微帶線相連的部分。通常情況下，為了保證器件測試時安裝方便、測試可靠，會在載片上方增加一個彈性的壓接上蓋，將被測器件壓緊，以增加測試可靠性［5～7］。

圖3 測試夾具結構圖

4.2 夾具電路設計

夾具的電路設計是夾具設計的關鍵，夾具的阻抗匹配是夾具電路設計的關鍵。由于夾具本身具有一定插入損耗和相位延遲，夾具制作時所采用的材料和工藝一定會影響系統的特性阻抗，因此需要在夾具電路設計時計算好夾具的特性阻抗。本設計中將夾具分為三個部分，同軸部分，微帶部分，同軸與微帶相接部分，如圖4所示［5，8］。

圖4 測試夾具電路等效圖

在測試夾具等效電路中，SMA同軸部分可以看作特性阻抗為50Ω的同軸傳輸線。微帶線的的特性阻抗可以通過計算模型得到，如圖5所示，特性阻抗的計算公式如下：

圖5 微帶線特性阻抗計算模型圖

其中Z0是微帶線的特性阻抗，w是印制導線寬度，t是印制導線厚度，h是電介質厚度，c是印制導線之間的距離，εr是印制電路板電介質的相對介電常數。

在非同軸微波器件的測試夾具中，微帶線一般都設計成阻抗為50Ω，微帶線模型如圖6。微帶線的特征阻抗的值由微帶線的寬度W，PCB板的電介質常數εr，PCB板的厚度H，銅箔厚度T等參數決定。在材料一定的情況下，特性阻抗只取決于微帶線的寬度［9～11］。

圖6 50Ω微帶線模型圖

除此之外，同軸與微帶轉接的射頻特性主要由寄生效應決定，該寄生可以用一個由電容C和電感L構成的L形網絡等效。電容用來表示轉接部分的寄生電容以及邊緣電容，電感表示轉接部分的寄生電感。電感與電容共同構成一個電容量隨頻率變化的可變電容結構，用來模擬實際中寄生電容量與頻率的變化關系。同時轉接處還會存在微小的接觸電阻，也一并等效到L形網絡中。可以通過去嵌入同軸傳輸線以及微帶傳輸線的影響得到L型網絡的各個參數值［5］。

當包括夾具在內的整個測試系統中出現阻抗不匹配時，可以使用變壓器做阻抗轉換實現阻抗匹配，也可以考慮使用串聯/并聯電容或電感的方式，或者考慮串聯/并聯電阻的方法來實現阻抗匹配，這些方法在調試射頻電路中經常使用。

值得注意的是，在夾具設計完畢后，定制生產時還要選擇好夾具的生產材料，一般共用平臺整體采用黃銅加工，表面鍍金處理，微帶線及載片導線部分也均采取鍍金處理［5，8］。

5 夾具校準設計

夾具設計只能解決被測器件連接問題，要真正得到被測器件的真實S參數，還需要考慮包括夾具在內的測試系統校準問題。校準問題的關鍵是要解決夾具的校準，在技術上主要是解決針對于夾具中非同軸部分的校準問題。

網絡分析儀提供的標準校準件只能完成同軸端口的校準，對于非同軸接口的夾具部分則無法直接校準，所以非同軸微波器件測試的結果是被測器件和測試夾具的性能。測試夾具的損耗、相位延時、阻抗的失配等因素肯定會影響到測試結果的精度。針對這樣產生的測量誤差，需要采用相應的技術措施去除測試夾具的影響，從而得到被測器件的真實性能。

消除測試夾具影響的方法通常有以下4種，分別是端口延伸法、夾具上校準法、利用時間域和時間門功能的方法和去嵌入處理法［12］。

5.1 端口延伸法

端口延伸法是消除測試夾具最簡單的方法，它是通過數字運算將網絡分析儀的校準面延伸到被測件的測試端面，如圖7。相當于對相位增加一個偏移量。使用端口延伸的前提是測試夾具模型具有線性相位特性，阻抗與儀表特性阻抗相同，網絡分析儀可以補償夾具的相位延遲和功率損耗。端口延伸的延遲參數要保證校準面精確延伸到被測器件測試端面。

圖7 測試端面圖

在網絡分析儀和測試夾具連接的同軸接口處進行雙端口校準，消除儀表的系統誤差，確定校準面。連接測試夾具，然后把測試夾具上被測件安裝位置處短路。網絡分析儀表測試狀態設置為反射參數S11，S11顯示方式為史密斯圓圖和相位，讀出測試端口阻抗和反射相位值。調整端口延時設值，直到網絡分析儀史密斯圓圖指示為短路位置，此時相位值應該為180°。這說明校準面已經被延伸到被測件安裝端面，此時，校準面等于測試面。

這種方法實現簡單，但不能消除夾具失配反射的影響，所以測試精度不高。如果被測試件的反射和損耗性能明顯低于測試夾具水平，可以使用端口延伸方法。

5.2 夾具上校準

這是徹底解決精確夾具上器件的測試問題的方法，通過測試夾具上標準件的測試，可以完全消除測試夾具和儀表的系統誤差，這時候，可以把測試夾具和測試儀表看成一個整體。但夾具上校準需要設計實現高精度的夾具上校準件，實現難度大。這種方法在實際測試過程中用得不多。

5.3 利用時間域和時間門功能

時間域和時間門功能可以消除測試夾具的反射影響，但不能消除夾具的損耗影響。如果測試夾具損耗與被測件相比明顯低，可以使用該方法。

5.4 去嵌入處理

去嵌入處理的關鍵是首先需建立測試夾具的精確數學模型，并得到其參數。現在ADS軟件可以方便地完成電路的建模工作。然后根據測試夾具和儀表的連接狀態，確定需要進行處理的儀表端口。接下來將外圍轉接電路的模型參數文件輸入到儀表內，電路參數文件為touchstone，文件形式為.s2p。最后，啟動去嵌入處理功能（De-Embeding：On）。利用這種方法，可以大大提高電路設計精度，依靠仿真軟件的分析功可以為具體測試電路實現提供依據和指導［13～15］。

6 結語

本文介紹了非同軸微波器件測試夾具的設計方法，包括結構設計方法和電路設計方法，并且介紹了測試夾具的校準方法。設計合理優良的測試夾具不僅能提高測試的精度，而且能提高器件的測試效率。隨著越來越多非同軸微波器件的選用，實現快速準確的非同軸微波器件測試迫在眉睫，非同軸微波器件測試夾具的設計直接影響了非同軸微波器件測試的可靠性。本文提出的夾具結構設計、電路設計方法，和校準方法可以有效地指導非同軸微波器件測試夾具的設計，有助于實現非同軸微波器件的可靠性測試。