在片共面波导多线TRL校准件的设计与准确定义方法

摘要

本发明公开了一种在片共面波导多线TRL校准件的设计与准确定义方法，涉及散射参数校准技术领域。该方法包括：根据算法分析及工艺加工能力设定多线TRL校准件传输线在目标频带下的几何尺寸及个数，并制作多线TRL校准件；测量多线TRL校准件的几何量；通过测量多线TRL校准件传输线的线电容，并结合传播常数得到多线TRL校准件传输线的特征阻抗。上述在片共面波导多线TRL校准件的设计与准确定义方法给出了传输线长度、导体厚度的选取准则，实现多线TRL校准件的准确定义，且经验证多线TRL校准件设计合理，准确度较高。

说明书

技术领域

本发明涉及在片散射参数校准技术领域，特别是涉及一种在片共面波导多线TRL校准件的设计及准确定义方法。

背景技术

VNA(Vector Network Analyzer，矢量网络分析仪)是射频微波测量领域最重要的测量仪器，主要用来测量元器件的散射参数(S参数)，进一步可以推导出增益、匹配、阻抗和隔离性等其它参数。由于矢网采用测量已知参数的校准件的方法进行矢量修正，可大大提高原始硬件测量性能。可见，校准件参数本身能否准确定义决定了矢网测量的准确度。

矢网进行S参数测量需要明确系统的特征阻抗(一般为50Ω)，所测S参数才有意义。系统特征阻抗一般由校准件决定，例如负载、传输线等。对于同轴校准件，通过测量内外导体的直径可精确计算得到其特征阻抗；而对于在片校准件，例如共面波导型TRL(Transistor Resistor Logic，晶体管电阻逻辑)校准件，其特征阻抗并不容易获得，也是校准误差的重要来源。目前，获取准TEM波传输线电磁参数的主要方法为理论计算，但该方法准确度不高(5％左右)，对于准确度最高的多线TRL校准应用来讲，是无法满足使用要求的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种在片共面波导多线TRL校准件的设计与准确定义方法，实现了多线TRL校准件的准确定义，且准确度较高。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种在片共面波导多线TRL校准件的设计与准确定义方法，包括以下步骤：

1)根据算法分析及工艺加工能力设计多线TRL校准件传输线在目标频带下的几何尺寸及个数，并制作多线TRL校准件；

2)测量所述多线TRL校准件的几何量；

3)通过测量所述多线TRL校准件传输线的线电容，并结合传播常数得到所述多线TRL校准件传输线的特征阻抗。

优选的，步骤1)中，多线TRL校准件传输线的个数为若干个；最长传输线的线长为工艺加工的最长线长，直通线长的范围为200μm～500μm，其他传输线的线长为所述目标频带中若干个频点波长长度的1/4，并根据有效相位差计算的归一化标准偏差大小，对传输线长度进行微调。

优选的，所述其他传输线的线长为所述目标频带中若干个频点波长长度的1/4包括：

以所述目标频带的中心频点所对应波长的1/4长度为传输线的线长；

以所述目标频带的中心频点和最高频点之间一个频点所对应波长的1/4长度作为传输线的线长；

以所述目标频带的中心频点与最低频点之间一个以上的频点所对应波长的1/4长度作为传输线的线长。

优选的，所述多线TRL校准件传输线的个数为3～6个。

优选的，在步骤1)和2)之间还包括：

将制作出的多线TRL校准件固定在设置有吸波材料的载玻片上。

优选的，步骤2)包括：

对长度或宽带小于600μm的传输线采用激光共焦显微镜测量；

对长度或宽带大于600μm的传输线采用测量显微镜测量；

对所述多线TRL校准件的导体厚度采用台阶仪测量。

优选的，步骤3)包括：

通过有效介电常数变化量的方法确定频率测量下限，通过直流电阻及反射系数测量并进行外推得到所述多线TRL校准件传输线的线电容；

结合传播常数和所述多线TRL校准件传输线的线电容，得到所述多线TRL校准件传输线的特征阻抗。

优选的，还包括：4)对所述多线TRL校准件进行验证。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：上述在片共面波导多线TRL校准件的设计与准确定义方法，根据算法分析及工艺加工能力设定多线TRL校准件传输线在目标频带下的几何尺寸及个数，并制作多线TRL校准件，然后测量多线TRL校准件的几何量，并通过测量多线TRL校准件传输线的线电容，并结合传播常数得到多线TRL校准件传输线的特征阻抗，给出了传输线长度、导体厚度的选取准则，实现多线TRL校准件的准确定义，且经验证多线TRL校准件设计合理，准确度较高。

附图说明

图1是本发明在片共面波导多线TRL校准件的设计与准确定义方法一个实施例中的流程示意图；

图2是本发明一个实施例中TRL校准件归一化标准差的计算结果示意图；

图3是图1中步骤S300一个实施例中的流程示意图；

图4是本发明一个实施例中未垫吸波材料时测量传播常数的曲线结果图；

图5是本发明一个实施例中未垫吸波材料时测量传输参数的曲线结果图；

图6是本发明一个实施例中垫有吸波材料时测量传播常数的曲线结果图；

图7是本发明一个实施例中垫有吸波材料时测量传输参数的曲线结果图；

图8是广义电路参数示意图；

图9是本发明一个实施例中采用短路器测量电阻的示意图；

图10是本发明一个实施例中采用直流探针测量电阻的示意图；

图11是本发明一个实施例中不同系统参考阻抗对测量结果的影响；

图12是本发明一个实施例中参考面移动前反射系数的测量结果；

图13是本发明一个实施例中参考面移动后反射系数的测量结果；

图14是本发明一个实施例中相对有效介电常数变化趋势；

图15是本发明一个实施例中GA1312L线电容外推测量结果；

图16是本发明一个实施例中使用GA1312L校准并测量10dB检验件散射参数的曲线结果图；

图17是本发明一个实施例中传输线标准横截面示意图；

图18是本发明一个实施例中采用ADS工具linecalc计算特征阻抗的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1所示，一个实施例中，在片共面波导多线TRL校准件的设计与准确定义方法可以包括以下步骤：

S100，根据算法分析及工艺加工能力设定多线TRL校准件传输线在目标频带下的几何尺寸及个数，并制作多线TRL校准件。

其中，多线TRL校准件传输线的个数可以为若干个。

多线TRL校准件传输线的特征阻抗由中心导体宽度及厚度、中心导体与地导体间距、地导体宽度等因素决定，因此传输线线长尺寸可任意调整，传输线厚度尺寸可小幅调整。根据多线TRL校准算法，传播常数的不确定度与传输线的线长差及衰减量成反比，在工艺允许的情况下，将传输线的长度设计尽可能长，衰减尽可定能大(通过减小中心导体厚度、宽度实现)。另一方面，传输线的加工工艺限制了线的长度，主要考虑传输线的表面粗糙度及线的平直度指标(需保障多跟传输线间的阻抗一致性)。而耐磨度限制了传输线的厚度。

根据以上原则，首先根据工艺能力确定最长传输线的线长。本实施例中，最长传输线的线长为40.250μm，直通线的范围为200μm～500μm，其他传输线的线长为目标频带中若干个频点波长长度的1/4。

作为一种可实施方式，其他传输线的线长可以按照以下方法设计：

以目标频带的中心频点所对应波长的1/4长度为传输线的线长。以目标频带的中心频点和最高频点之间一个频点所对应波长的1/4长度作为传输线的线长。以目标频带的中心频点与最低频点之间一个以上的频点所对应波长的1/4长度作为传输线的线长。并根据有效相位差计算的归一化标准偏差大小，对传输线长度进行微调。微调的目的是消除个别点可能出现的有效相位差不理想。微调的范围可以根据具体需要进行调整，例如微调可以为±2％左右范围内的数值。例如设计长度20250um，计算发现在某些频点使用该线时，有效相位差较差(如30°)。此时就需要调整线长，如调整到20200um，重新计算发现有效相位差达到60°。

一般情况下，在目标频带的中心频点和最高频点间选取一个频点即可，该频点对应波长的1/4长度即为一根传输线的线长。在中心频点与最低频点之间间可适当选取若干个频点，每个频点对应波长的1/4长度对应一根传输线的线长。

关于传输线个数的选取：同样根据多线TRL校准算法，传播常数还与每个频点上传输线间的有效相位差有关系(有效相位差90°引入的标准偏差最小，0°和180°偏差最大)。如果选取尽可能多的传输线，每个频点由于有效相位差引入的不确定度会减小，但会导致测试连接的繁琐，因此必须折中考虑传输线的个数。一般，多线TRL校准件传输线个数选3-6条比较合适。此外，可通过逐个频点计算归一化标准偏差(两条线长的相位差90°时定义为1)尽可能的小。

以目标频带为0.1GHz-40GHz频段为例，选取的线长(根据工艺能力)分别为：250μm(直通线)，2500μm(对应30GHz)，3750μm(对应频段中心频率20GHz)，7500μm(对应10GHz)，20150μm(根据标准偏差进行微调后结果)，40250μm(最长加工能力)；厚度选350nm。经计算标准偏差如图2所示。

S200，测量多线TRL校准件的几何量。

其中，对长度或宽带小于600μm的传输线采用激光共焦显微镜测量。对长度大于600μm的传输线采用测量显微镜测量。对多线TRL校准件的导体厚度采用台阶仪测量。

测量线长是为了得到准确的有效相位差(线长差与有效相位差可换算)。测量其它几何尺寸：设计传输线时，为了得到尽量接近50欧姆的特征阻抗，需要通过仿真得到一组设计尺寸，最后通过测量得到真实数据与设计数据偏差，可用于判断设计传输线偏离50欧姆特征阻抗的程度。例如：厚度设计值为350nm，测量值为350.5nm。更重要的，是要观测各传输线的尺寸是否一致(多线TRL要求多根传输线特征阻抗要一致)。另外，还可用于分析校准件不理想引入的测量不确定度。

一个实施例中，测量以GaAs为衬底的多线校准件GA1312L，分别为Thru，Line 1-Line5，SHORT以及相应端接电阻等图形。对长度或宽带小于600μm的采用激光共焦显微镜测量，对长度或宽带大于600μm的采用测量显微镜测量，测量精度可达±2μm。对多线TRL校准件的导体厚度采用台阶仪测量，测量精度为±3纳米。传输线长度依次为250μm，2500.3μm，3750.2μm，7500μm，20150.3μm，40250.5μm。GaAs衬底厚度为550.5μm，每条传输线标准的中心导体宽度w为60.0μm，厚度为350.5nm，中心导体与地导体间距s为42μm，地导体宽度wg为261.5μm。通过开发算法软件对多线TRL进行SM测量，并得到误差项。

进一步的，在步骤S100和S200之间，在片共面波导多线TRL校准件的设计与准确定义方法还可以包括：

S200′，将制作出的多线TRL校准件固定在设置有吸波材料的载玻片上。

具体的，参见图3至图6。图3和图5的横坐标为频率，单位为GHz；纵坐标为dB/cm。图4和图6的横坐标为频率，单位为GHz；纵坐标为dB。图3和图4是未加吸波材料前测量传播常数及未校准的传输参数数据。由图3和图4可知，在8mm频段由于谐振和表面波的影响导致的数据抖动非常明显。图5和图6是增加对应的8mm频段的吸波材料后测得的数据。由图5和图6可知，抖动明显得到改善。

由此可见，采用吸波材料能够有效地减小谐振和表面波带来的影响，提高多线TRL校准件的硬件性能。

S300，通过测量多线TRL校准件传输线的线电容，并结合传播常数得到多线TRL校准件传输线的特征阻抗。

参见图2，一个实施例中，步骤S300可以包括以下步骤：

S310，通过有效介电常数变化量的方法确定频率测量下限，通过直流电阻及反射系数测量并进行外推得到多线TRL校准件传输线的线电容。

其中，为了将多线TRL校准件的阻抗归一化到50Ω，需要知道传输线的特征阻抗值，对于低介质损耗的校准件可通过测量线电容C及传播常数得到。线电容C的测量不确定度包括传输线直流电阻Rdc测量不确定度，以及步骤200所进行的反射系数s11测量引入的不确定度。具体线电容C的测量过程如下所述：

通过内嵌在传输线标准上的负载的集总参数计算得到，对任意传输线模式，广义的分部参数C，G，R，L如图7所示的广义电路参数。

特性阻抗Z及传播常数γ之间有如下定义关系：

$\frac{\gamma }{Z}=j\omega C+G---\left(1\right)$

对于低频段的集总电阻来说，

$Z\frac{1+{\Gamma }_{load}}{1-{\Gamma }_{load}}\equiv Z_{load}\approx R_{load,dc}---\left(2\right)$

其中，R_load,dc为负载的直流电阻，Γ_load是负载的反射系数，是中间测量量。将公式(2)带入公式(1)得到：

$C\approx \frac{1}{R_{load,dc}}\mathrm{Re}\left(\frac{\gamma }{jw}\frac{1+{\Gamma }_{load}}{1-{\Gamma }_{load}}\right)---\left(3\right)$

其中，传播常数γ可由多线TRL算法计算得到，因此关键是要准确测得中间量直流电阻R_load,dc以及电阻端面反射系数Γ_load。

关于直流电阻R_load,dc，所测量端接电阻的图形包括了一段延迟线，为了得到电阻本身的测量值，需采用去嵌入的方法将测量端面去嵌入到电阻输入端面。有两种方法，一种是制作与其引线相同长度的短路器，如图8所示，采用微波探针测量短路器的方法，消除引线的影响。测量嵌入电阻的阻值为：53.528Ω，测量短路器阻值为0.883Ω，得到实际阻值为52.645Ω。准确度非常高(2×10^-5Ω)。在没有相应短路器情况下，另一种准确度不高的方法是采用直流探针进行电阻测量，采用开尔文四线法消除线缆引入的损耗，测量压点如图9中B、C处所示，所测量电阻值为63.254Ω。但后一种方法由于压点的不确定性导致准确度及一致性不高。

关于电阻的反射系数Γ_load测量是一个关键因素，反射系数Γ_load是电阻的阻抗与传输线之间的阻抗不一致所产生的反射。因此，测量其反射系数就不能使用传统的SOLT进行校准，而需使用TRL或多线TRL进行在片矢网的校准，并且选择将系统阻抗归一化为未知的阻抗(线阻抗)。这样测量得到的才是所需的反射系数Γ_load，如图10所示，在低频下(小于1GHz)，反射系数差别很大。图10中，横坐标为频率，单位为GHz；纵坐标为角度(Degrees)。

此外，由于测量反射系数参考面与被测电阻端面不同，必须采用参考面移动的方法得到真实的被测件反射系数，我们编制了参考面移动算法软件。图11和图12为参考面移动前后的测量结果对比。可见相位的影响还是较大的。图11和图12中，横坐标为频率，单位为GHz；纵坐标为Magnitude(线性幅度)。

由于最长的传输线与直通的线长差限制了频率测量的下限，因此关键是需要确定传输线电容能够测量的频率下限，最后根据测得的直流电阻及反射系数通过外推拟合得到直流下的线电容。通过测量，有效介电常数在10MHz以下变化剧烈，对传播常数有明显影响，对最终校准结果影响较大，如图13所示。因此使用E5071C矢量网络分析仪在10MHz-1GHz频率范围测量电阻的反射系数Γ_load。图13中，横坐标为频率，单位为MHz；纵坐标为有效介电常数。

在频率10MHz-100MHz频段，线电容C符合二次函数，利用最小二乘法拟合二次方程，并借助matlab得到如图14所示的线电容C与频率间的测量结果以及外推拟合结果测量曲线。通过外推得到校准件GA1312L的线电容C的为值为1.7859pF/cm。图14中，横坐标为频率，单位为GHz；纵坐标为线电容，单位为pF/cm。

S320，结合传播常数和多线TRL校准件传输线的线电容，得到多线TRL校准件传输线的特征阻抗。

S400，对多线TRL校准件进行验证。

其中，为了验证校准件设计合理性与定义的准确性，可以采用校准件GA1312L结合软件winCal对在片矢网进行归一化到50Ω的多线TRL校准，并测量美国NIST参考物质RM8130上的10dB衰减器检验件，与其结果进行对比验证，如图15所示。通过对比，多线TRL校准件的反射系数相差±0.01，传输相差±0.06dB，相位相差±0.5°，且都小于检验件的误差限，验证了多线TRL校准件定义的准确性。图15中，左上角的图的横坐标为频率，单位为GHz；纵坐标为Magnitude。右上角的图的横坐标为频率，单位为GHz；纵坐标为角度(Degrees)。左下角的图的横坐标为频率，单位为GHz；纵坐标为dB。右下角的图的横坐标为频率，单位为GHz；纵坐标为角度(Degrees)。

具体操作过程中，关于多线TRL校准件设计的具体步骤可以如下：

首先，设计仿真环境。操作系统：Microsoft Windows XP Professional 2002，Service Pack 3；版图制作软件：L-Edit v15.0(32-bit)。

其次，设计流程。

1)确定工艺

2)确定传输线标准的横截面尺寸及衬底特性

3)长度选择

4)版图设计

5)版图合并

然后，工艺确定。

由于我们所制作的“在片传递校准件”为无源的衰减器，因此使用无源单片制作工艺，采用共面波导(CPW)形式。

接着，确定传输线标准的横截面尺寸及衬底特性。

为保证传输线标准的特征阻抗最大程度接近50Ω，采用ADS工具linecalc计算特征阻抗。其中传输线标准横截面如图16所示，仿真结果如图17所示。由图17可以看出，共面波导传输线标准的几何尺寸为：w＝64μm，s＝42μm，wg＝261.5μm，金属电导率cond＝4.1E6S/m，衬底选择GaAs，介电常数12.9，损耗正切角0.002。

然后，进行传输线长度选择。

为覆盖相应的频率范围，并结合算法，传输线标准的长度分别为250μm，2500μm，3750μm，7500μm，20150μm，40250μm。

接着，进行版图设计。

在L-edit里面利用画图工具根据相应的工艺规则直接绘画而成。其它传输线标准只是在长度上有差别，其它都一致。其余反射标准的设计都是根据步骤S100中相应的尺寸设计。50Ω采用两个100Ω电阻并联而成。还有一个63欧姆的电阻，用来测试线电容使用。

最后，进行版图合成。

上述在片共面波导多线TRL校准件的设计与准确定义方法，以在片散射参数校准用多线TRL校准件的设计和准确定义为研究对象，从算法出发，对校准件的几何尺寸进行设计，给出设计准则。并采用吸波材料来减小由于谐振和表面波的影响，提高校准件硬件性能。通过测量端接电阻及测量反射系数的方法，特别是通过有效介电常数变化量的方法确定频率测量下限，进行外推得到直流下的线电容，最终得到传输线的特征阻抗。采用设计并定义的多线TRL校准件对在片矢网校准后，测量美国NIST参考物质，与其数据吻合非常好，证明校准件设计及定义符合预期指标。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。