T/R阵列自动测试系统去嵌入技术研究

彭安虎， 韩周安， 李志强

(1. 电子科技大学，四川 成都 610000; 2. 成都爱科特科技发展有限公司，四川 成都 610000)

0 引 言

T/R组件是构成相控阵雷达的基础，是相控阵雷达的核心部件，一部雷达中通常有几百个甚至更多T/R组件[1]。T/R组件的各项指标直接影响雷达的整机指标，在T/R组件研制前期以及大规模批量生产阶段，大量全面的电性能指标测试是必需的[2-3]。传统测试方法自动化程度低，多为手工操作测试，测试过程相当繁琐，需进行大量的重复测试，并且测试数量繁多、测试数据统计量大，测试覆盖大量的频点、通道，涉及的测试指标包含移相、衰减、噪声系数等复杂指标[4]。为满足T/R组件的测试需求，T/R组件自动测试系统已广泛应用于T/R组件的研发生产、维修调试过程。

近年来，随着雷达技术的发展，T/R组件呈现出多通道、高频段、高性能的特点，为满足相应的测试需求，多通道、多组件、高精度T/R测试系统的研制显得愈发重要。T/R测试系统为实现自动测试的目的，不可避免地会引入额外的线缆、矩阵开关等嵌入网络，如何保证在嵌入网络的影响下，准确获取待测件的真实指标是保证测试系统精度的关键。目前的去嵌入技术研究主要集中在非同轴环境和非插入式器件的测量，对于非同轴环境的测量，例如PCB上表贴器件、片上晶圆测试等，比较常用的方法为 AFR（automatic fixture removal）、LRL（line -reflect-line）等去嵌入技术，而对于非插入式器件的测量主要有夹具建模、基于端口延伸的SOLT（shortopen-load-thru）校准等手段实现去嵌入[5]。目前的去嵌入方法在进行去嵌入时，关注的是单台仪器的通道去嵌入问题，没有考虑大规模通道去嵌入的情况。为了消除T/R阵列自动测试系统中嵌入网络的影响，目前主要采用基于端口延伸的SOLT校准方式，即在测量端面进行矢量网络分析仪的校准，把嵌入网络当作矢量网络分析的系统误差进行消除，该方法操作步骤简单，无需进行额外的标准件制作[6]，但随着测试通道数增加，需进行大量的重复校准工作。传统上对于T/R测试系统的校准是采用单台仪器分别进行计量校准和系统功能检查来完成的，这种方法存在的弊端：首先是工作量大，费时费力；其次是投入的标准设备多，无法解决现场校准问题[7]。大量的重复性校准过程导致校准效率低，同时容易引入重复性误差和造成校准件的严重磨损，而重复性、稳定性是测试系统能够满足精度要求的基本条件[8]。

本文针对T/R组件自动测试系统中的链路校准问题，设计了TRL标准件，并实现了TRL校准算法，运用该方法对含有嵌入网络的滤波器模型实现去嵌入。对于多通道的盲拔插T/R阵列自动测试系统，根据阵列规模的大小，可直接采用所设计的标准件，制成相应通道的去嵌入套件，能实现极少次物理连接就可去嵌入所有通道。

1 T/R阵列测试系统误差模型分析

T/R阵列自动测试系统测试链路主要包括射频线缆、矩阵开关两个嵌入网络，只有通过矢量网络分析仪完成该部分的去嵌入工作，才能保证测试系统中其他测试仪器的正常测试。系统拓扑图如图1所示。

图1 系统拓扑图

对于T/R阵列自动测试系统的嵌入网络可以分为嵌入网络L、嵌入网络R两部分，整个系统的测试链路可以等效为如图2所式的二端口网络级联。

图2 S参数形式8项误差模型

图2给出了由嵌入网络引入的8项误差模型。

式(1)和式(2)表示由嵌入网络引入的各个误差项，执行去嵌入的过程实质就是对各个误差项进行求解的过程。嵌入网络L、嵌入网络R、待测件三者级联后的S参数可以通过矢量网络分析仪测量得到。

为实现T/R阵列自动测试系统的去嵌入，需要通过标准件的辅助测试，才能完成对嵌入网络的8个误差项的求解。与采用传统的端口延伸SOLT校准相比，TRL校准是准确度更高的校准方式，尤其适合于非同轴环境测量。本文为解决T/R阵列自动测试系统的去嵌入问题，采用更高精度的基于TRL标准件的去嵌入方式。

2 TRL标准件设计

2.1 测试系统特性分析

由于很少有直接的TRL标准件的存在，一般要求用户根据嵌入网络的材料及物理尺寸、特性阻抗、工作频率等来设计制造出相应的标准件[6]。本文针对的T/R阵列自动测试系统，其待测件工作频率为14～ 18 GHz，矩阵开关在嵌入网络中起主导作用，系统输入输出阻抗为50 Ω。为保证与嵌入网络的特性阻抗保持一致，TRL标准件的板材选取Rogers4350B，介质层厚度为 0.254 mm，金属层厚度为 35 µm，介电常数为 3.66，损耗因子为 0.0037（@10 GHz）。该印制板是高频板材中较为常用的一种，加工工艺相对成熟，能保证制作TRL去嵌入套件的工程可行性。

2.2 直通标准件T设计

理想的直通标准件电气长度为0，无损耗，无反射，传输系数为1；电气长度不为0时，直通标准件的特性阻抗必须和延迟线标准件相同，无需知道损耗，如果作为参考测量面，电气长度具体值必须知道，如果此时群时延设为0，则参考测量面位于直通标准件的中间[9-13]。

考虑到加工工艺和后期TRL去嵌入套件的设计，本设计采用非0电长度的形式，特性阻抗与延迟线保持一致，且考虑反射标准件的反射相位要求，直通标准件的物理长度设计为22.07 mm，图3是直通标准件在HFSS中的仿真模型。

图3 直通标准件T仿真模型

直通标准件仿真结果如图4所示，S11<–30 dB，驻波比<1.06，工作频带内插损小于0.21 dB，满足设计要求。

图4 直通标准件T仿真结果

2.3 反射标准件R设计

反射标准件的反射系数相位必须在±90°以内，反射系数最好接近1，所有端口上的反射系数必须相同，如果用作参考测量面，相位响应必须知道[9-13]。

本设计中用作测量参考面的是直通标准件，反射标准件采用开路方式实现，其特性阻抗与直通和延迟线标准件保持一致，为满足反射系数的相位要求，其物理长度设计为11.035 mm，是直通标准件的一半，图5是反射标准件在HFSS中的仿真模型。

图5 反射标准件R仿真模型

反射标准件仿真结果如图6所示，工作频带内，反射系数>0.975，反射系数相位在±89.3°之间，满足设计要求。

图6 反射标准件R仿真结果

2.4 延迟线标准件L设计

延迟线的特性阻抗作为测量时的参考阻抗，系统阻抗定义为和延迟线特性阻抗一致。延迟线标准件和直通之间的插入相位差值必须在20°～ 160°之间或–160°～ –20°之间，如果相位差值接近 0°或者180°时，由于正切函数的特性，很容易造成相位模糊。此外，最有效的相位差值一般取1/4波长或90°[9-13]。图7是延迟线标准件在HFSS中的仿真模型。为保证去嵌入的精度，当中心频率与校准带宽比值超过8∶1时需要使用多根延迟线。本设计中仅使用一根延迟线。为保证与直通标准件的相位关系，延迟线的物理长度设计为24.14 mm，3种标准件的特性阻抗一致。

图7 延迟线标准件L仿真模型

延迟线标准件仿真结果如图8所示，工作频带内，S11<–30 dB，驻波比<1.06，插损<0.225 dB，与直通标准件的相位差在50°～ 75°之间，虽然没有达到最优的90°相位差的要求，但已满足设计要求。

图8 延迟线标准件L仿真结果

3 TRL去嵌入算法实现

在进行去嵌入之前，先对T/R阵列自动测试系统中的矢量网络分析仪进行一次SOLT自校准，消除矢量网络分析仪自身的系统误差。之后，开始T/R阵列测试系统的去嵌入过程，连接TRL标准件，用该自动测试系统分别测试接入直通、反射、延迟线标准件时的S参数，分别记作、、，为方便去嵌入过程中的参数级联运算，需要进行参数间的转换，此处将S参数转换为T参数，其转换关系如下式所示：

表1给出了在去嵌入过程中需要用到的各组成部分的T参数表达式。

表1 系统各组成部分T参数矩阵

4 去嵌入结果分析

为验证所设计的TRL标准件及去嵌入算法的正确性，选取一个带通滤波器模型作为待测件，中心频率 16 GHz，3 dB 带宽为 2.2 GHz，带内波动小于0.3 dB，带外抑制度大于13 dB。所选取的嵌入网络插损大于4 dB，输入输出端口驻波比小于1.2，特性阻抗与待测件的特性阻抗相近但不相等，存在较小失配，符合实际情况。待测件的反射参数去嵌入结果如图9和图10所示。

图9 S11幅度去嵌入结果对比

图10 S11相位去嵌入结果对比

S11的去嵌入结果表明，去嵌入后S11的幅值与待测件幅值基本一致，去嵌入后的S11相位在滤波器的工作频段内与原始数据有较好的吻合。

待测件的传输指标去嵌入结果如图11和图12所示。

图11 S21幅度去嵌入结果对比

图12 S21相位去嵌入结果对比

S21的去嵌入结果对比表明，去嵌入后的S21幅度、相位在滤波器的工作频段内与原始数据有较好的吻合。去嵌入的S21幅度误差、驻波比误差如图13和图14所示。

图13 S21幅度误差

图14 VSWR误差

在整个去嵌入频段内S21的幅度误差小于0.2 dB，满足幅度测试误差需求，驻波比测试误差在校准频段内波动较大，但误差最大值不超过0.07，满足该T/R阵列自动测试系统的去嵌入准确度要求，传输相位测量误差≤2°。各项指标均达到预期的精度要求。

5 结束语

本文针对T/R阵列自动测试系统多通道、多嵌入网络的特点，介绍了一种基于TRL标准件的去嵌入技术，设计和实现相应的TRL标准件及去嵌入算法，通过仿真分析验证了该方法的正确性和可行性。该方法不需要用到目前采用的SOLT端口延伸方式一样高精度的校准件就能实现更高精度的去嵌入，能提升T/R阵列自动测试系统的校准准确度，其对标准件的加工工艺要求相对较小，生产成本较低。该方法不需要用到目前采用的SOLT端口延伸方式一样高精度的校准件就能实现更高精度的去嵌入，能提升T/R阵列自动测试系统的校准准确度，其对标准件的加工工艺要求相对较小，生产成本较低。该方法也能很好的适应T/R阵列多通道、多嵌入网络的特点，对不同组件、不同规模的T/R阵列自动测试系统，可根据其阻抗特性、组件结构、通道规模制成相应的去嵌入工具箱，最终实现工具箱的极少次物理连接就能去嵌入所有通道的嵌入网络，极大提升T/R阵列自动测试系统的校准效率，同时，还减少了校准件多次连接引入的重复性误差和标准件磨损引起的误差。