使用自動(dòng)夾具移除校準(zhǔn)技術(shù)對(duì)天線系統(tǒng)進(jìn)行精確仿真詳細(xì)講解

Electromagnetic Professional（EMPro）是Keysight EEsof EDA 的軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)，用于分析元器件的三維電磁場(chǎng)（EM）效應(yīng)，例如高速和射頻IC 封裝、封裝接線、天線、芯片上和芯片外嵌入式無(wú)源元件以及PCB 互連設(shè)備。EMPro 具有現(xiàn)代領(lǐng)先的設(shè)計(jì)、仿真和分析環(huán)境以及大容量仿真技術(shù)，并綜合了業(yè)界領(lǐng)先的射頻和微波電路設(shè)計(jì)環(huán)境――先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)（ADS），可用于快速高效地進(jìn)行射頻和微波電路設(shè)計(jì)。

背景

用戶在使用EMPro進(jìn)行工作站天線仿真時(shí)，不僅使用了天線的實(shí)體模型，還考慮了天線載體（機(jī)箱）的影響。

測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果在全頻段插損差距明顯，而且測(cè)試結(jié)果在高端有較為明顯諧振。比較測(cè)試對(duì)象和仿真模型，測(cè)試對(duì)象使用較長(zhǎng)的同軸線進(jìn)行饋電，而且同軸接頭在測(cè)試時(shí)并沒(méi)有進(jìn)行校準(zhǔn)；而仿真模型使用集總端口進(jìn)行饋電，完全沒(méi)有考慮饋線效應(yīng)。

為了使仿真模型盡可能接近測(cè)試對(duì)象，可以為天線加入接頭及同軸饋線。但這需要獲得測(cè)試接頭及同軸線的三維結(jié)構(gòu)文件及材料屬性，建模及校準(zhǔn)工作代價(jià)很高。

另一個(gè)辦法是對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)，提取接頭及同軸饋線的模型，并將其效應(yīng)加入到仿真結(jié)果中。使用自動(dòng)夾具移除（Automatic Fixture Removal）技術(shù)對(duì)接頭及同軸饋線的模型進(jìn)行快速且精確的提取。

自動(dòng)夾具移除（AFR）校準(zhǔn)技術(shù)

自動(dòng)夾具移除（AFR）校準(zhǔn)技術(shù)是一種提取準(zhǔn)確的寬帶夾具模型的簡(jiǎn)便方法。這種校準(zhǔn)技術(shù)可以被用于各種夾具和互連的結(jié)構(gòu)，例如轉(zhuǎn)接頭、芯片封裝、線纜、PCB印刷傳輸線以及通孔等互連結(jié)構(gòu)。這種校準(zhǔn)技術(shù)和傳統(tǒng)的TRL校準(zhǔn)技術(shù)一樣，擁有同樣的高精度校準(zhǔn)性能，在夾具制作時(shí)卻更容易實(shí)現(xiàn)。

下圖展示了一塊通孔作為被測(cè)件的測(cè)試板。通孔結(jié)構(gòu)作為被研究的對(duì)象在兩段均勻傳輸線的中間，傳輸線的兩端是SMA的轉(zhuǎn)接器，用來(lái)連接網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)量通孔的S參數(shù)。在這個(gè)例子中，我們關(guān)心的被測(cè)件是通孔。為了進(jìn)行測(cè)量，通孔處于夾具的中間（夾具包括SMA連接器以及連接通孔的傳輸線）。從藍(lán)色的TDR響應(yīng)曲線可以看出，SMA轉(zhuǎn)接器帶來(lái)了不可忽視的不連續(xù)性，傳輸線也不是完全均勻。在傳輸過(guò)程中可以觀測(cè)到阻抗的波動(dòng)及傳輸損耗。

如何把被測(cè)件的測(cè)量結(jié)果從整個(gè)測(cè)量結(jié)果（被測(cè)件加上夾具）中分離出來(lái)，是AFR校準(zhǔn)技術(shù)所要解決的問(wèn)題。

通常的AFR技術(shù)是在被測(cè)件兩邊的夾具是鏡像對(duì)稱的情況下實(shí)現(xiàn)的。在這樣的情況下，需要做一個(gè)夾具的校準(zhǔn)件用來(lái)提取夾具的S參數(shù)。校準(zhǔn)件的形式是把兩側(cè)的夾具直接連接在一起形成一個(gè)兩倍于單側(cè)夾具長(zhǎng)度的直通結(jié)構(gòu)。這種校準(zhǔn)件通常被叫做2X直通參考夾具，如下圖所示：

雖然單側(cè)的夾具并不是對(duì)稱的，但當(dāng)兩個(gè)對(duì)稱的夾具級(jí)聯(lián)后，新的2X直通參考夾具校準(zhǔn)件是鏡像對(duì)稱的。所以通過(guò)測(cè)試得到的校準(zhǔn)件的S參數(shù)中，S11=S22，S21=S12，可以得到兩個(gè)已知量，但并不足求解出單側(cè)夾具S參數(shù)（S21A=S12A）的三個(gè)未知量，如下圖所示。

而AFR技術(shù)基于2X直通參考夾具校準(zhǔn)件的中間包含一段均勻的傳輸線這一特性，通過(guò)采用時(shí)域信號(hào)處理的方法可以提取出夾具的S11A和S22B。借助多出來(lái)的一個(gè)已知量，單側(cè)夾具的S參數(shù)就可以被唯一求解出。

利用去嵌入技術(shù)，夾具的影響就可以從測(cè)試結(jié)果中去除，得到被測(cè)件的S參數(shù)；或者在仿真中加入夾具的S參數(shù)，便于和測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。

對(duì)于天線測(cè)試，使用單端AFR則更為便捷。通過(guò)對(duì)時(shí)間門(mén)及信號(hào)流圖進(jìn)行求解，可以獲得夾具的S2P文件。

仿真流程

為進(jìn)行AFR校準(zhǔn)，對(duì)同軸接頭及開(kāi)路饋線進(jìn)行測(cè)試，獲得S11結(jié)果?？梢钥吹剑捎诮宇^的頻域適用范圍原因，在6GHz以上時(shí)諧振非常明顯。

進(jìn)行AFR校準(zhǔn)時(shí)，要求夾具的S11沒(méi)有明顯諧振，測(cè)試帶寬盡可能的寬。如在本例中需要用到的去嵌入頻率最高至6GHz，但是最好還是測(cè)量夾具的直流至50GHz的S11，因?yàn)閵A具的物理尺寸非常小，大測(cè)試帶寬能夠獲得更高分辨率。

將測(cè)試S11結(jié)果導(dǎo)入PLTS，進(jìn)行一端口AFR校準(zhǔn)：

使用PLTS能夠獲得夾具（SMA接頭及同軸線）的S2P文件，其響應(yīng)如下：

將夾具的S2P文件和仿真結(jié)果進(jìn)行級(jí)聯(lián)，與天線的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。

對(duì)比結(jié)果如下圖?？梢?jiàn)，在仿真中考慮接頭及同軸線的響應(yīng)后，獲得的S11結(jié)果和測(cè)試結(jié)果非常接近。

結(jié)論

使用自動(dòng)夾具移除校準(zhǔn)技術(shù)能夠在不額外進(jìn)行夾具制作的前提下，提取天線測(cè)量系統(tǒng)中的同軸接頭及饋線的S參數(shù)。將此S參數(shù)和仿真模型進(jìn)行級(jí)聯(lián)，能夠準(zhǔn)確逼近測(cè)試結(jié)果。