胡为东系列文章之十二--参数测量中针对夹具或探头

时域Gating 方法是将上图4 中的夹具中的传输媒介使用传输线的原理进行等效，只要获得每一个通道的两个参数：延迟（TD, Time Delay）和损耗（Loss）即可实现对夹具的去嵌。而延迟和损耗参数是比较容易得到的，如果是专业厂家的夹具或者线缆，通常会给出这两个参数的值，如果是自己设置的夹具，那么一个办法是可以通过EDA 仿真软件获得这两个参数；第二个办法是可以通过简单方便的实际测量获得。后续我们会介绍如何通过测量的方法获得这两个参数。下图6 为将具有2P 个端口的夹具使用延迟和损耗进行等效的示意图。

下图7 所示为Teledyne LeCroy（力科）的SPARQ 中使用时域Gating 方法使用夹具的延迟和损耗两个测试方法进行夹具去嵌的界面：

四、时域“Gating”去嵌方法的原理
时域Gating 方法是通过将整个测量系统（包括夹具和被测件DUT）的S 参数先通过算法转换为阻抗（Z），然后通过夹具的延时和损耗两个参数将整个系统的阻抗曲线中的夹具部分的阻抗曲线剥离掉，然后将剥离掉的夹具的阻抗曲线后的部分重新转换为S 参数，从而实现夹具的去嵌。如下图8 所示，蓝色虚线部分为夹具的阻抗曲线：

时域Gating 算法会将待剥离（夹具的阻抗）部分（我们称作为Gated Element）的阻抗曲线看作为一连串的传输线结构单元，如下图9 所示：

然后为每一个传输线结构单元建立一个单元模型（Segment），每个单元模型（Segment）的延时（Delay）和损耗（Loss）都可以通过整个剥离模型的阻抗曲线中已知的参数如阻抗，反射系数，整体延时和损耗等获得，如下图10 所示，G（f）即为和频率相关的损耗参数，D（f）为和频率相关的延时参数，这两个函数均可以通过已知的阻抗曲线和整体延时以及损耗获得。这样就可以推导出每一个单元模型的S 参数，如下图所示，更详细的原理可以参考Teledyne LeCroy（力科）的专利技术文章。

然后，剥离部分（Gating Element）的每一个单元模型的S 参数（剥离前）被代入阻抗剥离算法中，迭代算法遍历计算整个剥离部分（Gating Element），每次消除完前面一个单元模型（Segment）的影响后重新计算阻抗曲线图，最后从这个算法中得到剥离部分的每一个单元模型的S 参数（剥离后），如下图11 所示：

接着根据得到的每个单元的S 参数模型先转换为T 参数，然后再将T 参数连接到一起形成一个剥离部分（Gating Element）的T 参数，将T 参数转换为S 参数，这样就得到了需要剥离的部分的S 参数。有了S 参数，就可以利用力科的SPARQ 软件中的基于S 参数的剥离算法实现对夹具的去嵌。

五、通过测量获取夹具/探头的延时和损耗参数
如果夹具或者探头的延时和损耗参数是未知的，那么也可以通过使用2X 直通线来估计夹具或者探头的延时和损耗。因此在夹具设计时，建议在夹具上增加一条2X 直通线，以用于测量夹具/探头的损耗。如下图13 所示为一个夹具的示意图，标注SMA 的端口是与测试仪器相连接的，标志SMA 的端口的线段的另外一个端口为与被测件DUT 相连接的。这个线段的长度为X，那么2X 直通线即是指两个端口都有SMA 接口的且长度为2X 的直通连线。

首先我们可以通过S21 的阶跃响应特性或者基于TDR 技术（TDR 阻抗曲线）来初步估计延时。然后对2X 直通线使用剥离（Time Domain Gating）算法，经过剥离去嵌后，理论上该2X 直通线应为0 损耗，但由于当前的延时参数是粗略估计的，因此需要通过微调以获得更加精确的值，可通过相位的测量来进行微调，如下图14 中的左侧黄色波形所示，去嵌前相位应该是周期变化的；经过去嵌后，理论上相位应该为0，即为一条位于0 位置的水平直线，但实际情况由于该延时值还不是一个非常理想的值，因此可以适当调整该参数值，直到相位曲线为一条水平的直线，如下图14 中的右侧波形所示，当延时参数为217ps 时，相位曲线已经接近一条水平直线。