AFR是什么?如何使用网络分析仪的AFR功能(即自动夹具移除功能)?自动夹具移除功能的5步操作

原创 Keysight射频测试资料分 2025-01-19 10:25

本文主要描述如何使用矢量网络分析仪的AFR功能(即自动夹具移除功能)及测试基本流程。

AFR是什么?为什么需要自动夹具移除功能(AFR -Automatic Fixture Removal)?

AFR(Automatic Fixture Removal)是自动夹具移除功能。许多器件没有同轴连接器,因此在同轴环境中测量需要使用夹具固定或传输线转换连接(例如,从同轴到PCB微带线的转换,用来测量背板传输线、高速连接器、表贴无源器件、有源器件(放大器,混频器,)等等)。为了保证被测器件(DUT)的测量精度需要精确移除夹具效应。

自动夹具移除选件,添加了功能强大的向导程序,引导您表征夹具并从测量结果中移除夹具效应,主要特点如下:

  • 可以更简单地从非同轴器件测量结果中去除夹具效应

  • 从 2x 直通或单端口测量结果中提取夹具的 S参数

  • 在向导程序的逐步引导下表征夹具,并去除测量结果中的夹具效应

  • 去嵌入文件可保存为多种格式,以便日后使用

自动夹具移除(AFR)的要求:

  • 被移除的夹具,可以是完整的直通(Thru)或左边和右边各为直通(Thru)的一半,如下所示。

  • 测试夹具和Thru都由完全相同的介质(转接头及电路基板材料等)制成;最好在同一块介质基板上制作。


单端夹具(Single-ended Fixtures),如下图所示:

支持1-Port(下图中未显示) 或2-Port的单端DUT(被测件)测试配置。
当用于四端口被测件测试配置中时,传输线之间的耦合影响不能被去除。


差分或平衡夹具(Differential (Balanced) Fixtures),如下图所示:

只支持 4 Port 被测件(DUT)的配置,并且包含移除了差分线之间的耦合效应。


矢量网络分析仪自动夹具移除(AFR)的实际测试向导

(该例子中以测试PCB单端传输线参数为例)

该例子中测试的是基于PCB板的传输线,该被测传输线由于长度L较短,在低频段损耗非常小,所以如果不做夹具去嵌入,夹具本身所带入的插损对测试结果影响很大;另外,在高频段,由于同轴接头与带状传输线连接处阻抗连续性较差,造成信号多次反射,使得测试结果波动较大无法得到真实且可重复的结果。

如上图所示上面“2X Throu”是一个直通的标准夹具(在实际中也可以中开路或短路标准件)用于去除测试夹具的同轴接口,同轴接口和PCB上的传输线及PCB上一小段传输线所带入的误差。

第二个是我们实际测试的夹具,测试对象就是位于中间的长度=L的传输线(该传输线可以是任意的走线方式),其它两端和上面“2X Throu”是一致的,等效于把上面直通标准件一分为二到被测传输线两端,通过对2倍直通测量后就可以在实际测试中把测试夹具两端1/2直通引入的误差消除掉,尤其是对于超低损耗传输线测试。


提前准备工作,同轴端口校准,具体测试过程如下:

a. 如下图所示,设置完矢量网络分析仪参数(参数,频率,功率,中频等),通过电子校准件(Ecal)对矢量网络分析仪做2端口校准,硬件连接如下,只需要一次连接自动校准完成。

备注使用机械校准件也可以,只是会很容易代理操作及重复性误差。

矢量网络分析仪VNA操作

Cal > Main > Other Cals > Ecal,然后在校准向导Cal Type Selection / Configuration 中选择2 Port ECal ,点击“NEXT”,根据向导完成2端口校准。

b. 如下图所示,VNA中打开AFR界面,硬件连接“2倍直通标准夹具”到同轴校准端面:。

矢量网络分析仪VNA操作

Cal > Fixtures> Automatic Fixture Removal Wizard,如下图所示,AFR应用界面被调出。

连接“2倍直通标准夹具”到测试电缆端口,并调用AFR功能

功率放大器特性分析

自动夹具移除功能AFR的5步操作

第一步

这时“2倍直通标准夹具”已经连接到测试电缆端口,选择测试类型,此处由于测试夹具为单端微带线测试,选择“Single Ended“;测试端口,选择”2 Port“;其它勾选项绿色框中可根据实际情况选择,一般选择默认选项;


第二步:定义标准件

如下图所示,该实例中选择“Thru“,另外高级设置中填写Lenth长度,默认情况下标准夹具和实际测试夹具的2个半长直通是相同长度,因此默认为”0“ns;

第三步:测量标准件


如下图所示,点击“Measure”矢量网络分析仪对标准夹具进行测量;绿色框图部分可选择进行,点击左下方的”Save All Measurements”对标准夹具测试结果保存成一个.s2p文件(此处是2端口测试),未来后续测试中标准夹具测试就可以省略,直接点击“Load”加载即可,然后走向下一步;

第四步:夹具移除


如下图所示,注意观察VNA的Port和对应的需要去除夹具的勾选项选择是否正确,然后点击“Apply Correction” 将标准夹具整体测试S参数通过算法处理为2个.s2p文件,并分别在VNA的Port1和Port2上进行夹具去嵌入,将夹具移除应用到测试中,也可以观察S参数曲线是否有变化;

第五步:保存夹具移除数据


在第三步保存的是标准夹具的整体.s2p文件,是对标准夹具从两个同轴端口看进去的整体参数数据;如下图所示,因为该AFR主要是应用在网络分析仪去除夹具,所以保存格式选择”VNA Format”;另外可以直接点击下方“Save Fixture Files”将前面生成的2个.s2p保存下来,并分别标注是对应VNA的哪个Port,后续可以直接在外部通过夹具去嵌入中直接使用这两个数据文件;点击“Exit”推出AFR自动夹具移除的整个过程。


后续检查

从第五步AFR自动夹具移除过程推出后,如下图,在右上角“Apply Fixtures“显示是”ON“的状态,说明刚才的AFR过程的夹具去嵌是被应用上了;

另外从” Fixture Setup”里面的”2 Port De-embedding“界面可以看到,Enable是被勾选了的;

另外VNA的每个Port去嵌的文件及路径也是可直接观察,可以看到每个Port口使用的去嵌都是.s2p文件,也就是AFR都是矢量去嵌入,常规的端口延申及响应修正都是标量去嵌,一旦测试频率较高或者被测件稍有变化,测试结果会有剧烈变动,并且每次测试都可能得到不同的结果,可靠性和一致性无法保证,AFR则可以达到可靠且精确的测试结果。

如下图所示,通过AFR自动夹具移除后VNA依旧连接着标准夹具,这时反射S参数可以基本达到-40dB以下,S21的幅度在0dB并且变化小于0.001dB,S21延时参数整个13.5GHz 范围内基本都小于100fs;所以去嵌后可以看到结果是非常优秀的。

AFR自动夹具移除后VNA的参数显示(连接的是标准夹具)。


AFR前后测试标准夹具结果对比及说明


最后:连接测试夹具,测试长度为L的传输线参数,如下图所示连接测试:


AFR自动夹具移除前后测试长度为100mm的微带线插损(红色为夹具修正前的测试结果,测试曲线波动较大,且在某些频点有谐振情况)测试曲线稳定平滑且符合预期。

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