IEEE P370：用于高達 50 GHz 互連的夾具設計和數據質量公制標準

大多數高頻儀器，如矢量網絡分析儀（VNA）和時域反射儀（TDR），都可以在同軸接口的末端進行非常好的測量。然而，復雜系統中使用的互連很少具有同軸接口。用于表征這些設備的夾具的設計和實施會對測量數據產生重大影響，因此也會對被測設備（DUT）的觀察特性產生重大影響。這些影響的程度可能會以用戶不一定明顯的方式破壞測量數據。因此，需要一些方法來確定測量數據的質量和可用性。P370 標準委員會的任務是解決這些問題，以測量高達 50 GHz 的互連。

P370 委員會由來自 25 家公司和大學的約 60 名成員組成。它有三個任務組：測試夾具設計標準、去嵌入驗證和 S 參數完整性和驗證。任務組 1 正在起草夾具設計指南，以確保使用符合設計標準的夾具測量的設備在去除（“去嵌入”）夾具效應后將為 DUT 生成準確的測量數據。為此，已經設計和構建了參考結構設計套件，并進行了廣泛的測量。TG1 還發布了一個用于執行去嵌入過程的示例軟件工具。任務組 2 已經為各種結構開發了一個 S 參數庫，并正在研究與庫數據相比，去嵌入數據的驗證過程。已生成并評估錯誤數據。任務組 3 正在開發用于檢查 S 參數數據完整性的指標和軟件工具，包括被動性、因果性和互易性。本文預覽了作為 P370 標準的一部分開發的夾具設計指南、參考結構、去嵌入技術以及 S 參數質量指標和驗證方法。

迄今為止，主要測試設備制造商和大學都參與了該委員會的工作。該委員會正在取得良好進展，目前正在審查規范草案。草案準備在 2019 年初進行投票表決的目標日期。請注意，由于 P370 標準仍是未經批準的草案，因此本文中包含的任何材料都可能發生變化。

測試夾具設計標準

給定夾具的測量數據質量在很大程度上取決于夾具的設計。P370 標準對夾具設計中包含的結構及其電氣特性都提出了要求。標準草案包括以下結構：

測量夾具插入損耗和回波損耗需要如圖 1 所示的 2x 直通結構。

圖 1.用于測量夾具插入損耗的 2 個貫通結構

對 2x thru 結構提出了許多要求，旨在確保從該結構進行可用、準確的測量：

2X 直通應與測試夾具走線位于同一 PCB 層上
2X 直通應包含與測試夾具相同的層轉換和測試點發射
將測量參考平面設置在同軸測試點時，2X thru 的插入損耗應滿足表 1 中的要求。

表 1.2x 直通的最小插入損耗，按夾具類別

2. 在單端 DUT 的情況下，需要圖 2 所示的“狗腿”結構來測量夾具串擾。這些結構的目的是量化測試夾具引起的串擾，這在大多數去嵌入工具中通常不會考慮。

圖 2.用于測量單端夾具串擾的“狗腿”結構

3. 對于差分 DUT，使用圖 3 所示的“蜘蛛腿”結構。

圖 3 .“蜘蛛腿”結構，用于測量差分 DUT 的夾具串擾

4. 當使用 1x-reflect 算法進行去嵌入時，需要一個可選的 1x reflect（開路或短路）結構，如圖 4 所示。當 2x-thru 可用時，這不是推薦的算法。因此，當在某些應用程序中無法構建 2x-thru 結構時，它只是一個信息性規范。

圖 4.1 個用于夾具校準的反射結構

驗證結構

建議在基于 PCB 的測試夾具上包含兩種結構，以提供驗證夾具去嵌入所需的數據。這些是 Line 和 Beatty 結構。線結構提供了一種驗證去嵌入結果的定性方法，因為去嵌入線結構的 S 參數應遵循傳輸線的理想行為。[2] 中描述的 Beatty 結構如圖 5 所示，是一個諧振網絡，可以深入了解制造過程以及校準質量。增加的線寬會產生一個大的低阻抗不連續性，并在公式 1 定義的頻率上產生諧振的駐波。

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其中
c?是光速，
L?是長度的 2 倍，如圖 5 所示。
εr是 PCB 材料的有效介電常數（DK）

圖 5.共振 Beatty 結構的物理設計

這種結構的插入損耗和回波損耗特性如圖 6 所示。

圖 6.諧振 Beatty 結構的插入和回波損耗

夾具電氣要求

P370 標準對所描述的燈具的電氣性能提出了許多要求。引入了合規性 “類” 的概念。這些類別表示夾具的電氣性能質量相對于理想或相對于 DUT 的特性。與電氣性能較差的 Fixtures 相比，具有良好電氣性能的 Fixtures 將產生更好的反嵌 DUT 數據。類別定義中包含的性能參數包括插入損耗、回波損耗、插入和回波損耗分離、串擾以及差分到共模的轉換（在差分夾具的情況下）。表 2 總結了類定義。

表 2.Fixture 類定義

請注意，某些 de-embedding 算法不考慮 fixture 串擾。給定的燈具被描述為 A 類，直到它符合 A 類限制的最大頻率，B 類從該頻率到滿足 B 類限制的其他更高頻率，C 類，直到它符合 C 類限制的其他更高頻率。

圖 7.夾具阻抗變化

去嵌入方法

傳統的去嵌入是使用 [3] 中描述的級聯 T 矩陣方法完成的。這種方法對左側夾具、DUT 和右側夾具使用級聯矩陣，如圖 8 所示。矩陣經過數學作以去除夾具貢獻并單獨生成 DUT 的 S 參數，如 [3] 所述。P370 標準草案建議使用所謂的“阻抗校正 2X”方法。這種方法在 [4] 中進行了描述，消除了當夾具阻抗與測試設備、用于校準的結構甚至夾具的兩半之間的阻抗變化時引入的誤差。

圖 8.級聯 FIX-DUT-FIX 模型

反嵌入驗證

一旦開發或選擇了去嵌入方法，最好在使用前驗證其準確性。P370 標準提出了三種驗證去嵌入方法的方法：

使用合成庫
使用 Plug and Play 測試板
使用用戶制造的演示板

第一個選項允許用戶將去嵌入的 DUT 數據與從場求解器和/或電路仿真器獲得的綜合數據進行比較。為此，P370 委員會生成了一個綜合數據庫，其中包括同軸發射連接器、單端和差分導入走線以及 DUT 結構。包括使用各種設計參數組合（如介電常數、介電損耗角正切、走線寬度和走線間距）的結構，其結果是改變線路或線對阻抗。如圖 9 所示，還包括不同的發射孔幾何形狀，它們以各種配置與圖 10 所示的示例 DUT 組合在一起。由于性能取決于通孔幾何形狀，組合的測試夾具將具有不同的電氣特性，如表 2 所示。合成的 S 參數庫可供 EDA 工具供應商用于測試其工具的功能。

圖 9.通過具有不同拓撲的 S 參數庫中包含的幾何結構啟動

圖 10.S 參數庫中包含的示例 DUT。

表 2 顯示了 S 參數庫的內容摘要。

選項 2 使用即插即用板，使用戶能夠將去嵌入過程的結果與夾具和樣品 DUT 組件的直接測量結果進行比較。在這種情況下，將同軸連接器適配器插入 DUT 和夾具之間，以便隨時可以直接測量 DUT（無需去嵌入），以便與去嵌入結果進行比較。即插即用板組由 P370 委員會開發，其測試數據可用于驗證去嵌入算法。該板套件的實現示例如圖 11 所示。

圖 11.即插即用板套件示例

選項 3 使用演示板，提供了一種驗證同一板上相同結構的多個樣品去嵌入結果的方法。這對于量化由于制造過程變化而導致的測量結果差異非常有用。圖 12 顯示了典型演示板的布局，其中多個 DUT 和多個夾具（類似于仿真庫）構建在同一塊板上。這包括制造相同的 2x 直通參考、連接到 DUT 的夾具以及 DUT 本身的變化。此外，該測試板可以探索去嵌入過程對夾具特性變化的敏感性，例如阻抗、發射、損耗和延遲。