通过AFR提取的高频探针模型

2019年06月01日

在很多PCB板、晶圆的测试中,高频探针是一个必不可少的探测工具。特别是高速数字电路板、微波芯片的测试中,对于探针的阻抗、损耗等都有非常高的要求。那么问题来了,探针本身的性能好坏如何衡量?

下图是我们拿到的两根用于高速电路板飞针测试的探针,看起来外观完全一样,都是通过焊接把针尖、地线、探针主体和2.92mm接头焊接在一起。为了对其进行区分,我们姑且标注为1号探针和2号探针。

 

对于这种探针来说,一种方法是用VNA通过测试针对探针设计的开路、短路和负载校准件校准到探针的末端,但这种方法并不能完整提取出探针的参数模型。另一种方法是把VNA校准到2.92mm电缆的末端,然后对探针进行测试,但这种方法只能测试反射参数,测试传输参数比较困难。综合考虑下来,我们决定使用VNA的AFR(自动夹具移除)功能来进行探针的参数提取。

AFR是VNA的一个新的测试功能,针对一端是同轴另一端是非同轴接口的夹具、PCB板等,可以通过一次反射测试就得到被测件的全S参数。使用AFR功能的前提是非同轴一端是接近理想的开路或短路,另外靠近非同轴一侧有一段均匀的传输线(4~6倍上升时间)。考虑到这次测试的探针前端是有一段均匀传输线的,所以可以适用AFR功能;探针前端的针尖有一定长度,有一定的辐射效应,可能不是理想的开路,所以可以通过连接在短路片上实现近似理想的短路。下图是AFR的功能的使用场景。

 

测试中我们使用了利用40GHz频率范围的N5244A PNA-X矢量网络分析仪和PLTS物理层分析软件,能够对探针的性能做全方位的测试和分析,从而作为判断探针质量的一个依据。首先利用PNAX和电子校准件,测试探针经过短路后的S11参数。再利用PLTS 分析软件以及AFR校准技术,得到探针的4 个S参数、时域阻抗参数和响应时间参数。下面是分别测试1号探针和2 号探针后,再用PLTS软件转换,得到二个探针的特性曲线。

1、探针的频域反射特性。

从二个探针的S11曲线可以得出如下结果,1号针频率范围从10 MHz- 30GHz 的回波损耗好于-20dB, 典型值达到-24dB。而对于2号针,频率高于15GHz时,回波损耗差于-20dB,从曲线上可以得到典型值:在24GHz时,为-15.07dB。说明1号针的工作频率可以到达30GHz,而2号针在工作频率高于15GHz时,存在的反射会明显影响阻抗测试的一致性。

2、 探针的时域阻抗特性分析。

利用PLTS软件,能够将器件的频域S参数,转化为时域的阻抗参数,从而得到器件在信号传播路径上的阻抗参数。从二个探针的时域阻抗曲线可以测量到,在0.21ns 处,2 号针有一个高于1 号针的阻抗突变,经过判断,该阻抗突变点的位置在探针2.92mm同轴连机器与探针主体的过渡连接处。这个阻抗突变点表明2 号针过渡处的阻抗连续性要比1 号针差,其他位置的阻抗特性与1 号针相近。初步判断是因为2 号针连接处的阻抗突变影响了探针的工作频率范围。

3、探针的响应时间特性分析。

探针的响应时间特性测试,是利用测试系统提供的上升沿为16ps 时域激励信号,激励探针,测试探针响应后的上升沿时间。测试功能由PLTS软件完成。从测试的参数可以得到:经过探针后,1号针将16ps 的系统上升时间延缓到28ps,2号针将16ps 的系统上升时间延缓到30ps。

 

通过以上对探针性能的测试与分析,我们了解到利用PNAX和PLTS物理层分析软件,能够测试器件的时域阻抗,从而可以分析器件内部的结构特性。同时又可以利用S参数,得出器件的频域特性以及其工作的频率范围。PLTS软件还可以进一步得到该器件对信号上升沿时间的响应特性。另外,PLTS软件的AFR技术独到之处在于,能够测试得到单端口连接器件(如探针)的全S参数,从而可以详细测试分析其内部结构阻抗、频域和时域参数。

注:以上测试是一次典型的对探针性能参数的测试,其测试结果会受到多个因数的影响,如对探针的短路连接方式、转接头的类型等,都会影响测试结果的准确性。以上分析仅供了解AFR功能参考,其测试结果不做为任何判决依据。

(来源:电子工程世界网,原题《通过AFR提取的高频探针模型》)

来源:新富城探针网
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