IEEE P370：用于高达 50 GHz 互连的夹具设计和数据质量公制标准

大多数高频仪器，如矢量网络分析仪 （VNA） 和时域反射仪 （TDR），都可以在同轴接口的末端进行非常好的测量。然而，复杂系统中使用的互连很少具有同轴接口。用于表征这些设备的夹具的设计和实施会对测量数据产生重大影响，因此也会对被测设备 （DUT） 的观察特性产生重大影响。这些影响的程度可能会以用户不一定明显的方式破坏测量数据。因此，需要一些方法来确定测量数据的质量和可用性。P370 标准委员会的任务是解决这些问题，以测量高达 50 GHz 的互连。

P370 委员会由来自 25 家公司和大学的约 60 名成员组成。它有三个任务组：测试夹具设计标准、去嵌入验证和 S 参数完整性和验证。任务组 1 正在起草夹具设计指南，以确保使用符合设计标准的夹具测量的设备在去除（“去嵌入”）夹具效应后将为 DUT 生成准确的测量数据。为此，已经设计和构建了参考结构设计套件，并进行了广泛的测量。TG1 还发布了一个用于执行去嵌入过程的示例软件工具。任务组 2 已经为各种结构开发了一个 S 参数库，并正在研究与库数据相比，去嵌入数据的验证过程。已生成并评估错误数据。任务组 3 正在开发用于检查 S 参数数据完整性的指标和软件工具，包括被动性、因果性和互易性。本文预览了作为 P370 标准的一部分开发的夹具设计指南、参考结构、去嵌入技术以及 S 参数质量指标和验证方法。

迄今为止，主要测试设备制造商和大学都参与了该委员会的工作。该委员会正在取得良好进展，目前正在审查规范草案。草案准备在 2019 年初进行投票表决的目标日期。请注意，由于 P370 标准仍是未经批准的草案，因此本文中包含的任何材料都可能发生变化。

测试夹具设计标准

给定夹具的测量数据质量在很大程度上取决于夹具的设计。P370 标准对夹具设计中包含的结构及其电气特性都提出了要求。标准草案包括以下结构：

1. 测量夹具插入损耗和回波损耗需要如图 1 所示的 2x 直通结构。

 

图 1.用于测量夹具插入损耗的 2 个贯通结构

对 2x thru 结构提出了许多要求，旨在确保从该结构进行可用、准确的测量：

• 2X 直通应与测试夹具走线位于同一 PCB 层上
• 2X 直通应包含与测试夹具相同的层转换和测试点发射
• 将测量参考平面设置在同轴测试点时，2X thru 的插入损耗应满足表 1 中的要求。

 

表 1.2x 直通的最小插入损耗，按夹具类别

2. 在单端 DUT 的情况下，需要图 2 所示的“狗腿”结构来测量夹具串扰。这些结构的目的是量化测试夹具引起的串扰，这在大多数去嵌入工具中通常不会考虑。

 

图 2.用于测量单端夹具串扰的“狗腿”结构

3. 对于差分 DUT，使用图 3 所示的“蜘蛛腿”结构。

 

图 3 .“蜘蛛腿”结构，用于测量差分 DUT 的夹具串扰

4. 当使用 1x-reflect 算法进行去嵌入时，需要一个可选的 1x reflect（开路或短路）结构，如图 4 所示。当 2x-thru 可用时，这不是推荐的算法。因此，当在某些应用程序中无法构建 2x-thru 结构时，它只是一个信息性规范。

 

图 4.1 个用于夹具校准的反射结构

验证结构

建议在基于 PCB 的测试夹具上包含两种结构，以提供验证夹具去嵌入所需的数据。这些是 Line 和 Beatty 结构。线结构提供了一种验证去嵌入结果的定性方法，因为去嵌入线结构的 S 参数应遵循传输线的理想行为。[2] 中描述的 Beatty 结构如图 5 所示，是一个谐振网络，可以深入了解制造过程以及校准质量。增加的线宽会产生一个大的低阻抗不连续性，并在公式 1 定义的频率上产生谐振的驻波。

                                                                       

其中
c 是光速，
L 是长度的 2 倍，如图 5 所示。
εr是 PCB 材料的有效介电常数 （DK）

 

图 5.共振 Beatty 结构的物理设计

这种结构的插入损耗和回波损耗特性如图 6 所示。

 

图 6.谐振 Beatty 结构的插入和回波损耗

夹具电气要求

P370 标准对所描述的灯具的电气性能提出了许多要求。引入了合规性 “类” 的概念。这些类别表示夹具的电气性能质量相对于理想或相对于 DUT 的特性。与电气性能较差的 Fixtures 相比，具有良好电气性能的 Fixtures 将产生更好的反嵌 DUT 数据。类别定义中包含的性能参数包括插入损耗、回波损耗、插入和回波损耗分离、串扰以及差分到共模的转换（在差分夹具的情况下）。表 2 总结了类定义。

 

表 2.Fixture 类定义

请注意，某些 de-embedding 算法不考虑 fixture 串扰。给定的灯具被描述为 A 类，直到它符合 A 类限制的最大频率，B 类从该频率到满足 B 类限制的其他更高频率，C 类，直到它符合 C 类限制的其他更高频率。

 

图 7.夹具阻抗变化

去嵌入方法

传统的去嵌入是使用 [3] 中描述的级联 T 矩阵方法完成的。这种方法对左侧夹具、DUT 和右侧夹具使用级联矩阵，如图 8 所示。矩阵经过数学作以去除夹具贡献并单独生成 DUT 的 S 参数，如 [3] 所述。P370 标准草案建议使用所谓的“阻抗校正 2X”方法。这种方法在 [4] 中进行了描述，消除了当夹具阻抗与测试设备、用于校准的结构甚至夹具的两半之间的阻抗变化时引入的误差。

 

图 8.级联 FIX-DUT-FIX 模型

反嵌入验证

一旦开发或选择了去嵌入方法，最好在使用前验证其准确性。P370 标准提出了三种验证去嵌入方法的方法：

1. 使用合成库
2. 使用 Plug and Play 测试板
3. 使用用户制造的演示板

第一个选项允许用户将去嵌入的 DUT 数据与从场求解器和/或电路仿真器获得的综合数据进行比较。为此，P370 委员会生成了一个综合数据库，其中包括同轴发射连接器、单端和差分导入走线以及 DUT 结构。包括使用各种设计参数组合（如介电常数、介电损耗角正切、走线宽度和走线间距）的结构，其结果是改变线路或线对阻抗。如图 9 所示，还包括不同的发射孔几何形状，它们以各种配置与图 10 所示的示例 DUT 组合在一起。由于性能取决于通孔几何形状，组合的测试夹具将具有不同的电气特性，如表 2 所示。合成的 S 参数库可供 EDA 工具供应商用于测试其工具的功能。

 

图 9.通过具有不同拓扑的 S 参数库中包含的几何结构启动

 

图 10.S 参数库中包含的示例 DUT。

 

表 2 显示了 S 参数库的内容摘要。

 

选项 2 使用即插即用板，使用户能够将去嵌入过程的结果与夹具和样品 DUT 组件的直接测量结果进行比较。在这种情况下，将同轴连接器适配器插入 DUT 和夹具之间，以便随时可以直接测量 DUT（无需去嵌入），以便与去嵌入结果进行比较。即插即用板组由 P370 委员会开发，其测试数据可用于验证去嵌入算法。该板套件的实现示例如图 11 所示。

 

图 11.即插即用板套件示例

选项 3 使用演示板，提供了一种验证同一板上相同结构的多个样品去嵌入结果的方法。这对于量化由于制造过程变化而导致的测量结果差异非常有用。图 12 显示了典型演示板的布局，其中多个 DUT 和多个夹具（类似于仿真库）构建在同一块板上。这包括制造相同的 2x 直通参考、连接到 DUT 的夹具以及 DUT 本身的变化。此外，该测试板可以探索去嵌入过程对夹具特性变化的敏感性，例如阻抗、发射、损耗和延迟。

相关资源

 

图 12.具有多个 DUT 和夹具结构的演示板

S 参数完整性和验证

精确仿真取决于被仿真系统中组件的准确模型或数据。如果提取或去嵌入的 DUT 数据不准确或质量差，则仿真结果将不准确。随着兴趣频率的增加，这会产生更大的影响。在处理 S 参数数据时，有许多潜在的问题来源，其中一些问题可能不会立即显现出来。其中一些来源包括：

• 端口命名的差异，尤其是差分 DUT 的差异
• 频率范围或步长的差异
• 归一化阻抗中的失配
• S 参数质量差，包括非因果、非被动和非互易数据

P370 标准草案涉及这些。建议采用首选的端口命名方法，奇数端口位于 DUT 或网络的输入侧，偶数端口位于右侧或输出侧，如图 13a 所示。因此，对于单端双端口 DUT 的简单情况，端口 1 是输入，端口 2 是输出，s21 描述了 DUT 或网络的“直通”行为。这与常规用法一致。对于四端口 DUT 或网络，差分输入端口 1 由单端端口 1 和 3 组成，而差分输出端口 2 由单端端口 2 和 4 组成，如图 13b 所示。

 

图 13.单端 （a） 和差分双端口 （b） DUT 或网络的首选端口编号

S 参数数据的误解是导致错误的常见原因。为了解决数据误解的许多原因，已经提出了许多新关键字以包含在 Touchstone 文件头中，并将要求将其纳入由 IBIS 开放论坛维护的 Touchstone 文件标准中。这些包括：

• 数据源 – 测量、计算或模拟
• 组件类型 – 去嵌入结构、校准结构、DUT、复合材料（夹具-DUT-夹具或夹具-DUT）或夹具
• 校准方法 – SOLT 或 TRL
• 去嵌入方法 – 1X 反射、2x 直通、阻抗校正 2x 直通或通用 S 参数文件

仿真器通常可以处理仿真器处理仿真器使用的模型或 S 参数的频率范围差异，但仿真的最大频率将是所用模型和/或数据的最低最大频率。步长的差异也可以通过插值来处理，但结果中可能会引入一些不准确之处，尤其是在步长较大的情况下。

S 参数质量

S 参数可以表现出许多可能导致仿真问题的行为，从不准确的结果到仿真工具的“崩溃”，无所不包。这些不良行为通常属于以下三类之一：非因果性、非被动性和非互惠性。真实的物理系统在施加输入之前不会在其输出处产生能量。另一方面，非因果系统可以在输入发生之前产生输出。如果去嵌入的 S 参数是非因果性的，这将产生错误的仿真结果。

同样，如果没有输入，没有内部能源的真实物理系统不会产生任何输出。但是，非被动系统不满足此要求。

真实的无源物理系统通常是互易的，这意味着如果 DUT 的输入和输出反转，则施加给定输入将产生与反转输入和输出之前获得相同的输出。对于非互易 DUT，正常连接的 DUT 的输出可能与输入和输出反转之前获得的输出不同。

鉴于这些不良行为通常是由不准确的去嵌入引起的，P370 委员会开发了一套指标来衡量 S 参数的质量。鉴于数据量大且用户检查所有潜在交互的能力有限，通常很难衡量 S 参数数据的质量。唯一执行的质量检查可能是检查 s21 和 s11 的幅度。这种方法是不完整的，因为它忽略了由测量和去嵌入误差导致的一些常见问题，这些问题可能导致非被动、非因果或非互惠行为。作为 P370 标准工作的一部分开发的质量检查工具使用户能够评估 S 参数数据，并根据这些数据的质量和可用性做出决策。这些工具提供数据质量三个方面的定量度量，旨在作为示例实施，但使用它们不是符合标准所必需的。

该标准草案指定了具有特定数值范围的指标，这些数值指定给定 S 参数的质量级别，范围为 0 到 100。相应的指标是被动质量指标 （PQM）、因果关系质量指标 （CQM） 和互惠质量指标 （RQM），其限制如标准草案中所定义。图 14 中绘制了两个样本 S 参数的 S21 和 s11。一种使用传统的 2x 方法去嵌入，而另一种使用阻抗校正方法。在图中可以观察到两者之间的明显差异。图 14a 中 S 参数的 CQM 值为 81 mV，而图 14b 中 S 参数的值为 7 mV，这表明第一种情况存在显著的非因果行为。

 

图 14.两个 S 参数的 S21 和 s11 图。

基于应用程序的质量检查

P370 中提出的一种新方法是基于应用程序的质量检查。目标是根据物理单位中的无源性、因果性和互易性来估计给定 S 参数的质量。该过程如下：

• 首先，将基于原始 S 参数创建 S 参数模型，用于无源性、因果性和互易性比较
• 然后，将在时域中定义相似性指标，以获得物理单位的估计值
• 最后，时域中的相似性度量将在原始模型和创建的模型之间应用，以获得物理单位中相应的被动性、因果性和互易性估计。

S 参数的比较

在评估 S 参数数据的准确性时，比较两个不同的 S 参数通常很有用。这些可以代表两组 DUT 数据，提取和去嵌入测量数据，或使用两种不同方法获得的去嵌入数据。这传统上是定性的，例如比较 s11 或 s21 数据的两个重叠图的形状。这种方法不精确，并且没有提供两个参数之间一致性的任何定量度量。P370 委员会还开发了一种用于比较两个 S 参数的软件工具，该工具提供了两个 S 参数相似性的定量测量。已经定义了比较指标，允许使用误差矢量幅度 （EVM） 对一致性程度进行分类：

• 在每个频率上计算的绝对误差矢量的大小
• 在每个频率下计算的相对误差矢量的大小
• 复合误差矢量的幅值，即绝对误差 10 矢量的 0.9 x + 相对误差矢量的幅值的 0.1 x
• 累积或积分相对能量误差，直到每个频率值。

误差向量计算如图 15 所示。

 

图 15.误差矢量幅度计算

一致性度用于将结果分为三个质量级别，每个级别的限值标准在标准中列出。S 参数级别的带宽是相似性指标满足指定限制的最高频率。也可以对时域（例如 TDR）数据进行比较。频域比较示例如图 16 所示。

 

图 16.S 参数比较示例

教程

P370 标准草案包括有关多端口网络的网络参数、校准和去嵌入以及印刷电路板设计和制造等主题的教程材料。

最佳实践

P370 标准包括最佳实践的描述，为设计人员提供指导，以帮助避免在这些频率下可能遇到的一些常见问题。这些包括夹具设计、同轴发射连接器封装、过孔设计、直流频率外推以及生成用于仿真的高斯脉冲。

结论

IEEE P370 标准提供了有关夹具设计、最佳实践、用于验证去嵌入工具的数据库以及用于评估和比较 S 参数数据的示例工具的指南。设计使用频率高达 50 GHz 的夹具和测量设备并非易事，希望该标准能为用户提供获得准确、可用结果的方法，以便在他们的设计中使用。

引用

1. DeGroot， D.、Jargon， J. 和 Marks， R.：“多线 TRL 揭晓”，ARFTG 微波测量会议，2002 年 12 月。
2. Barnes， H.、Schaefer， R. 和 Moreira， J.：“用于提取高频 PCB 材料特性的试样结构分析”，2013 年第 17 届 IEEE 信号和电源完整性 （SPI） 研讨会，2013 年 5 月 12 日。
3. Frei， J.、Cai， X.-D. 和 Muller， S.：“具有 7 对称扩展的多端口 S 参数和 T 参数转换”，IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques，第 56 卷第 11 期，2008 年 11 月，第 8 页，第 2493-2504 页。
4. 巴恩斯，H.，博加廷，E.，莫雷拉，J.，埃里森，J.，纳多尔尼，J.，黄，CC，齐克劳里，M.，穆恩，SJ/。和 Herrmann， V.：“用于评估去嵌入算法和相应指标的准确性的 NIST 可追溯 PCB KIT”，DesignCon 2018。