通过AFR提取的高频探针模型

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。图1是1号针的S11，图2 是2号针的S11。

图1、1 号针的S11

图2、2 号针的S11

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。图3是1号针的时域阻抗，图4 是2号针的时域阻抗。

图3、1 号针的时域阻抗参数

图4、2 号针的时域阻抗参数

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。图5是1号针的响应时间参数，图6 是2号针的响应时间参数。

图5、1 号针的响应时间参数

图6、2 号针的响应时间参数

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。