四端口晶片射頻測量方法取得進(jìn)展

　　對于工程師來說，對采用新型的差分和四端口射頻設(shè)計(jì)架構(gòu)的高速半導(dǎo)體器件的需求日益增長。目前，四端口架構(gòu)在高速無線產(chǎn)品中已經(jīng)很流行。

　　對于四端口設(shè)計(jì)的射頻測量來說，必須在四個(gè)端口上，而不是通常的兩個(gè)端口上對射頻測試系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證和校準(zhǔn)。但是，增加了兩個(gè)端口的效果可不是將兩個(gè)兩端口加起來那么簡單，而所帶來的復(fù)雜性和產(chǎn)生的問題呈指數(shù)增加。進(jìn)一步說，直到今天，先進(jìn)的“寬容限探測(probing-tolerant)”四端口校準(zhǔn)技術(shù)都還沒有研發(fā)出來。

　　本文將討論如何解決四端口器件測量中出現(xiàn)的復(fù)雜問題，以及如何確保射頻測量系統(tǒng)的精度、可靠性和可重復(fù)性。

簡介

　　從兩端口網(wǎng)絡(luò)測量升級到四端口網(wǎng)絡(luò)測量對工程師提出了很多挑戰(zhàn)。例如，有人可能會問，“我的兩端口VNA校準(zhǔn)能夠直接用于四端口設(shè)計(jì)嗎？”答案很明確：根本不行！而且，還會出現(xiàn)一些與四端口校準(zhǔn)所用的雙信號晶片探測和阻抗標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的其他一些問題。

　　四端口器件測量所產(chǎn)生的獨(dú)特問題主要包括：

1. 探頭位置的不正確所引起的測量誤差；

2. 校準(zhǔn)單元的電知識不完整；

3. 缺乏先進(jìn)的可用于四端口校準(zhǔn)的VNA；

4. 對非理想的四端口校準(zhǔn)架構(gòu)的敏感度問題；

5. 雙信號探頭的高串?dāng)_問題。

　　基于探頭探測的四端口器件的測量本身也存在一些真正的挑戰(zhàn)。校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)中探頭位置的變化將會引起其電特性偏離所定義的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。當(dāng)這些探頭位置相互移動時(shí)，也會引入校準(zhǔn)誤差。通常，還沒有各種標(biāo)準(zhǔn)的不同電定義。隨著端口數(shù)的不斷增加(就像目前的四端口)，需要對更多的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量。在最壞的情況下，所需測量的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)可能正比于N2（N為網(wǎng)絡(luò)的端口數(shù)量）。

　　　　　　圖1：傳統(tǒng)探頭與雙信號低阻探頭之間的性能比較。

一種四端口射頻晶片級測量解決方案

　　一個(gè)成功的四端口射頻測量的完整解決方案包括：一個(gè)帶有用于增強(qiáng)導(dǎo)引的數(shù)字成像系統(tǒng)的晶片探測器，低串?dāng)_雙信號探頭，雙阻抗標(biāo)準(zhǔn)基片(ISS)，相位穩(wěn)定電纜和帶有為四端口優(yōu)化的先進(jìn)校準(zhǔn)算法的專用校準(zhǔn)和測量軟件。

該方案的特點(diǎn)為：

1. 具有自動級差的固定探頭定位；

2. 對標(biāo)準(zhǔn)的探頭誤差具有低敏感度；

3. 所需的標(biāo)準(zhǔn)和定義數(shù)最少；

4. 能夠容忍非理想的標(biāo)準(zhǔn)；

5. 射頻雙信號探頭的串?dāng)_低；

6. 先進(jìn)的四端口校準(zhǔn)方法。

在四端口晶片上實(shí)現(xiàn)差分測量

　　四端口測量的首要挑戰(zhàn)是能夠確保精確的、可重復(fù)的校準(zhǔn)和驗(yàn)證結(jié)果的正確系統(tǒng)設(shè)置。當(dāng)構(gòu)建一個(gè)四端口測試系統(tǒng)時(shí)，每個(gè)分量都應(yīng)該單獨(dú)考慮。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

　　對于固定模式和差分測量來說，目前的四端口VNA采用多路兩端口校準(zhǔn)（每個(gè)端口上接短路-開路負(fù)載）。這就需要每個(gè)單端口進(jìn)行一遍的激勵(lì)。VNA用算術(shù)方法將單模式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成混合模式。這是的主要限制在于被測器件必須是線性的，以便用于混合模式中各項(xiàng)的精確計(jì)算。

雙差分探頭

　　四端口測試需要雙探頭或差分探頭。盡管雙探頭技術(shù)不是新技術(shù)，確是目前在多端口分析和校準(zhǔn)技術(shù)中實(shí)用的測試技術(shù)。對于更精密的差分測量，則需要具有信號間低串?dāng)_的探頭。

圖2：混合校準(zhǔn)（LRRM-SOLR）與SOLT校準(zhǔn)兩種方案中插入損耗的交叉?zhèn)鬏斁€比較。

GSGSG和GSSG 探頭的比較

　　對于四端口設(shè)計(jì),GSGSG(地-信號-地-信號-地)型探頭是理想的探頭，適用頻率可以高達(dá)67GHz。接地連接將多個(gè)信號分離開，從而始終優(yōu)于GSSG(地-信號-信號-地)型探頭。在這種完美的探頭中，將幾乎沒有串?dāng)_，而傳統(tǒng)的探頭中將產(chǎn)生無法解決的串?dāng)_。

　　相反， GSSG型探頭還具有信號間的高耦合度的缺點(diǎn)，就是這一點(diǎn)限制了應(yīng)用頻率。許多探頭受限于端上的長金屬探針。進(jìn)一步地說，頻率越高，性能就越差。使用傳統(tǒng)的探頭，并排的金屬指 (共面波導(dǎo))將在指間產(chǎn)生邊緣場。具體的場圖很難控制，這將引起耦合，從而限制了帶寬。

減小邊緣場和寄生參量的雙信號探頭

　　雙信號低阻探頭(infinity probe)是一種先進(jìn)的晶片探頭，該探頭采用微帶線，在探針處為共面?zhèn)鬏敗ＮЬ€能夠比傳統(tǒng)的探頭更好地限制邊緣場，減小了與周邊器件和其他探頭間的耦合，因而實(shí)現(xiàn)了更高的精度。進(jìn)一步說，微帶將串?dāng)_降到了最小，從而能夠?qū)崿F(xiàn)高密度、精細(xì)的多探針的探頭，進(jìn)而能夠以更高的頻率來處理更多的測試點(diǎn)。

校準(zhǔn)-四端口精密測量的關(guān)鍵

　　為了獲得有意義的器件數(shù)據(jù)，必須對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，使得校準(zhǔn)基準(zhǔn)平面設(shè)置到探頭的探尖處。這樣，只需測量器件，而無需對探頭和電纜進(jìn)行測量。為了完成校準(zhǔn)，在探頭探尖處需要采用一系列標(biāo)準(zhǔn)。為了校正原始數(shù)據(jù)，有幾種算法可以被用來計(jì)算誤差系數(shù)。有些方法對于晶片測量用處不大，甚至在高頻時(shí)精度和重復(fù)性都很差。

　　　　　　　　　　　　　　　　圖3：四端口校準(zhǔn)的完整系統(tǒng)示意圖。

　　例如，眾所周知，不同標(biāo)準(zhǔn)的探頭位置變化以及七個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的不同定義都要影響SOLT(短路-開路-負(fù)載-直通)校準(zhǔn)的精度。當(dāng)校準(zhǔn)定義由探頭制造商提供時(shí)，一些值取決于所考慮的標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量。標(biāo)準(zhǔn)過多或過少都會令輸入的標(biāo)準(zhǔn)值無效，從而導(dǎo)致誤差。

　　Cascade Microtech公司的先進(jìn)校準(zhǔn)技術(shù)減小了探頭位置變化的影響。該LRRM(線-反射-反射-匹配)校準(zhǔn)采用自動補(bǔ)償技術(shù)，為標(biāo)準(zhǔn)的感應(yīng)系數(shù)提供實(shí)際值，而不是由探頭提供的假想值。這就消除了由探頭位置引起的許多誤差。

　　進(jìn)一步講，LRRM校準(zhǔn)并不依賴于具有不精密的已知電特性參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。在該校準(zhǔn)中，以直通的方式能夠提供絕大部分所需信息。該架構(gòu)近似理想，因?yàn)槠溟L度很短，從而將損耗或阻抗偏差的影響降到了最小。對于雙探頭和四端口環(huán)來說，需要一些回環(huán)直通（loopback throughs），但這并非理想方案。

　　目前，一個(gè)真正的混合LRRM-SOLR校準(zhǔn)被提供用于四端口應(yīng)用，并且在Cascade Microtech公司的WinCal XE校準(zhǔn)軟件中可以使用。該校準(zhǔn)方法利用了上述兩種校準(zhǔn)方法的優(yōu)點(diǎn)，為四端口校準(zhǔn)提供了極好的性能。

　　一個(gè)完整的四端口測量系統(tǒng)將提供下列優(yōu)點(diǎn)：

1. 對不同標(biāo)準(zhǔn)中的探頭放置的敏感度低；

2. 對標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量和標(biāo)準(zhǔn)的電定義數(shù)量要求最少；

3. 具有固定的探頭定位自動晶片移動；

4. 允許非理想的回環(huán)直通；

5. 較低的信號間串?dāng)_；

6. 平衡考慮了目前先進(jìn)的兩端口校準(zhǔn)方法的優(yōu)點(diǎn)。

本文小結(jié)

　　復(fù)雜的四端口晶片測量要求注意探測系統(tǒng)的細(xì)微之處，并采用先進(jìn)的VNA校準(zhǔn)算法。直至如今，先進(jìn)的“寬容限探測”四端口校準(zhǔn)技術(shù)尚未研發(fā)出來。而目前可以使用一種新型的混合校準(zhǔn)技術(shù)，來降低四端口器件測量的復(fù)雜度，并提供精密的、可靠的和可重復(fù)的四端口校準(zhǔn)。