微波單片集成電路測試技術(shù)研究

袁帥 邱云峰

摘要：微波單片集成電路主要應(yīng)用于無線通訊、雷達(dá)、電子對抗等領(lǐng)域，近年隨著裝備發(fā)展對微波器件需求越來越大，其可靠性保證要求也越來越高，而目前單片有源微波器件在國內(nèi)還處于起步階段，相關(guān)的檢測試驗(yàn)技術(shù)方法欠缺。針對這一問題，本文開展有源微波器件測試技術(shù)研究，以微波放大器、射頻開關(guān)等幾類典型器件為例介紹回波損耗、1dB壓縮點(diǎn)、單邊帶相位噪聲等主要微波特性參數(shù)的測試方法。

關(guān)鍵詞：MMIC;微波參數(shù)測試;元器件可靠性;微波測試夾具

中圖分類號：TN454 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）11-0052-02

0 引言

微波單片集成電路（MMIC）已成為當(dāng)前發(fā)展各類高科技武器的重要支柱，已廣泛用于先進(jìn)的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、電子戰(zhàn)裝備、通信系統(tǒng)、相控陣?yán)走_(dá)，是一切無線電子裝備、無線電子信息系統(tǒng)和武器裝備無線控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其性能、質(zhì)量和可靠性直接影響電子裝備的優(yōu)劣[1]。對微波電路參數(shù)的測量是保證元器件質(zhì)量的重要手段，通過測試一方面可驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，另一方面也可利用測試的性能參數(shù)對設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行優(yōu)化和修正。射頻和微波元器件的測試有相當(dāng)?shù)奶厥庑?，必須了解其參?shù)特性，使用正確的測試方法，才能獲得滿意的測試結(jié)果[2]。本文以集成微波放大器、射頻開關(guān)為例來介紹微波特性參數(shù)測試方法。

1 微波放大器測試方法

集成微波放大器多是利用GaAs、SiC等寬禁帶半導(dǎo)體材料，通過薄膜工藝制成，具有損耗小、噪聲低、動態(tài)范圍大等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于微波電路前級信號放大。主要的特性參數(shù)有增益、平坦度、駐波、1dB壓縮點(diǎn)等。以Hittle公司低噪聲放大器HMC441LC3B為例，HMC441LC3B頻率范圍6.5GHz～13.5GHz，增益14dB，50Ω阻抗匹配，飽和輸出功率22dBm。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試，測試線路如圖1所示。

1.1 增益、平坦度測量

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的功率掃描功能來測量放大器輸出功率與輸入功率的關(guān)系。測量時直流電源電壓設(shè)置為5V，被測器件達(dá)到手冊給定的最佳工作電流，在器件帶寬范圍內(nèi)（6.5GHz～13.5GHz）掃描各頻點(diǎn)的S12參數(shù)即為被測器件增益，帶寬范圍內(nèi)S12參數(shù)值之間最大的差值即為平坦度。對于增益較大的器件，測量時還需在輸出端接入固定衰減器，此時器件增益等于S12值加衰減度。

1.2 1dB壓縮點(diǎn)測量

輸入功率增加到某一點(diǎn)時，放大器增益下降，即該放大器出現(xiàn)增益壓縮。當(dāng)輸入功率進(jìn)一步增加時，放大器變成飽和狀態(tài)，輸出功率保持常數(shù)，1dB增益壓縮點(diǎn)即是使放大器增益下降1dB的輸入功率。測試時矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀功率掃描的范圍要足夠大，以便保證能驅(qū)動被測放大器從線性區(qū)進(jìn)入壓縮區(qū)。需要注意的是當(dāng)被測放大器的輸出功率超過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機(jī)的輸入壓縮電平時，需對放大器的輸出進(jìn)行足夠大的衰減。這不僅能防止損壞矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的接收機(jī)，而且也能將功率電平維持到足以不使接收機(jī)出現(xiàn)增益壓縮。

2 射頻開關(guān)測試方法

射頻開關(guān)主要特性參數(shù)包括插入損耗、回波損耗、隔離度和1dB壓縮點(diǎn)。以Hittle公司SPDT射頻開關(guān)HMC232LP4E為例，測試線路如圖2所示。

2.1 插入損耗、回波損耗測量

HMC232LP4E采用負(fù)電平控制方式，-5V為邏輯“High”、0V為邏輯“Low”，在器件A、B控制端輸入-5V，0V電平，此時器件射頻端RFC與RF1接通。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接RFC、RF1兩端，在DC-12GHz頻率范圍內(nèi)掃描測量S12、S21參數(shù)即為RFC-to-RF1和RF1-to-RFC插入損耗，S11、S22參數(shù)分別為RFC、RF1端的回波損耗。當(dāng)器件A、B控制端輸入0V，-5V電平，此時器件射頻端RFC與RF2接通，同理可以測得RFC-to-FR2插入損耗和回波損耗。值得注意的是HMC232LP4E內(nèi)部集成50Ω匹配電阻，測量RFC-to-RF1特性參數(shù)時RF2無需接匹配負(fù)載，對于其他內(nèi)部沒有集成匹配阻抗的器件，非測量端口需接50Ω匹配。

2.2 隔離度測量

測量高隔離度的開關(guān)時，必須提高儀器動態(tài)范圍，降低儀器噪聲，才能獲得滿意的測量結(jié)果。通過降低接收機(jī)中頻帶寬，可以提高矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的動態(tài)范圍，一般而言，中頻帶寬減小10倍，背景噪聲可降低10dB[3]。在器件A、B控制端輸入-5V，0V電平，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接RFC、RF2兩端，掃描測量得到的S12參數(shù)即為RFC與RF1之間的隔離度。器件A、B控制端輸入0V，-5V電平，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接RFC、RF1兩端，同理測得的S12參數(shù)即為RFC與RF2之間的隔離度。

3 微波測試夾具設(shè)計(jì)及誤差校準(zhǔn)

微波單片集成電路為非同軸器件，不能直接與同軸接口形式的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接來進(jìn)行測試，必須設(shè)計(jì)和制作與之相適應(yīng)的轉(zhuǎn)換夾具。微波測試夾具結(jié)構(gòu)由鎖緊結(jié)構(gòu)、屏蔽腔體、測試電路、互連介質(zhì)模塊構(gòu)成。在電路的設(shè)計(jì)上面應(yīng)盡可能的保證信號傳輸線（微帶線）不發(fā)生彎折，且必須采用50Ω的匹配線;為了確保微波器件的有效接地，減少外界信號干擾，一般器件底部設(shè)計(jì)接地的焊盤，同時應(yīng)打盡可能多的過孔以保證器件以最短的距離接地;另外為了抑制表面波和波導(dǎo)模式，保證傳輸準(zhǔn)TEM模，必須滿足：屏蔽腔體高度H≥（5～10）h，接地板寬度a≥3h（h為微帶線路基板厚度）。由于實(shí)際中所采用的材料與工藝必然與系統(tǒng)的特性阻抗存在偏差，導(dǎo)致信號發(fā)生反射，因此微帶線路設(shè)計(jì)時需考慮阻抗匹配。通過集總參數(shù)電路描述方式，構(gòu)建一個如圖3所示的等效電路模型 （l為傳輸線長度;y為傳播常數(shù);α為衰減常數(shù);β為相位常數(shù);J1，J2為微帶線的分界面）。采用電磁仿真軟件ADS對夾具等效模型進(jìn)行仿真，得出各部微帶線路最佳匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)[4]。互連介質(zhì)模塊性能直接關(guān)系測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，在保證被測器件與微帶線路板良好接觸的同時，還需考慮介質(zhì)的寄生參數(shù)。對頻率低于5GHz射頻器件，可以采用1.3mm（Ф=0.5mm）微波探針作為互連介質(zhì)，而高頻微波器件建議采用寄生參數(shù)更小的金絲導(dǎo)電橡膠。

微波測試夾具采用TRL校準(zhǔn)，即直通、反射和延時線三種極端狀態(tài)針對6-8項(xiàng)誤差模型校準(zhǔn)[5]。為了保證校準(zhǔn)端面在待測件兩端，采用非零長度直通，其他校準(zhǔn)件長度及其他參數(shù)以直通校準(zhǔn)件為基準(zhǔn)，使得校準(zhǔn)端面在直通校準(zhǔn)件中心線，即待測件兩端。

4 結(jié)語

本文以微波放大器、射頻開關(guān)幾類典型有源微波單片集成電路為例介紹了主要微波特性參數(shù)的測試方法、測試線路及注意事項(xiàng)。另外介紹了一種微波器件測試夾具設(shè)計(jì)及誤差校正方法。更多微波器件參數(shù)測試方法可以參考GJB2650-96《微波元器件性能測試方法》。

參考文獻(xiàn)

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[3]付琬月，董宇亮，張洪偉，等.單片微波功率放大器的極限評估試驗(yàn)研究[J].微電子學(xué). 2012，42（4）：596-598.

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[5]朱學(xué)波，郭敏梁，勝利.微波功率器件測試中的探針SOLT校準(zhǔn)技術(shù)[J].電子測量與儀器學(xué)報，2008，22（Z2）：85-89.

Testing technology of Monolithic Microwave Integrated Circuits（MMIC）

YUAN Shuai，QIU Yun-feng

（Guizhou Aerospace Institute of Measurement and Testing Technology， Guiyang Guizhou? 550009）

Abstract：Monolithic microwave integrated circuits are mainly used in wireless communications， radar， electronic warfare and other fields. In recently， with the development of equipment， microwave circuits are widely used， and its reliability must be high. At present， the MMIC is still in its infancy in China， and the related test methods， such as microwave amplifier， RF switch and VCO. The mainly introduces the main microwave characteristic parameters testing methods， such as return loss， 1dB compression point and unilateral phase noise.

Key words：MMIC;microwave circuit test method;component reliability; microwave test fixture