在片校準(zhǔn)件參數(shù)定值方法

霍 曄，吳愛華，王一幫，欒 鵬，劉 晨，梁法國，孫 靜，張立飛

(中國電子科技集團(tuán)公司 第十三研究所,河北 石家莊 050051)

1 引 言

測試芯片S參數(shù)前，需選用合適的校準(zhǔn)方法和在片校準(zhǔn)件對在片S參數(shù)測試系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)[1,2]。商用校準(zhǔn)方法分為兩類，第一類為用傳輸準(zhǔn)TEM波的共面波導(dǎo)傳輸線的校準(zhǔn)方法，包括TRL和多線TRL[3,4]，此類校準(zhǔn)方法準(zhǔn)確度高，但由于TRL校準(zhǔn)方法單條傳輸線的限制，頻帶范圍受限，給寬頻帶芯片的測試帶來不便；多線TRL校準(zhǔn)時需使用多條傳輸線，測試效率較低。第二類為由準(zhǔn)確參數(shù)定值的在片校準(zhǔn)件的校準(zhǔn)方法，包括SOLT、LRRM、LRM、SOLR[5～9]，此類校準(zhǔn)方法由于校準(zhǔn)方便，效率高，在國際上應(yīng)用較為廣泛。這類校準(zhǔn)件的等效電路模型分為4種：開路電容，短路電感，負(fù)載電阻和電感，直通延時、參考延時和參考損耗，此類校準(zhǔn)方法的校準(zhǔn)準(zhǔn)確度依賴于參數(shù)的定值準(zhǔn)確度。

目前，在使用在片校準(zhǔn)件校準(zhǔn)時，均采用廠家給的定義值;但隨著長時間的使用，探針與校準(zhǔn)件頻繁的接觸，校準(zhǔn)件會出現(xiàn)不同程度的磨損，導(dǎo)致校準(zhǔn)件參數(shù)量值發(fā)生了偏差，若繼續(xù)使用廠家定義值會使測試結(jié)果不準(zhǔn)。

國際上，在片校準(zhǔn)件參數(shù)定值方法雖有少量的報(bào)道[10～12]，但參數(shù)不全。國內(nèi)對參數(shù)定值采用仿真的方法不完善[13,14]，導(dǎo)致參數(shù)定值與實(shí)際值存在偏差。本文通過其等效電路模型，結(jié)合測試和理論計(jì)算的方法，對在片校準(zhǔn)件全部參數(shù)準(zhǔn)確定值，使重新定值的在片校準(zhǔn)件對在片S參數(shù)測試系統(tǒng)校準(zhǔn)后測試得到的被測件S參數(shù)更接近實(shí)際值。

2 等效電路模型

國際上，諸多學(xué)者對在片校準(zhǔn)件的等效電路模型進(jìn)行了報(bào)道，圖1～圖4所示為文獻(xiàn)中經(jīng)典的開路校準(zhǔn)件、短路校準(zhǔn)件、負(fù)載校準(zhǔn)件、直通校準(zhǔn)件的等效電路模型。

圖1 開路校準(zhǔn)件等效電路模型Fig.1 Equivalent circuit model of open calibration standards

圖2 短路校準(zhǔn)件等效電路模型Fig.2 Equivalent circuit model of short calibration standards

圖3 負(fù)載校準(zhǔn)件等效電路模型Fig.3 Equivalent circuit model of load calibration standards

圖4 直通校準(zhǔn)件(傳輸線)等效電路模型Fig.4 Equivalent circuit model of thru (transmission line) calibration standards

根據(jù)模型等效電路，需定值的參數(shù)有特征阻抗Z0，開路電容Copen，短路電感Lshort，負(fù)載電阻R和電感Lload，直通延時tdelay、參考延時ref_tdelay和參考損耗ref_loss。

3 參數(shù)定值方法

在片校準(zhǔn)件參數(shù)定值可通過測量校準(zhǔn)件的長度、直流電阻和S參數(shù)的方法計(jì)算得到。

多線TRL是國際上公認(rèn)的在片校準(zhǔn)準(zhǔn)確度最高的校準(zhǔn)方法[15]，用多線TRL校準(zhǔn)方法對在片S參數(shù)測試系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)完后測量在片校準(zhǔn)件的S參數(shù)。

圖1～圖4中的Z0為傳輸線的特征阻抗，其值由多線TRL校準(zhǔn)方法得到[16～18]。

3.1 開路校準(zhǔn)件參數(shù)定值

用多線TRL校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)后的在片S參數(shù)測試系統(tǒng)對開路校準(zhǔn)件進(jìn)行單端口測量，測量示意圖如圖5所示。

圖5 開路校準(zhǔn)件測量示意圖Fig.5 Measurement diagram of open calibration standards

(1)

(2)

ω=2 πf

(3)

(4)

3.2 短路校準(zhǔn)件參數(shù)定值

用多線TRL校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)后的在片S參數(shù)測試系統(tǒng)對短路校準(zhǔn)件進(jìn)行單端口測量，測量示意圖如圖6所示。

圖6 短路校準(zhǔn)件測量示意圖Fig.6 Measurement diagram of short calibration standards

(5)

Zshort=jωLshort

(6)

(7)

3.3 負(fù)載校準(zhǔn)件參數(shù)定值

用多線TRL校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)后的在片S參數(shù)測試系統(tǒng)對負(fù)載校準(zhǔn)件進(jìn)行單端口測量，測量示意圖如圖7所示。

圖7 負(fù)載校準(zhǔn)件測量示意圖Fig.7 Measurement diagram of load calibration standards

(8)

Zload=jωLload+R

(9)

(10)

3.4 直通校準(zhǔn)件(偏置傳輸線)參數(shù)定值

用多線TRL校準(zhǔn)方法得到直通校準(zhǔn)件(傳輸線)的有效介電常數(shù)和衰減常數(shù)；用測量顯微鏡測量其長度。直通延時、參考延時和參考損耗的關(guān)系式如式(11)～式(13)所示:

(11)

(12)

ref_loss=-αlref

(13)

式中：c為光在真空中的傳播速度；εeff為有效介電常數(shù)；α為衰減常數(shù)；l為直通長度；lref為參考傳輸線的長度。

綜上，在片校準(zhǔn)件集總參數(shù)的全部量值可通過測量和理論計(jì)算的方法得到。

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

本文選用長時間使用后的商用在片校準(zhǔn)件進(jìn)行定值試驗(yàn)分析。用數(shù)字多用表測量得到負(fù)載電阻R。用測量顯微鏡得到直通的長度l和參考傳輸線的長度lref。

在片S參數(shù)測試系統(tǒng)由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、探針臺、微波探針等組成，在100 MHz～67 GHz頻段，用多線TRL校準(zhǔn)方法對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，可以得到在片校準(zhǔn)件的特征阻抗Z0、直通(傳輸線)的有效介電常數(shù)εeff和衰減常數(shù)α。

用校準(zhǔn)完后的在片S參數(shù)測試系統(tǒng)測量商用在片校準(zhǔn)件的S參數(shù)，根據(jù)上述參數(shù)定值方法計(jì)算得到開路電容Copen、短路電感Lshort、負(fù)載電感Lload、直通的延時tdelay、參考延時ref_tdelay和參考損耗ref_loss。所有參數(shù)量值取頻段范圍內(nèi)的平均值。定值結(jié)果與出廠值對比如表1所示。

表1 在片校準(zhǔn)件定值結(jié)果與出廠值Tab.1 Definition results and factory values of on-wafer calibration standards

用表1中的結(jié)果對在片校準(zhǔn)件參數(shù)重新定值。分別用重新定值后的在片校準(zhǔn)件選用SOLT校準(zhǔn)方法、廠家定值的在片校準(zhǔn)件選用SOLT校準(zhǔn)方法和多線TRL校準(zhǔn)方法在100 MHz～67 GHz頻段范圍內(nèi)對同一在片S參數(shù)測試系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)完后測試相同衰減器的在片S參數(shù)。測試結(jié)果如圖8、圖9所示。綠色曲線表示多線TRL校準(zhǔn)方法的測試結(jié)果，藍(lán)色曲線表示廠家參數(shù)量值得到的測試結(jié)果，紅色曲線表示本文定值方法得到的測試結(jié)果。

圖8 傳輸幅度測試結(jié)果Fig.8 Transmission magnitude test results

圖9 反射幅度測試結(jié)果Fig.9 Reflection magnitude test results

圖8和圖9所示測試結(jié)果中，本文定值后測試得到的傳輸幅度與多線TRL的測試結(jié)果最大偏差0.05 dB，反射幅度最大偏差0.01；廠家參數(shù)量值測試得到的傳輸幅度與多線TRL的測試結(jié)果最大偏差0.13 dB，反射幅度最大偏差0.03。因此，本文定值方法對參數(shù)定值后的測試結(jié)果與準(zhǔn)確度最高的多線TRL方法校準(zhǔn)后的測試結(jié)果更接近，表明長時間使用后的在片校準(zhǔn)件參數(shù)需重新定值，定值后的測試結(jié)果更準(zhǔn)。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)在片校準(zhǔn)件參數(shù)的等效電路模型，通過測量其物理長度、直流電阻及S參數(shù)，經(jīng)理論分析給出了參數(shù)準(zhǔn)確定值的方法。通過試驗(yàn)，在 100 MHz～67 GHz頻段范圍內(nèi)，用該方法對長時間使用后的在片校準(zhǔn)件參數(shù)重新定值;定值后測試得到的傳輸幅度及反射幅度與多線TRL的測試結(jié)果的最大偏差小于廠家參數(shù)量值測試結(jié)果與多線TRL的測試結(jié)果的最大偏差。結(jié)果表明重新定值后的測試結(jié)果更準(zhǔn)。