微波信號測試過程中的誤差校準(zhǔn)分析

劉 洋，左 寧

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

隨著5G技術(shù)的發(fā)展，云計算與人工智能逐步融入人們的日常生活，由于微波測試技術(shù)具有安全、可靠、實(shí)時準(zhǔn)確等特點(diǎn)，廣泛用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智能制造等領(lǐng)域，也將通過無線局域網(wǎng)、直播衛(wèi)星系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、本地多點(diǎn)分布服務(wù)系統(tǒng)和射頻識別系統(tǒng)等改變?nèi)藗儌鹘y(tǒng)的生活方式。隨著微波器件的大量應(yīng)用，微波信號測試的準(zhǔn)確性越來越成為微波器件性能保障的關(guān)鍵[1]。

在晶圓微波測試時，通過測試探針移動、GSG探針與芯片被測焊盤接觸，將矢網(wǎng)測試儀測試數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦I(yè)控制計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過數(shù)據(jù)通訊與分析完成測試過程，如圖1所示。如何消除系統(tǒng)誤差是保證微波測試S參數(shù)準(zhǔn)確性的前提條件。

圖1 微波測試示意圖

1 S曲線測試原理

在低頻電路的測試中采用集中參數(shù)電路分析的方式，即進(jìn)行IV測試[2]。而在高頻電路中，由電磁場理論可知，電路通過傳輸線時會產(chǎn)生分布參數(shù)，即產(chǎn)生分布電容、分布電感、分布電阻和分布漏電導(dǎo)，因此，集中參數(shù)電路分析的方式已經(jīng)不適用于高頻電路的分析。在微波信號測試過程中，很難測量電流或電壓，需要測量S參數(shù)來表征微波器件的電性能[3]。高頻電路分析基于麥克斯韋方程組化場為路分析的方式，其中S參數(shù)是描述電磁波高頻特性的主要參數(shù)。S參數(shù)又稱散射參數(shù)，是建立在入射波、反射波關(guān)系基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，適于微波電路分析，根據(jù)器件端口的反射信號S11、S12以及從該端口傳向另一端口的信號S21、S22來描述電路網(wǎng)絡(luò)，是評價微波器件性能的最為關(guān)鍵的參數(shù)之一，如圖2所示。

圖2 S參數(shù)信號傳輸示意圖

S曲線的表征參數(shù)由S11、S12、S21、S22組成，其中S11為端口2匹配情況下端口1的輸入反射系數(shù)，也就是輸入回波損耗，用a1表示，如式(1)所示；S21為端口2匹配情況下的正向傳輸系數(shù)，也就是增益，用b2表示，如式(2)所示；S22為端口1匹配情況下的端口2的輸出反射系數(shù)，也就是輸出回波損耗，用a2表示，如式(3)所示；S12為端口1匹配情況下端口2反向傳輸系數(shù)，也就是隔離[4]，用b1表示，如式(4)所示。

2 OSLT片上校準(zhǔn)技術(shù)

在S參數(shù)測試過程中存在方向性誤差、源匹配誤差、負(fù)載匹配誤差、串?dāng)_誤差、頻率響應(yīng)誤差等系統(tǒng)測量誤差，為了消除或減小測試誤差，精確提取器件的參數(shù)，必須在測試前進(jìn)行S參數(shù)的校準(zhǔn)[5]。校準(zhǔn)過程是一個矢量誤差修正的過程，常用的矢量誤差校準(zhǔn)方法有OSL（open-short-load）校準(zhǔn)、TSD（through-short-delay）校準(zhǔn)、TRL-TSD校準(zhǔn) 、LRL（line-reflect-line） 校 準(zhǔn) 、OSLT（open-short-load-through）校準(zhǔn)[6]。隨著高頻器件測試精度的提高，OSLT在片校準(zhǔn)技術(shù)已經(jīng)成為微波測試中最為常用的校準(zhǔn)方法[7]。

OSLT校準(zhǔn)方法是利用在線校準(zhǔn)片上的開路、短路、負(fù)載、直通四種校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。其中短路結(jié)構(gòu)是連接測試儀的測針兩端與校準(zhǔn)片上的短路器兩端連接，相當(dāng)于兩測針“短路”。開路結(jié)構(gòu)是連接測試儀的測針兩端懸空，相當(dāng)于兩測針“開路”。負(fù)載結(jié)構(gòu)是連接測試儀的測針兩端與校準(zhǔn)片上的負(fù)載電路連接。直通結(jié)構(gòu)是測試儀端口內(nèi)部直接連接。

圖3 四種校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)

3 誤差因子分析

OSLT法（開路-短路-負(fù)載-直通法，openshort-load-through）全二端口校準(zhǔn)法是應(yīng)用最為廣泛的校準(zhǔn)算法[8]。使用包括正向誤差模型和反向誤差模型需要的方向性誤差、反射跟蹤誤差、傳輸跟蹤誤差、源失配誤差、負(fù)載失配誤差、隔離誤差等12項(xiàng)誤差因子[9-10]，具體如表1所示。

表1 調(diào)平算法對比

表1 12項(xiàng)誤差因子列表

3.1 正向誤差分析

當(dāng)信號從端口1向端口2進(jìn)行正向傳輸時，通過等效變換形成了反向誤差模型，主要由前向方向性誤差EDF、前向反射跟蹤誤差ERF、前向傳輸跟蹤誤差ETF、前向源失配誤差ESF、前向負(fù)載失配誤差ELF、前向隔離誤差EXF6個正向誤差因子組成，如圖4所示。

圖4 正向誤差模型

根據(jù)OSLT法校準(zhǔn)中的開路（Open）、短路（Short）、負(fù)載（Load）、直通（Through）四種結(jié)構(gòu)，建立包含6個誤差因子的6個方程，求出6個誤差因子，具體計算過程如式(5)、式(6)、式(7)、式(8)、式(9)、式(10)所示。

（1）當(dāng)端口1、端口2均為負(fù)載結(jié)構(gòu)時，S11=S21=S12=S22=0，則測量端口1的輸入反射系數(shù)M1為：

測量端口2的輸入反射系數(shù)M2為：

（2）當(dāng)端口1為短路結(jié)構(gòu)、端口2為負(fù)載結(jié)構(gòu)時，S11=-1、S12=S21=S22=0，則測量端口1的輸入反射系數(shù)M3為：

測量端口2的輸入反射系數(shù)M4為：

（3）當(dāng)端口1、端口2分別為直通結(jié)構(gòu)時，S11=S22=0、S21=S12=1，則

測量端口1的輸入反射系數(shù)M5為：

測量端口2的輸入反射系數(shù)M6為：

3.2 正向誤差分析

當(dāng)信號從端口2向端口1進(jìn)行反向傳輸時，通過等效變換形成了反向誤差模型，主要由反向方向性誤差EDR、反向反射跟蹤誤差ERR、反向傳輸跟蹤誤差ETR、反向源失配誤差ESR、反向負(fù)載失配誤差ELR、反向隔離誤差EXR6個反向誤差因子組成，如圖5所示。

圖5 反向誤差模型

根據(jù)OSLT法校準(zhǔn)中的開路（Open）、短路（Short）、負(fù)載（Load）、直通（Through）四種結(jié)構(gòu)，建立包含6個反向誤差因子的6個方程，具體計算過程式(11)、式(12)、式(13)、式(14)、式(15)、式(16)所示。

（1）當(dāng)端口1、端口2分別為負(fù)載結(jié)構(gòu)時，S11’=S21’=S12’=S22’=0，則測量端口1的輸入反射系數(shù)M7為：

測量端口2的輸入反射系數(shù)M8為：

（2）當(dāng)端口2為短路結(jié)構(gòu)、端口1為負(fù)載結(jié)構(gòu)時，S22’=-1、S12’=S21’=S11’=0，則測量端口1的輸入反射系數(shù)M9為：

測量端口2的輸入反射系數(shù)M10為：

（3）當(dāng)端口1、端口2均為直通結(jié)構(gòu)時，S11’=S22’=0、S21’=S12’=1，則測量端口1的輸入反射系數(shù)M11為：

測量端口2的輸入反射系數(shù)M12為：

4 測試過程中的應(yīng)用

在進(jìn)行晶圓測試的過程中，具體的S參數(shù)測試過程主要包括測試前利用校準(zhǔn)片得出12項(xiàng)誤差因子、正常測試中對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差修正以及測量數(shù)據(jù)的合成，如圖6所示。

圖6 產(chǎn)品封焊效果圖

圖6 測試數(shù)據(jù)校準(zhǔn)示意圖

首先在進(jìn)行正常微波測試前進(jìn)行校準(zhǔn)片的測試，根據(jù)校準(zhǔn)片上的開路、短路、負(fù)載、直通路等特殊結(jié)構(gòu)電路，得出12項(xiàng)誤差因子函數(shù)[11]；然后將被測微波器件晶圓置于承載臺上進(jìn)行測試，得出S11m、S12m、S21m、S22m的實(shí)測數(shù)據(jù)[12-13]，并根據(jù)校準(zhǔn)模型式(17)、式(18)、式(19)、式(20)，得出修正后的S參數(shù)曲線所需的S11、S12、S21、S22，合成為S曲線顯示在屏幕上，經(jīng)過測試系統(tǒng)的綜合比較，判斷測試數(shù)據(jù)是否滿足工藝要求。

5 結(jié)束語

S曲線測試是目前微波信號測試的首選方法，在進(jìn)行片上校準(zhǔn)的過程中，校準(zhǔn)件的選擇、測試探頭的接觸狀態(tài)、信號傳輸?shù)姆绞揭约皽y試時的環(huán)境條件都會對測試結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。因此，在具體校準(zhǔn)過程中，除了進(jìn)行12項(xiàng)誤差因子的校準(zhǔn)，還應(yīng)通過大量試驗(yàn)在模型中加入擾動常數(shù)，確保S參數(shù)測試準(zhǔn)確。