四端口晶片射頻測量方法取得進(jìn)展

　　對于工程師來(lái)說(shuō)，對采用新型的差分和四端口射頻設計架構的高速半導體器件的需求日益增長(cháng)。目前，四端口架構在高速無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品中已經(jīng)很流行。

　　對于四端口設計的射頻測量來(lái)說(shuō)，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進(jìn)行驗證和校準。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(lái)那么簡(jiǎn)單，而所帶來(lái)的復雜性和產(chǎn)生的問(wèn)題呈指數增加。進(jìn)一步說(shuō)，直到今天，先進(jìn)的“寬容限探測(probing-tolerant)”四端口校準技術(shù)都還沒(méi)有研發(fā)出來(lái)。

　　本文將討論如何解決四端口器件測量中出現的復雜問(wèn)題，以及如何確保射頻測量系統的精度、可靠性和可重復性。

簡(jiǎn)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。例如，有人可能會(huì )問(wèn)，“我的兩端口VNA校準能夠直接用于四端口設計嗎？”答案很明確：根本不行！而且，還會(huì )出現一些與四端口校準所用的雙信號晶片探測和阻抗標準相關(guān)的其他一些問(wèn)題。

　　四端口器件測量所產(chǎn)生的獨特問(wèn)題主要包括：

1. 探頭位置的不正確所引起的測量誤差；

2. 校準單元的電知識不完整；

3. 缺乏先進(jìn)的可用于四端口校準的VNA；

4. 對非理想的四端口校準架構的敏感度問(wèn)題；

5. 雙信號探頭的高串擾問(wèn)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。校準標準中探頭位置的變化將會(huì )引起其電特性偏離所定義的標準參數。當這些探頭位置相互移動(dòng)時(shí)，也會(huì )引入校準誤差。通常，還沒(méi)有各種標準的不同電定義。隨著(zhù)端口數的不斷增加(就像目前的四端口)，需要對更多的標準進(jìn)行測量。在最壞的情況下，所需測量的標準數可能正比于N2（N為網(wǎng)絡(luò )的端口數量）。

　　　　　　圖1：傳統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)帶有用于增強導引的數字成像系統的晶片探測器，低串擾雙信號探頭，雙阻抗標準基片(ISS)，相位穩定電纜和帶有為四端口優(yōu)化的先進(jìn)校準算法的專(zhuān)用校準和測量軟件。

該方案的特點(diǎn)為：

1. 具有自動(dòng)級差的固定探頭定位；

2. 對標準的探頭誤差具有低敏感度；

3. 所需的標準和定義數最少；

4. 能夠容忍非理想的標準；

5. 射頻雙信號探頭的串擾低；

6. 先進(jìn)的四端口校準方法。

在四端口晶片上實(shí)現差分測量

　　四端口測量的首要挑戰是能夠確保精確的、可重復的校準和驗證結果的正確系統設置。當構建一個(gè)四端口測試系統時(shí)，每個(gè)分量都應該單獨考慮。

矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀

　　對于固定模式和差分測量來(lái)說(shuō)，目前的四端口VNA采用多路兩端口校準（每個(gè)端口上接短路-開(kāi)路負載）。這就需要每個(gè)單端口進(jìn)行一遍的激勵。VNA用算術(shù)方法將單模式數據轉換成混合模式。這是的主要限制在于被測器件必須是線(xiàn)性的，以便用于混合模式中各項的精確計算。

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擾的探頭。

圖2：混合校準（LRRM-SOLR）與SOLT校準兩種方案中插入損耗的交叉傳輸線(xiàn)比較。

GSGSG和GSSG 探頭的比較

　　對于四端口設計,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67GHz。接地連接將多個(gè)信號分離開(kāi)，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(méi)有串擾，而傳統的探頭中將產(chǎn)生無(wú)法解決的串擾。

　　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)限制了應用頻率。許多探頭受限于端上的長(cháng)金屬探針。進(jìn)一步地說(shuō)，頻率越高，性能就越差。使用傳統的探頭，并排的金屬指 (共面波導)將在指間產(chǎn)生邊緣場(chǎng)。具體的場(chǎng)圖很難控制，這將引起耦合，從而限制了帶寬。

減小邊緣場(chǎng)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(xiàn)，在探針處為共面傳輸。微帶線(xiàn)能夠比傳統的探頭更好地限制邊緣場(chǎng)，減小了與周邊器件和其他探頭間的耦合，因而實(shí)現了更高的精度。進(jìn)一步說(shuō)，微帶將串擾降到了最小，從而能夠實(shí)現高密度、精細的多探針的探頭，進(jìn)而能夠以更高的頻率來(lái)處理更多的測試點(diǎn)。

校準-四端口精密測量的關(guān)鍵

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

　　　　　　　　　　　　　　　　圖3：四端口校準的完整系統示意圖。

　　例如，眾所周知，不同標準的探頭位置變化以及七個(gè)標準中的不同定義都要影響SOLT(短路-開(kāi)路-負載-直通)校準的精度。當校準定義由探頭制造商提供時(shí)，一些值取決于所考慮的標準的數量。標準過(guò)多或過(guò)少都會(huì )令輸入的標準值無(wú)效，從而導致誤差。

　　Cascade Microtech公司的先進(jìn)校準技術(shù)減小了探頭位置變化的影響。該LRRM(線(xiàn)-反射-反射-匹配)校準采用自動(dòng)補償技術(shù)，為標準的感應系數提供實(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校準并不依賴(lài)于具有不精密的已知電特性參數的標準。在該校準中，以直通的方式能夠提供絕大部分所需信息。該架構近似理想，因為其長(cháng)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(lái)說(shuō)，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校準被提供用于四端口應用，并且在Cascade Microtech公司的WinCal XE校準軟件中可以使用。該校準方法利用了上述兩種校準方法的優(yōu)點(diǎn)，為四端口校準提供了極好的性能。

　　一個(gè)完整的四端口測量系統將提供下列優(yōu)點(diǎn)：

1. 對不同標準中的探頭放置的敏感度低；

2. 對標準數量和標準的電定義數量要求最少；

3. 具有固定的探頭定位自動(dòng)晶片移動(dòng)；

4. 允許非理想的回環(huán)直通；

5. 較低的信號間串擾；

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

本文小結

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