在片功率参数校准方法研究.pdf

收稿日期:2015-07-01, 修回日期:2015-09-22 作者简介:刘晨(1986-),男,工程师,主要研究方向:无线电、网络参数计量测试。 2016 年 2 月宇航计测技术Feb. ,2016 第 36 卷 第 1 期Journal of Astronautic Metrology and MeasurementVol. 36, No. 1 文章编号:1000-7202(2016) 01-0014-04 中图分类号:YTN98 TM9333. 3 文献标识码:A 在片功率参数校准方法研究 刘 晨 孙 静 梁法国 吴爱华 张立飞 (中国电子科技集团公司第十三研究所,河北石家庄 050051) 摘 要 针对在片功率参数的校准需求,分析如何通过矢量方法修正由于微波探针和功率计引入的失配误 差,并推导相关修正公式。 同时对在片功率测量矢量修正中涉及的微波探针 S 参数提取方法做介绍,并将试验提 取的 S 参数与微波探针的出厂数据比较。 最后将在片功率参数测量的矢量修正数据分别与标量修正数据和未修 正数据比较,结果表明,在 40GHz 内,运用矢量修正得到的在片功率参数测量结果准确度较未修正结果提高 0. 4dB,较标量修正结果提高 0. 1dB。 关键词 在片功率测量 在片 S 参数 失配误差 矢量修正 Research on Calibration Method of On-wafer Power LIU Chen SUN Jing LIANG Fa-guo WU Ai-hua ZHANG Li-fei (The 13thResearch Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Shijiazhuang, Hebei 050051) Abstract For on-wafer power calibration, using a vector method to correct mismatch error intro- duced by microwave probe and power meter was proposed, and showed related formula. Then a method of extracting S parameters of a microwave probe was introduced, and compared the result with factory meas- urement data of the probe. Finally, the power measurement result using vector correction was compared with that of using scalar correction, showing that the at the frequency up to 40GHz, the accuracy of meas- urement result with vector correction is 0. 4dB higher than without correction, and 0. 1dB higher than sca- lar correction. Key words On-wafer power measurement On-wafer S parameters Mismatch error Vector cor- rection 1 引 言 近年来,微波功率器件广泛应用于各类雷达、卫 星、基站、广播电视等通信系统中。 随着信息产业的 迅速发展,要求微波功率器件体积更小,发射功率更 高,频率更高,效率更高,因此不加封装的裸芯片微 波功率放大器被越来越广泛的使用。 而对于微波单 片功率放大器的测试,其主要技术指标包括输出功 率、增益、功率附加效率、1dB 压缩点等,都离不开在 片功率参数的测试,因此如何校准单片功率电路测 量系统的功率参数尤为重要1。 2 在片功率测量现状 在片功率参数的测试实质上就是测量微波单片 电路输入/ 输出端口的绝对功率值,其测量端口的连 接形式是使用微波探针进行在片连接。 传统的在片 功率参数测量系统如图 1 所示,其测量方法如下:首 先将输入/ 输出探针连接直通校准件,利用已在同轴 端口校准好的标量或者矢量网络分析仪测量输入输 出两个微波探针的插入损耗(即图 1 中 A、B 端口之 间的插损),然后移去网络分析仪,将被测功率放大 器放在探针台上,信号源连接至输入探针,功率敏感 器连接至输出探针,测量不同源激励下功率计的读 数;最后将功率计的读数减去微波探针插损就得到 器件在片输出端口处的功率值,并由此可计算 1dB 压缩点、增益、附加效率等与功率相关的各项参数。 图 1 传统在片功率测量的连接示意图 是得科技公司推出 PNA-X 矢量网络分析仪以 后,借助 PNA-X 矢量网络分析仪强大的数据处理能 力,使在片功率测量变得更加方便,在测量时只需使 用功率计校正矢量网络分析仪内部信号源输出的绝 对功率和测量接收机的参考功率即可,并且测量结果 如 1dB 压缩点、增益、功率附加效率等都可以直接从 矢量网络分析仪读出。 使用 PNA-X 矢量网络分析仪 进行在片功率单片测量系统连接情况如图2 所示。 以上两种测量方法在功率测量时仅仅对微波探 针的插入损耗进行了修正,没有考虑微波探针失配 图 2 使用 PNA-X 在片功率测量的连接示意图 产生的功率反射,严格的说,仅通过微波探针的插损 修正在片功率值仅满足对测量精度要求不高的工业 测量要求,无法实现在片微波功率参数的计量要求。 3 矢量修正模型 为了实现在片功率参数的精确计量,需考虑微 波探针和失配因素对在片功率测量带来的影响。 回 顾同轴功率测量,微波功率器件(信号源)的输出端 口接入功率计(负载)时,功率计吸收功率的 PL可 表示为2 PL= P0 1 - L 2 1 - GL 2 (1) 式中: P0 微波功率器件输出端口传输到无反射 负载上的功率; G 微波功率器件输出端口反 射系数; L 功率计的反射系数。 在微波功率器件输出端口和负载(功率计)之间加 入二端口网络(微波探针)时,信号传输如图3 所示。 图 3 在片功率测量示意图信号传输模型 51 第 1 期 在片功率参数校准方法研究 图中二端口网络的散射方程可表示为3,4 b1= S11a1+ S12a2= S11a1+ S12Lb2 b2= S21a1+ S22a2= S21a1+ S22Lb 2 (2) 若设 in为微波探针探针头处的反射系数,out 微波探针同轴端口的反射系数。 根据 S 参数相关知 识,可得出 in和 out的表达式 in= S11+ S12S21L 1 - S22L (3) out= S22+ S12S21G 1 - S11G (4) 二端口网络的输入功率 P in和负载吸收的功率 PL分别为 Pin= 1 2 a1 2 1 - in () 2 (5) PL= 1 2 b2 2 1 - L () 2 (6) 从式(5)和式(6)可以看出,只要求出 a1与 b2 的关系,即可得到 Pin与 PL的关系。 由式(2)可得 b2= S21 1 - S22La1 (7) 因此 Pin= 1 - S22L 2(1 - in 2) S21 2(1 - L 2) PL(8) 式中: Pin 微波功率器件修正后的功率值; PL 功率计的读数。 4微波探针和功率计S 参数测量及验证 在式(8)中,对矢量参量 in的求取需要使用微 波探针的 S 参数。 由于微波探针出厂时只给出了 S11、S22和 S21的模值信息,并未给出相位信息,因此 需要通过测试提取微波探针的 S 参数。 对于微波探 针 S 参数的获得,本文采用适配器去除技术,具体如 下。 1)使用同轴校准件在同轴端口做一端口 SOL 校准,并保存 Calset 文件; 2)使用在片标准样片在微波探针端口做一端 口 SOL 校准,并保存 Calset 文件; 3)利用矢量网络分析仪内部提供的 Adapter Removal 技术,提取探针头的 S 参数。 为了验证对微波探针 S 参数提取的正确性,本 文使用是得科技 N5244A PNA-X 矢量网络分析仪, 结合同轴校准件85056D 和 Cascade 在片校准件101 -190C,对 Cascade 公司生产的 ACP-A-GSG-150 型 号微波探针进行 S 参数测试,测试得到的 S 参数数 据与微波探针出厂数据做了比较,在 40GHz 内,探 针端口回波损耗、同轴端口回波损耗和微波探针的 插损测量结果与出厂值分别如图 4、图 5 和图 6 所 示,另外使用矢量网络分析仪测量功率计(型号 U2022XA)的回波损耗测量值如图 7 所示。 图 4 探针端口回波损耗出厂值与测量值比较 图 5 同轴端口回波损耗出厂值与测量值比较 图 6 插损出厂值与测量值比较 61宇航计测技术 2016 年 图 7 功率计回波损耗测量结果 从上图中可以看出,在 40GHz 频率范围内,微 波探针的输入/ 输出回波损耗小于-15dB(对应反射 系数小于 0. 18),插入损耗小于 0. 53dB。 实际测量 结果与出厂值在 10GHz 以上吻合较好,在 10GHz 以 下测量数据与出厂数据偏离较大原因是微波探针尖 出现了轻微磨损。 5 测试结果及分析 根据矢量误差修正模型的推导结论,并利用微 波探针 S 参数的测量数据,和微波功率计输入端口 的 S11测量数据,功率计显示值为 0dBm 时,微波裸 芯片功率器件在片端口输出的绝对功率值分别做了 标量修正、矢量修正和未修正,结果如图 8 所示。 未修正测量结果直接从功率计示值得到,测量 误差包含微波探针插入损耗与微波探针和功率计 的失配影响,因此测量结果与真实值的偏差较大。 由图 6 可知,未修正的测量结果中仅微波探针插损 引入的测量不确定度在该频段内达到 0. 5dB 以上, 而且随着频率的升高,微波探针的插损会越来越 大,因此在片功率测量时必须要考虑微波探针插损 的影响。 标量修正测量结果仅将微波探针的插入损耗加 以修正,未考虑微波探针和功率计失配的影响。 由 图 可知,在微波探针匹配较为理想的情况下,标量 修正测量结果比矢量修正测量结果在该频段内最大 相差 0. 1dB。 由于标量修正的计算方法简单,在修 正时仅需知道微波探针的插损即可,因此在微波探 针匹配情况较好,并且测量精度要求不是很高的情 况下,可以考虑采用标量方法对在片功率测量结果 进行修正。 矢量修正在标量修正的基础上,将微波探针和 功率计的失配情况加以考虑,其测量结果的不确定 度最小,但是计算过程复杂,并且需要提前得到微波 探针和功率敏感器的反射系数。 因此在计量或其它 对测量准确度要求较高测试时,应运用矢量修正方 法对在片功率测量结果进行修正。 图 8 不同修正方法测量结果比较 6 结束语 针对在片功率参数的测量,本文将测量结果的 矢量修正方法进行了介绍,并应用此方法对功率测 量结果的失配误差进行修正,同时定量对应用不同 方法测量在片功率参数的结果中所含误差进行了 分析。 参考文献 1 王文娟, 项道才, 胡菊萍. 固态微波功率器件测试方 法研究J. 半导体技术, 2012, 37(12):974 978. 2 J. Randy Fenton. Vector Corrected Power Sensor Calibra- tion System C.ARFTG Conference Digest-Spring, 51st. IEEE, 1998:94 98. 3 M. Demmler, P. J. Tasker, M. Schlechtweg. A Vector Corr