关于射频微波去嵌入技术的调研.doc

关于射频微波去嵌入技术的调研在微波射频电路中，一个不可避免的问题就是测量电路或者器件的参数，由于高频电路的特殊性，对于器件参数的测量要求很苛刻，为了使测量的指标和实际的情形十分接近，我们需要考虑很多因素对测量系统的影响，其中最重要的因素之一就是夹具的去嵌入问题，下面就国内外在去嵌入技术上的重大突破做一下调研。对于微波有源器件建模和性能特性测量,矢量网络分析仪发挥了重要作用,以矢量网络分析仪为核心的有源器件和MMIC自动测试系统得到了快速发展。矢量网络分析仪等测量仪器的测试端口或者参考面一般为标准同轴连接器或波导,如3.5mm和2.4mm 同轴连接器,有源器件如微波晶体管、场效应管和二极管等一般为未封装的管芯或梁式引线封装,在被测有源器件和测量仪器之间必须引入测量夹具予以转换。测量夹具的引入解决了有源器件的直流偏置、信号激励与检测的问题,但同时引入了测量误差,去除有源器件测量夹具引入的误差必须进行去嵌入运算。矢量网络分析仪测量有源器件事先必须进行测量校准,一般在矢量网络分析仪的同轴测量端口或波导测量端口采用OSLT校准方法或TR L校准方法进行校准,可以去除矢量网络分析仪本身的系统误差,从而提高测量精度;另一种测量校准方法就是在测量夹具上进行测量校准, 如TRL、LRL、LRM、TOM、SOLD和OSL等校准方法，这些校准方法都有一个共同的特点就是需要一个微带或共面波导等平面传输线制成的校准件,把测量夹具引入的误差作为整个矢量网络分析仪的系统误差,通过在微带或共面波导参考面上进行测量校准和误差修正和误差修正予以剔除。微带型或共面波导型校准件存在两个方面的问题:一是微带型或共面波导型校准件制作工艺比较复杂,性能指标难以提高;二是微带型或共面波导型校准件定标问题一般单位难以解决,现有的测量手段只能解决具有同轴或波导参考面的部件和组件测量问题,无法满足微带和共面波导等平面传输线校准件的定标要求。鉴于这些原因有源器件测量夹具的去嵌入问题,一直是有源器件建模和测量领域研究的热点问题。在有源测量夹具完全对称的假设下,提出了一种无需在微带或共面波导等平面传输线参考面上进行校准的去嵌入方法,这种方法的优点就是不需要微带或共面波导校准件,只需要用常用的同轴或波导校准件在同轴连接器或标准波导参考面上进行测量校准和误差修正即可达到去嵌入的目的。通过理论研究和试验研究, 可以看出这种去嵌入方法可以满足一般工程测量要求。尽管该方法只能适应于结构对称的测量夹具, 但在工程实现的过程中保证夹具对称性还是有可能的, 具体措施就是在测量夹具设计图纸上保证结构对称性, 尤其是电长度保持一致, 采用相同夹具材料, 通过控制物理尺寸和公差, 就可以保证测量夹具的对称性。由于时间关系此次实验没有在测量夹具对称性方面花费太多精力, 进一步工作在改进算法和保证测量夹具对称性方面做更深入的研 究; 通过选择更多的实验样品包括对晶体管和场效应管等有源器件进行实验, 对去嵌入方法的有效性和测量误差进行深入研究和分析. 希望研制出通用的测量夹具, 解决测量夹具设计制造问题, 逐步形成系列化产品, 在有源器件测量和夹具去嵌入算法研究方面进一步提高工程化和实用化水平, 在测量仪器、测量夹具和测量控制软件等方面提供成套的解决方案。在射频微波领域，我们测试一个器件各项参数的最大的挑战之一，是如何消除有害的夹具效应。不消除这一效应，就无法得到被测器件的精确特性。这导致即使器件性能再好，也只能得到较低的产品规格。目前有三种消除夹具效应的技术：建模，去嵌入和直接测量。夹具和被测件（DUT） 的相对特性决定了需要哪种水平的校准来满足必须的测量精度。去嵌入用来去除不需要的夹具效应，对于有着标准同轴连接器的器件是容易精确测量其S 参数的，但是对于微带片滤波器就需要专门的测试夹具。去嵌入包括SOLT,TRL等技术。现就SOLT技术在去嵌入中的应用调研。随着通信、雷达、电子对抗等高新技术的发展, 对系统的小型化、低成本、高可靠性等要求愈来愈高, 而系统的全固态化是实现要求的根本途径, 因此单片微波集成电路(MMIC) 在当今电子业的巨大推动下得到了迅速发展。目前微波固态电路的设计多使用EDA,其中器件测试方法的准确度直接影响到模型库的建立, 并进一步关系到产品的成本、生产周期和数据监测等问题。在片测试技术是一种应用于MIc 研究与生产的新型测试技术, 它省去封装所带来的影响。但由于MIc 的器件尺寸很小, 因此仍需要小型化集成化的测试夹具, 并且随着以GaAs、InP 材料为代表的高速器件的发展, 使MIC 的工作频率大大提高, 因此对有源及无源器件的精确测量提出了更高的要求, 尤其是要排除测试夹具的影响, 即解决好去嵌入问题。对于MMIC 通常的去嵌入方法是采用等效电路来表征夹具参数, 然后根据P 等效网络形式进行网络参数转换来实现剥离。随着器件的工作频率不断提高, 寄生的效应非常明显, 难以用简单的等效电路结构来准确表征夹具参数。这时如果采用校准网络的方法用网络误差函数来表征夹具的参数将是一个快捷准确的方法。传统的SOLT法是用于测试系统的校准, 本文把SOLT 方法应用到了MMIC器件的去嵌入问题上, 对芯片电感进行了测试,同时以三维电磁场全波计算结果为标准, 将测试结果同传统的等效电路去嵌入方法进行了比较,数据表明采用校准方法的测试结果更接近于真实值。1.传统的等效电路去嵌入原理传统的去嵌方法如图l 所示,首先把夹具参数等效成串并混合电路结构, 然后通过网络参数变换求解出待测元件(DUT) 真实参数(图中的BC E 方块), 即用Y 矩阵去除并联参数, Z矩阵去除串联参数。为了去嵌入, 要求两个参考件: 开路器和短路器。去嵌步骤如下:1.首先测出DUT同夹具总的S参数Stotal，夹具接短路器的S参数Sshort 和夹具接开路器的S参数Sopen=。2.然后将Stotal转换成Ytotal,Sopen转换成Yopen,Sshort转换成Yshort,相减得到Yl = Ytotal-Yopen,YZ = Yshort-Yopen,以去除并联参数。3.再将Y1转换成Z1,Y2转换成Z2 , 相减得到ZDUT=Z1-Z2以去除串联参数。4.最后将ZDUT转换成SDUT,得到待测元件的S参数。2.SOLT校准法原理SOLT 校准技术采用四个标准件: 短路器(Short)、开路器Open)、匹配负载(Load)和直通段(Thru),将微波矢量网络分析仪两端口的全部12 个误差函数确定以实现测量校准。这12 个误差函数模型如图l 所示。这里ED、ED？伪方向性误差,Es 、Es？伪等效源失配误差, Ex、Ex？ 为隔离误差, ETT、ETT?为传输跟踪误差, ERT、ERT？为反射跟踪误差, EL、EL?为等效匹配负载失配误差。设端口的实际测试值为s, 待测校准值为S, 它们满足以下四个方程:正向误差: S11M=ED+S11AERT(1-S22EL)+S21MAS12AELERT)/D (1)S21M=EX+S21METT/D (2)反向误差：S22M=ED?+S22AERT?(1-S11AEL?)+S12AS21AEL?ERT?/D2, S12M=EX?+S21AETT?/D2式中D=1-S11AES-S22AEL-S21AS12AESEL+S11AS22AESEL (3)D2=1-S11AES?-S22AEL?-S21AS12AES?EL?+S11AS22AES?EL? (4)我们通过测量不同的标准件得到一组方程, 以求解出全部的12 个误差值。测试步骤如下:1.反射误差项校准:在图2(a)所示的portl处依次接匹配负载、短路器和开路器测出各自的Sl lM, 由式(l)得到的3 个方程求解出ED、Es、ERT, 同理在图2(b)所示的Port2处重复上述操作测出各自的S22M,由式(3)得到的3个方程求解出ED?、Es?、ERT?。2.负载失配误差项校准:在图2(a)所示的Portl和PortZ之间接直通段,测出S,M,由式(l)解出EL。同理通过图2(b)的Portl和Port2之间接直通段测出S21M2由式(3)解出EL?。3.传输误差项校准:在图2(a)的Portl处接匹配负载测出S21M1, 再在Portl和Port2之间换接直通段测出S21M2,由式(2)求解出EX和ETT。同理由图2 (b)重复上述操作测出和S12M1，S12M2由式(4 )求解出Ex?和ETT?。4.测试设计与结果我们自己建立的连接着夹具的测试标准件版图如图3 所示由直通段、短路器、开路器和匹配负载组成, 连接着夹具的待测件版图如图4 所示, 所有夹具的共面波导地均采用通孔接地,待测件的电磁场建模图如图5。测试采用Cascade 微波在片探针台和Agilent矢量网络分析仪,三维电磁场全波计算使用的是Ansoft电磁场EDA软件。频率范围在10 0 兆到26.5 吉赫兹内,两种方法的测试结果以及电磁场计算结果的比较如图6所示,图中线A(虚线)为未进行去嵌的总的测试结果,线B(实线) 为通过传统的去嵌入方法计算的结果,线C(虚线)为本文提出的采用SOLT校准方法计算结果,线D(实线)为采用电磁场计算的结果。由图6 可以看出, 在低频处夹具的影响比较小, 几条曲线是重合的。当频率升高后,夹具带来的寄生效应是明显的(A 与C 比较)。而对于两种去嵌方法的比较可以看到, 采用S OLT 校准方法比传统的等效电路去嵌法更接近电磁场计算结果, 而且在高频处效果更明显。实际中标准件也存在寄生效应, 标定的误差