RF多功能芯片on-wafer評估系統的研究

黃成，文忠鋒，顧世玲

（中國電子科技集團公司第二十四研究所，重慶 400060）

引言

在無線通信系統中，TR組件是相控陣雷達的重要組成部分，而射頻多功能一體化收發芯片是TR組件的重要組成器件。射頻多功能一體化收發芯片面積小、穩定可靠、產品性能一致性好、可量產，基于這些優點，多功能芯片廣泛運用，其性能和成本對通信系統有重要影響[1]。因此，芯片不同環境溫度下性能的準確評估對收發系統非常重要。實際評估中，由于多功能芯片工作頻率高，工作狀態多，測試指標多、待分析評估的數據量大、評估過程中控制信號狀態多，因此需要評估系統有較高的可靠性。若采用手動評估方式進行控制信號切換將會非常繁瑣，頻繁操作儀器設備、手動數據保存、現場分析芯片性能將非常費時且易出錯。因此本文根據某款多功能芯片研究和設計了一套自動化評估系統。

1 芯片主要指標

以某款X波段多功能芯片為例，其功能原理框圖如圖1所示。

圖1 某款X波段器件原理框圖

該款X波段一體化芯片的主要功能為對射頻信號進行幅度及相位控制，并且通過采用兩個單刀雙擲射頻開關和一個單刀三擲射頻開關進行通道切換實現接收/發射一體化。通過控制SW1、SW2、SW3三個開關實現RF_RX端信號經過處理后至RF_COM端輸出、RF_COM端信號經過處理后至RF_TX端輸出。

電路信號處理部分主要包含一個6位數控衰減器、一個6位數控移相器、2個寬帶放大器、兩個均衡器。數控衰減器和數控移相器由獨立的邏輯信號控制，故總共有12路并行邏輯信號來進行幅度和相位控制。其中數控衰減器的衰減范圍為0～31.5 dB，衰減步進為0.5 dB；數控移相器的移相范圍為0～354.375 °，移相步進為5.625 °。具體情況見表1～3。

數控衰減器、數控移相器和射頻開關的控制端電平低電平為-5 V，高電平為0 V。控制信號是高電平為參考狀態，控制信號是低電平為移相狀態或衰減狀態。

芯片主要特性指標包含增益、功率壓縮、衰減精度、衰減態、回損等，如表4所示。

表1 收發切換控制

表2 移相態控制

表3 衰減態控制

表4 電特性表

2 評估原理和方法

讓DUT處于一定的環境溫度下，評估DUT在不同的收發態、以及所有移相態、衰減態和其組合態的工作狀態功能以及相應的指標是否滿足要求。

表4中的所有指標均可使用矢量網絡分析儀進行測試。目前的多功能矢量網絡分析儀如PNA-X能直接進行S參數、功率壓縮、三階交調、噪聲系數、頻譜等指標測試[2]。

芯片評估時首先進行參考態測試并進行歸一化處理，以參考態為參考態進行測試。進行功能和指標測試時，芯片一共有8 000多種組合態。

圖2 評估系統原理框圖

3 評估系統設計原理

3.1 硬件設計

圖2為整個系統的測試原理框圖。系統分為上位機部分、USB轉IO控制部分、直流電源、電平模塊、矢量網絡分析儀、微波探針臺。下面一一介紹每個部分的作用。

上位機部分：負責整個芯片評估系統的有效運行，數據存儲等。實現方式為PC機，通過GPIB模塊程控微波探針臺移位，控制微波探針臺給器件提供需要的評估環境溫度，程控網絡分析儀進行測試數據讀取、保存、通過USB控制USB轉IO控制模塊。

USB轉IO控制：實現USB接口轉IO數字接口的功能，實現PC機控制多功能芯片。

直流電源：為被測芯片和電平模塊提供電源。

電平模塊：實現IO信號轉換成跟DUT相適應的電平信號，本設計主要實現TTL電平轉-5 V/0 V控制信號，同時實現給DUT供電和斷電。

矢量網絡分析儀：網絡分析儀用于DUT指標測量，存儲數據S2P文件或者CSV數據。

微波探針臺：用于多功能芯片承載和移位，芯片評估環境溫度提供。

3.2 軟件設計

測試軟件主要包含微波探針臺移位、矢量網絡分析儀狀態控制和測試結果讀取、DUT控制態發送等，如圖3所示。

首先檢測儀器狀態，當微波探針臺和矢量網絡分析儀狀態正常時，則發送控制命令進行系統初始化設置，保證微波探針臺、矢量網絡分析儀處于初始化狀態，并進行矢量網分絡分析測量狀態校準。然后控制探針臺溫度、探針臺移位，選擇需要測試的die，然后對DUT控制態執行初始化，扎針后發送不同的控制態對DUT進行控制，同時讀取對應態狀態某幾個關鍵頻點的測試數據，與電路對應輸出結果進行比較，當結果與預期一致時，假設電路功能正常，會記錄測試數據，同時S2P文件會保存在網絡分析儀存儲器里。當測試結果與預期不一致時，程序會進行警告，進行分析后會進行下一狀態確認。同一只DUT測試完所有狀態后可進行下一只分析評估。

圖3 程序流程圖

圖4 評估系統實物

4 試驗結果

研制的測試系統如圖4所示。該系統采用Cascade Microtech公司微波探針臺，采用Keysight公司的PNA-X網絡分析儀。上位機采用PC機，上位機操作系統為Windows XP，軟件平臺基于Visual Basic6.0開發，GPIB程控命令采用SCPI命令。

自動保存收態或發態的4 000多組組態對應的S2P文件軟件代碼如下：

以該款芯片參考態評估為例：25 °工作溫度下其4～16 GHz頻段的S參數實測結果如圖5所示，其中10 GHz處增益為10 dB；16 dB衰減態測試曲線如圖6所示，10 GHz處衰減量為16.059 dB；11.25 °移相測試結果如圖7所示，10 GHz處移相10.008 °。

圖5 S參數實測結果

圖6 16 dB衰減態實測圖

圖7 11.25 °移相實測圖

5 總結

本文研制的多功能芯片on-wafer級評估系統具有較大的實用性，評估效率高，減少評估人員的頻繁操作。同時自動保存不同溫度下芯片不同狀態下的評估數據，方便后期分析。同時，本系統軟件代碼進行少部分更改，可直接用于多功能芯片的量產測試。