解析微波射頻差分探針去嵌入理論

中國電子科技集團公司第五十四研究所 許志濤

隨著微波射頻集成電路技術的發展，越來越多的微電子產品被應用于射頻和微波頻段。在設備性能得到提升的同時，消費者要求電子設備和系統均需朝向小型化、高性能方向發展，故傳統的獨立封裝模式必然會被時代所淘汰。為了滿足對高頻高速、射頻微波集成電路與器件性能的新需求，需采用新型技術對微波集成電路和器件進行更高質量的測試，故研究微波射頻差分探針去嵌入理論很有必要。

1 微波射頻差分探針去嵌入相關理論和技術原理簡析

1.1 微波網絡理論

圍繞微波工程相關問題進行分析時，可選用的方法一般有兩種，即場論分析法和網絡分析法前者基于麥克斯韋方程組（一組偏微分方程，共包含高斯定理、高斯磁定律、麥克斯韋-安培定律、法拉第電磁感應定律共四個方程）和邊界條件，主要目的在于對微波元器件內部的“場型結構”進行揭示；后者一般以目標研究對象的外部特性作為主要目標。上述兩種方法之間存在緊密的聯系，在分析過程中可互相作為補充。

從廣義角度進行分析，微波網絡分析法的特征類似于控制論創始人N·Wiener提出的“黑盒”研究方法。但與“黑盒”不同的是，微波網絡分析法并不會對“黑盒”網絡的內部結構進行細致探究，分析過程也不會對“黑盒”網絡本身造成破壞，而是通過對“黑盒”網絡與外部鏈的各個端口的輸入/輸出情況進行分析，希望全面獲悉“黑盒”網絡的外部特性。具體而言，如果一個“黑盒”網絡呈現出“線性”特質，則其特性可通過創建矩陣的方式進行描述。因此，微波網絡也可被視為一個“黑盒”，當信號進入此種網絡之后，信號自身的幅度、相位、頻率均有可能發生顯著變化。綜合而言，從本質上來看，微波網絡實際上是一種“信號變換分析系統”。

1.2 二端口網絡參數

使用微波網絡理論對相關問題進行分析，需將針對內部電磁場的分析轉化為對外部網絡傳輸特性的分析。以此為基礎，分析問題便會轉化為時域和頻域的分析。基于此，研究人員圍繞微波電路開展網絡分析時，應該系統性地提取目標網絡的各項參數。通常情況下，作為主要研究對象的微波元器件擁有兩個端口，即為二端口微波元器件。此種元器件的網絡特性一般以四個S參數（散射參數，微波傳輸中的一個重要參數，S12為反向隔離傳輸系數，S21為正向增益傳輸系數，S11為輸入回波損耗反射系數，S22為輸出回波損耗反射系數）加以表示。四個S參數均建立在元器件入射波、反射波的關系基礎上。具體的運行原理為：元器件的一個端口向另一個端口傳輸信號時，產生的正向特性與兩個端口各自產生的反射信號特性均可作為描述微波電路網絡特性的重要元素。通過此種方式對網絡進行分析時，不僅物理意義十分明確，測量過程的便捷程度較高，還可以較為輕易地與其他微波網絡產量相互轉化。比如在一個二端口S參數網絡模型中，位于左側的端口1輸入a1信號，輸出b1信號；位于右側的端口2輸入a2信號，輸出b2信號。在此情況下，上文提到的四個S參數的具體表現形式為：S11=端口1反射信號（反射波，下同）/端口1的入射信號，即為b1/a1；同理，S21=端口2的反射信號/端口1的入射信號=b2/a1；S12=端口1的反射信號/端口2的入射信號=b1/a2；S22=端口2的反射波/端口2的入射波=b2/a2。經過進一步變換，可得出二端口網絡S參數的表示關系為：

一般情況下，S11和S22的絕對值均不會超過1；如果器件有增益需求，則S11的絕對值必須超過1，S12的絕對值必須小于1；對于有衰減需求的器件，S21和S12的絕對值均需在1以下。

1.3 微波射頻差分探針去嵌入技術原理

以上述兩種技術作為基礎，逐漸探索生成的微波射頻差分探針去嵌入技術應用于測試系統時的效果更好。若要解析該項技術，首先需要明確一組概念，即“嵌入”與“去嵌入”。前者指代在測試系統中，除了對被測試的元器件本身進行測試外，儀器端口與被測件之間的測試設備乃至過渡結構均需一同接受測試。原因在于，除了被測件之外，上述待測項目的結果會對被測件的測試結果產生較大的影響，故為了保證測量結果的精準程度，不可漏過任何一項。此間的道理類似于，在切開一塊玉石之后，有95%的翡翠和5%的石頭。對于該玉石而言，5%的石頭是雜質，嚴重影響翡翠整體的純凈度（盡管占比相對較低，但事實卻是，石頭已經“嵌入”了玉石之中）。因此，若要得出翡翠占比率為“95%”這一結論，必須對其中摻雜的石頭進行“去嵌入”處理。回到測試過程，所謂“去嵌入”即為將測量儀器、設備、過渡結構對被測件測量結果產生的影響降到最低。

基于片測試系統進行研究分析時，研究人員通常采用同軸線型的探針，對測試儀器與待測件進行連接。具體而言，此種同軸線型探針的連接方式為：由同軸線的內導體逐漸向外延伸，與被測件端口的電路相連；與此同時，同軸線的外導體與測試電路之間需形成“地相接”的關系。在此種應用于片測試中的同軸線性探針中，最經典的結構為GSG型，在兩側設計接地探針，在中間設置信號探針。為了提高對微波射頻集成電路和器件測量的精確程度，被測件需放在一個經過特殊處理的探針臺上。此種探針臺是一種基于機械臂的精密“微動臺”，探針可連接到器件的焊盤之上，在此基礎上，探針會進一步與具備同軸電纜的儀器相連。至此，探針可被視為從同軸到焊盤過渡作業流程的一種“適配器”。在此種測量模式下，技術人員獲得的所有數據必然同時受到探針、焊盤、被測件的影響。為了盡可能地消除探針以及焊盤對測量數據造成的影響，將測量誤差控制在最低限度，必須借助微波射頻差分探針去嵌入技術。

2 微波射頻差分網絡去嵌入理論的相關推導

2.1 微波射頻差分網絡去嵌入的一般結論

電子科技大學電子科學與工程學院吳宇、高源慈等研究員為了更加便捷地描述微波射頻差分網絡去嵌入的一般結論，設置了一種簡單的差分網絡級聯模型，具體構成如下：該級聯模型共由三個部分組成，位于中間的即為DUT待測件，左側為誤差網絡A、右側為誤差網絡B。圍繞該模型進行測量時，可將誤差網絡A、B與待測件DUT均視為3個不同的網絡（級聯）。表示誤差網絡A的矩陣TA的覆蓋范圍為左邊測試端口到中間DUT左側測量參考面，是一種廣義傳輸矩陣。表示誤差網絡B的矩陣TB與TA構成原理相同，二者在形態上呈現對稱性。除此之外，表示DUT待測件的矩陣為TD，具備單獨性且同樣是廣義傳輸矩陣。經過推導和轉化后，可得出如下證明，廣義傳輸矩陣和對應的廣義反向傳輸矩陣之間具備一定的關系，具體如下：

對公式（2）進行進一步變換處理，將三個差分級聯網絡性整體混合S參數整合后，可得出：

公式（3）表明，差分網絡級聯的整體廣義傳輸矩陣為誤差網絡A的廣義傳輸矩陣、單獨的DUT廣義傳輸矩陣、誤差網絡B的廣義反向矩陣的乘積。

基于差分網絡去嵌入校準的一般方案（即MTRL，直通→反射→傳輸），通過對兩條長度不同的傳輸線以及具備左右對稱關系且相同的“反射校準件”，用以完成“去嵌入”的操作。為了保證上述作業過程時刻處于“嚴謹”的狀態，所使用的校準件必須能夠傳輸差模和共模信號，且同樣需要具備差分結構。用于反射校準件的反射性能必須達到相關標準。在此基礎上，經過測量而得的各項數據的精確程度便會更高。

2.2 水平對稱差分網絡的去嵌入

用于差分去嵌入的MTRL方法理論推導結果顯示，廣義散射矩陣對應項的系數比十分關鍵，通過矩陣計算的方式得出之后，可通過直通校準件和線校準件，對DUT待測件的純模式傳輸參數進行確定。進一步分析之下可得出的結論如下：

（1）若差分探針與被測件處于水平軸對稱狀態，可進行如下理解：端口1、2處于完全相同的狀態，端口3和端口4同樣如此。

（2）基于奇偶模進行分析后，能夠清晰證明差模和共模之間的轉換參數均為0，且如果純模式參數如果不同，則必然處于“分開”的狀態。此種情況表明差模參數與共模參數之間盡管可能存在一定的聯系，但具備相互獨立性。

基于上述推論，對有關“水平對稱”的架設可以不再進行模式轉換參數的處理，可直接將傳播模式簡化為“純差模”和“純共模”。至此階段，在水平對稱的測試中，誤差網絡A、B的廣義級聯矩陣能夠運用差模和共模的混合S參數進行表示，意味著差分DUT待測件的S參數可通過MTRL完成“去嵌入”。

結語：在國家大力支持微波射頻集成電路及芯片半導體行業發展的今天，無論是專業技術人員還是社會大眾，均需加強對微波射頻測試技術的了解。特別是專業測試人員，不僅需要掌握最新測試技術的發展動態，還需不斷提高自身的專業技術素質修養。只有具備此種意識，才能對微波射頻差分網絡及探針嵌入和去嵌入等技術進行精確掌握，進而提高有關測試結果的精確度。