微波信號測試過程中的誤差校準分析

劉 洋，左 寧

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

隨著5G技術的發展，云計算與人工智能逐步融入人們的日常生活，由于微波測試技術具有安全、可靠、實時準確等特點，廣泛用于工業互聯網、物聯網、智能制造等領域，也將通過無線局域網、直播衛星系統、全球定位系統、本地多點分布服務系統和射頻識別系統等改變人們傳統的生活方式。隨著微波器件的大量應用，微波信號測試的準確性越來越成為微波器件性能保障的關鍵[1]。

在晶圓微波測試時，通過測試探針移動、GSG探針與芯片被測焊盤接觸，將矢網測試儀測試數據傳輸到工業控制計算機進行數據處理，通過數據通訊與分析完成測試過程，如圖1所示。如何消除系統誤差是保證微波測試S參數準確性的前提條件。

圖1 微波測試示意圖

1 S曲線測試原理

在低頻電路的測試中采用集中參數電路分析的方式，即進行IV測試[2]。而在高頻電路中，由電磁場理論可知，電路通過傳輸線時會產生分布參數，即產生分布電容、分布電感、分布電阻和分布漏電導，因此，集中參數電路分析的方式已經不適用于高頻電路的分析。在微波信號測試過程中，很難測量電流或電壓，需要測量S參數來表征微波器件的電性能[3]。高頻電路分析基于麥克斯韋方程組化場為路分析的方式，其中S參數是描述電磁波高頻特性的主要參數。S參數又稱散射參數，是建立在入射波、反射波關系基礎上的網絡參數，適于微波電路分析，根據器件端口的反射信號S11、S12以及從該端口傳向另一端口的信號S21、S22來描述電路網絡，是評價微波器件性能的最為關鍵的參數之一，如圖2所示。

圖2 S參數信號傳輸示意圖

S曲線的表征參數由S11、S12、S21、S22組成，其中S11為端口2匹配情況下端口1的輸入反射系數，也就是輸入回波損耗，用a1表示，如式(1)所示；S21為端口2匹配情況下的正向傳輸系數，也就是增益，用b2表示，如式(2)所示；S22為端口1匹配情況下的端口2的輸出反射系數，也就是輸出回波損耗，用a2表示，如式(3)所示；S12為端口1匹配情況下端口2反向傳輸系數，也就是隔離[4]，用b1表示，如式(4)所示。

2 OSLT片上校準技術

在S參數測試過程中存在方向性誤差、源匹配誤差、負載匹配誤差、串擾誤差、頻率響應誤差等系統測量誤差，為了消除或減小測試誤差，精確提取器件的參數，必須在測試前進行S參數的校準[5]。校準過程是一個矢量誤差修正的過程，常用的矢量誤差校準方法有OSL（open-short-load）校準、TSD（through-short-delay）校準、TRL-TSD校準 、LRL（line-reflect-line） 校 準 、OSLT（open-short-load-through）校準[6]。隨著高頻器件測試精度的提高，OSLT在片校準技術已經成為微波測試中最為常用的校準方法[7]。

OSLT校準方法是利用在線校準片上的開路、短路、負載、直通四種校準結構，結構示意圖如圖3所示。其中短路結構是連接測試儀的測針兩端與校準片上的短路器兩端連接，相當于兩測針“短路”。開路結構是連接測試儀的測針兩端懸空，相當于兩測針“開路”。負載結構是連接測試儀的測針兩端與校準片上的負載電路連接。直通結構是測試儀端口內部直接連接。

圖3 四種校準結構

3 誤差因子分析

OSLT法（開路-短路-負載-直通法，openshort-load-through）全二端口校準法是應用最為廣泛的校準算法[8]。使用包括正向誤差模型和反向誤差模型需要的方向性誤差、反射跟蹤誤差、傳輸跟蹤誤差、源失配誤差、負載失配誤差、隔離誤差等12項誤差因子[9-10]，具體如表1所示。

表1 調平算法對比

表1 12項誤差因子列表

3.1 正向誤差分析

當信號從端口1向端口2進行正向傳輸時，通過等效變換形成了反向誤差模型，主要由前向方向性誤差EDF、前向反射跟蹤誤差ERF、前向傳輸跟蹤誤差ETF、前向源失配誤差ESF、前向負載失配誤差ELF、前向隔離誤差EXF6個正向誤差因子組成，如圖4所示。

圖4 正向誤差模型

根據OSLT法校準中的開路（Open）、短路（Short）、負載（Load）、直通（Through）四種結構，建立包含6個誤差因子的6個方程，求出6個誤差因子，具體計算過程如式(5)、式(6)、式(7)、式(8)、式(9)、式(10)所示。

（1）當端口1、端口2均為負載結構時，S11=S21=S12=S22=0，則測量端口1的輸入反射系數M1為：

測量端口2的輸入反射系數M2為：

（2）當端口1為短路結構、端口2為負載結構時，S11=-1、S12=S21=S22=0，則測量端口1的輸入反射系數M3為：

測量端口2的輸入反射系數M4為：

（3）當端口1、端口2分別為直通結構時，S11=S22=0、S21=S12=1，則

測量端口1的輸入反射系數M5為：

測量端口2的輸入反射系數M6為：

3.2 正向誤差分析

當信號從端口2向端口1進行反向傳輸時，通過等效變換形成了反向誤差模型，主要由反向方向性誤差EDR、反向反射跟蹤誤差ERR、反向傳輸跟蹤誤差ETR、反向源失配誤差ESR、反向負載失配誤差ELR、反向隔離誤差EXR6個反向誤差因子組成，如圖5所示。

圖5 反向誤差模型

根據OSLT法校準中的開路（Open）、短路（Short）、負載（Load）、直通（Through）四種結構，建立包含6個反向誤差因子的6個方程，具體計算過程式(11)、式(12)、式(13)、式(14)、式(15)、式(16)所示。

（1）當端口1、端口2分別為負載結構時，S11’=S21’=S12’=S22’=0，則測量端口1的輸入反射系數M7為：

測量端口2的輸入反射系數M8為：

（2）當端口2為短路結構、端口1為負載結構時，S22’=-1、S12’=S21’=S11’=0，則測量端口1的輸入反射系數M9為：

測量端口2的輸入反射系數M10為：

（3）當端口1、端口2均為直通結構時，S11’=S22’=0、S21’=S12’=1，則測量端口1的輸入反射系數M11為：

測量端口2的輸入反射系數M12為：

4 測試過程中的應用

在進行晶圓測試的過程中，具體的S參數測試過程主要包括測試前利用校準片得出12項誤差因子、正常測試中對實測數據進行誤差修正以及測量數據的合成，如圖6所示。

圖6 產品封焊效果圖

圖6 測試數據校準示意圖

首先在進行正常微波測試前進行校準片的測試，根據校準片上的開路、短路、負載、直通路等特殊結構電路，得出12項誤差因子函數[11]；然后將被測微波器件晶圓置于承載臺上進行測試，得出S11m、S12m、S21m、S22m的實測數據[12-13]，并根據校準模型式(17)、式(18)、式(19)、式(20)，得出修正后的S參數曲線所需的S11、S12、S21、S22，合成為S曲線顯示在屏幕上，經過測試系統的綜合比較，判斷測試數據是否滿足工藝要求。

5 結束語

S曲線測試是目前微波信號測試的首選方法，在進行片上校準的過程中，校準件的選擇、測試探頭的接觸狀態、信號傳輸的方式以及測試時的環境條件都會對測試結果產生一定的影響。因此，在具體校準過程中，除了進行12項誤差因子的校準，還應通過大量試驗在模型中加入擾動常數，確保S參數測試準確。