RF多功能芯片on-wafer评估系统的研究

2020-09-10黄成文忠锋顾世玲

环境技术 2020年4期

黄成，文忠锋，顾世玲

（中国电子科技集团公司第二十四研究所，重庆 400060）

引言

在无线通信系统中，TR组件是相控阵雷达的重要组成部分，而射频多功能一体化收发芯片是TR组件的重要组成器件。射频多功能一体化收发芯片面积小、稳定可靠、产品性能一致性好、可量产，基于这些优点，多功能芯片广泛运用，其性能和成本对通信系统有重要影响[1]。因此，芯片不同环境温度下性能的准确评估对收发系统非常重要。实际评估中，由于多功能芯片工作频率高，工作状态多，测试指标多、待分析评估的数据量大、评估过程中控制信号状态多，因此需要评估系统有较高的可靠性。若采用手动评估方式进行控制信号切换将会非常繁琐，频繁操作仪器设备、手动数据保存、现场分析芯片性能将非常费时且易出错。因此本文根据某款多功能芯片研究和设计了一套自动化评估系统。

1 芯片主要指标

以某款X波段多功能芯片为例，其功能原理框图如图1所示。

图1 某款X波段器件原理框图

该款X波段一体化芯片的主要功能为对射频信号进行幅度及相位控制，并且通过采用两个单刀双掷射频开关和一个单刀三掷射频开关进行通道切换实现接收/发射一体化。通过控制SW1、SW2、SW3三个开关实现RF_RX端信号经过处理后至RF_COM端输出、RF_COM端信号经过处理后至RF_TX端输出。

电路信号处理部分主要包含一个6位数控衰减器、一个6位数控移相器、2个宽带放大器、两个均衡器。数控衰减器和数控移相器由独立的逻辑信号控制，故总共有12路并行逻辑信号来进行幅度和相位控制。其中数控衰减器的衰减范围为0～31.5 dB，衰减步进为0.5 dB；数控移相器的移相范围为0～354.375 °，移相步进为5.625 °。具体情况见表1～3。

数控衰减器、数控移相器和射频开关的控制端电平低电平为-5 V，高电平为0 V。控制信号是高电平为参考状态，控制信号是低电平为移相状态或衰减状态。

芯片主要特性指标包含增益、功率压缩、衰减精度、衰减态、回损等，如表4所示。

表1 收发切换控制

表2 移相态控制

表3 衰减态控制

表4 电特性表

2 评估原理和方法

让DUT处于一定的环境温度下，评估DUT在不同的收发态、以及所有移相态、衰减态和其组合态的工作状态功能以及相应的指标是否满足要求。

表4中的所有指标均可使用矢量网络分析仪进行测试。目前的多功能矢量网络分析仪如PNA-X能直接进行S参数、功率压缩、三阶交调、噪声系数、频谱等指标测试[2]。

芯片评估时首先进行参考态测试并进行归一化处理，以参考态为参考态进行测试。进行功能和指标测试时，芯片一共有8 000多种组合态。

图2 评估系统原理框图

3 评估系统设计原理

3.1 硬件设计

图2为整个系统的测试原理框图。系统分为上位机部分、USB转IO控制部分、直流电源、电平模块、矢量网络分析仪、微波探针台。下面一一介绍每个部分的作用。

上位机部分：负责整个芯片评估系统的有效运行，数据存储等。实现方式为PC机，通过GPIB模块程控微波探针台移位，控制微波探针台给器件提供需要的评估环境温度，程控网络分析仪进行测试数据读取、保存、通过USB控制USB转IO控制模块。

USB转IO控制：实现USB接口转IO数字接口的功能，实现PC机控制多功能芯片。

直流电源：为被测芯片和电平模块提供电源。

电平模块：实现IO信号转换成跟DUT相适应的电平信号，本设计主要实现TTL电平转-5 V/0 V控制信号，同时实现给DUT供电和断电。

矢量网络分析仪：网络分析仪用于DUT指标测量，存储数据S2P文件或者CSV数据。

微波探针台：用于多功能芯片承载和移位，芯片评估环境温度提供。

3.2 软件设计

测试软件主要包含微波探针台移位、矢量网络分析仪状态控制和测试结果读取、DUT控制态发送等，如图3所示。

首先检测仪器状态，当微波探针台和矢量网络分析仪状态正常时，则发送控制命令进行系统初始化设置，保证微波探针台、矢量网络分析仪处于初始化状态，并进行矢量网分络分析测量状态校准。然后控制探针台温度、探针台移位，选择需要测试的die，然后对DUT控制态执行初始化，扎针后发送不同的控制态对DUT进行控制，同时读取对应态状态某几个关键频点的测试数据，与电路对应输出结果进行比较，当结果与预期一致时，假设电路功能正常，会记录测试数据，同时S2P文件会保存在网络分析仪存储器里。当测试结果与预期不一致时，程序会进行警告，进行分析后会进行下一状态确认。同一只DUT测试完所有状态后可进行下一只分析评估。