在片校准件参数定值方法

霍 晔，吴爱华，王一帮，栾 鹏，刘 晨，梁法国，孙 静，张立飞

(中国电子科技集团公司 第十三研究所,河北 石家庄 050051)

1 引 言

测试芯片S参数前，需选用合适的校准方法和在片校准件对在片S参数测试系统进行校准[1,2]。商用校准方法分为两类，第一类为用传输准TEM波的共面波导传输线的校准方法，包括TRL和多线TRL[3,4]，此类校准方法准确度高，但由于TRL校准方法单条传输线的限制，频带范围受限，给宽频带芯片的测试带来不便；多线TRL校准时需使用多条传输线，测试效率较低。第二类为由准确参数定值的在片校准件的校准方法，包括SOLT、LRRM、LRM、SOLR[5～9]，此类校准方法由于校准方便，效率高，在国际上应用较为广泛。这类校准件的等效电路模型分为4种：开路电容，短路电感，负载电阻和电感，直通延时、参考延时和参考损耗，此类校准方法的校准准确度依赖于参数的定值准确度。

目前，在使用在片校准件校准时，均采用厂家给的定义值;但随着长时间的使用，探针与校准件频繁的接触，校准件会出现不同程度的磨损，导致校准件参数量值发生了偏差，若继续使用厂家定义值会使测试结果不准。

国际上，在片校准件参数定值方法虽有少量的报道[10～12]，但参数不全。国内对参数定值采用仿真的方法不完善[13,14]，导致参数定值与实际值存在偏差。本文通过其等效电路模型，结合测试和理论计算的方法，对在片校准件全部参数准确定值，使重新定值的在片校准件对在片S参数测试系统校准后测试得到的被测件S参数更接近实际值。

2 等效电路模型

国际上，诸多学者对在片校准件的等效电路模型进行了报道，图1～图4所示为文献中经典的开路校准件、短路校准件、负载校准件、直通校准件的等效电路模型。

图1 开路校准件等效电路模型Fig.1 Equivalent circuit model of open calibration standards

图2 短路校准件等效电路模型Fig.2 Equivalent circuit model of short calibration standards

图3 负载校准件等效电路模型Fig.3 Equivalent circuit model of load calibration standards

图4 直通校准件(传输线)等效电路模型Fig.4 Equivalent circuit model of thru (transmission line) calibration standards

根据模型等效电路，需定值的参数有特征阻抗Z0，开路电容Copen，短路电感Lshort，负载电阻R和电感Lload，直通延时tdelay、参考延时ref_tdelay和参考损耗ref_loss。

3 参数定值方法

在片校准件参数定值可通过测量校准件的长度、直流电阻和S参数的方法计算得到。

多线TRL是国际上公认的在片校准准确度最高的校准方法[15]，用多线TRL校准方法对在片S参数测试系统进行校准，校准完后测量在片校准件的S参数。

图1～图4中的Z0为传输线的特征阻抗，其值由多线TRL校准方法得到[16～18]。

3.1 开路校准件参数定值

用多线TRL校准方法校准后的在片S参数测试系统对开路校准件进行单端口测量，测量示意图如图5所示。

图5 开路校准件测量示意图Fig.5 Measurement diagram of open calibration standards

(1)

(2)

ω=2 πf

(3)

(4)

3.2 短路校准件参数定值

用多线TRL校准方法校准后的在片S参数测试系统对短路校准件进行单端口测量，测量示意图如图6所示。

图6 短路校准件测量示意图Fig.6 Measurement diagram of short calibration standards

(5)

Zshort=jωLshort

(6)

(7)

3.3 负载校准件参数定值

用多线TRL校准方法校准后的在片S参数测试系统对负载校准件进行单端口测量，测量示意图如图7所示。

图7 负载校准件测量示意图Fig.7 Measurement diagram of load calibration standards

(8)

Zload=jωLload+R

(9)

(10)

3.4 直通校准件(偏置传输线)参数定值

用多线TRL校准方法得到直通校准件(传输线)的有效介电常数和衰减常数；用测量显微镜测量其长度。直通延时、参考延时和参考损耗的关系式如式(11)～式(13)所示:

(11)

(12)

ref_loss=-αlref

(13)

式中：c为光在真空中的传播速度；εeff为有效介电常数；α为衰减常数；l为直通长度；lref为参考传输线的长度。

综上，在片校准件集总参数的全部量值可通过测量和理论计算的方法得到。

4 试验与结果分析

本文选用长时间使用后的商用在片校准件进行定值试验分析。用数字多用表测量得到负载电阻R。用测量显微镜得到直通的长度l和参考传输线的长度lref。

在片S参数测试系统由矢量网络分析仪、探针台、微波探针等组成，在100 MHz～67 GHz频段，用多线TRL校准方法对系统进行校准，可以得到在片校准件的特征阻抗Z0、直通(传输线)的有效介电常数εeff和衰减常数α。

用校准完后的在片S参数测试系统测量商用在片校准件的S参数，根据上述参数定值方法计算得到开路电容Copen、短路电感Lshort、负载电感Lload、直通的延时tdelay、参考延时ref_tdelay和参考损耗ref_loss。所有参数量值取频段范围内的平均值。定值结果与出厂值对比如表1所示。

表1 在片校准件定值结果与出厂值Tab.1 Definition results and factory values of on-wafer calibration standards

用表1中的结果对在片校准件参数重新定值。分别用重新定值后的在片校准件选用SOLT校准方法、厂家定值的在片校准件选用SOLT校准方法和多线TRL校准方法在100 MHz～67 GHz频段范围内对同一在片S参数测试系统进行校准。校准完后测试相同衰减器的在片S参数。测试结果如图8、图9所示。绿色曲线表示多线TRL校准方法的测试结果，蓝色曲线表示厂家参数量值得到的测试结果，红色曲线表示本文定值方法得到的测试结果。

图8 传输幅度测试结果Fig.8 Transmission magnitude test results

图9 反射幅度测试结果Fig.9 Reflection magnitude test results

图8和图9所示测试结果中，本文定值后测试得到的传输幅度与多线TRL的测试结果最大偏差0.05 dB，反射幅度最大偏差0.01；厂家参数量值测试得到的传输幅度与多线TRL的测试结果最大偏差0.13 dB，反射幅度最大偏差0.03。因此，本文定值方法对参数定值后的测试结果与准确度最高的多线TRL方法校准后的测试结果更接近，表明长时间使用后的在片校准件参数需重新定值，定值后的测试结果更准。

5 结 论

本文根据在片校准件参数的等效电路模型，通过测量其物理长度、直流电阻及S参数，经理论分析给出了参数准确定值的方法。通过试验，在 100 MHz～67 GHz频段范围内，用该方法对长时间使用后的在片校准件参数重新定值;定值后测试得到的传输幅度及反射幅度与多线TRL的测试结果的最大偏差小于厂家参数量值测试结果与多线TRL的测试结果的最大偏差。结果表明重新定值后的测试结果更准。