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四埠晶片射頻測量方法取得突破性進展

上網時間: 2007年07月16日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:探棒  測量  射頻   

對於工程師來說,採用新型差分和四埠射頻設計架構的高速半導體元件需求正日益成長。目前,四架構在高速無線產品中正日益盛行。

對於四埠設計射頻測量來說,必須在四個埠上,而不是通常的兩個埠上對射頻測試系統進行驗證和校準。但是,增加了兩個埠的效果可不是將兩個兩埠加起來那麼簡單,而所帶來的複雜性和產生的問題卻呈指數級增加。進一步說,直到今天,先進的‘寬容限探測’(probing-tolerant)四埠校準技術都還沒有研發出來。

本文將討論如何解決四埠元件測量中出現的複雜問題,以及如何確保射頻測量系統的精密度、可靠性和可重複性。

從兩埠網路測量升級到四埠網路測量對工程師提出了很多挑戰。例如,有人可能會問,“我的兩埠VNA校準能夠直接用於四埠設計嗎?”答案很明確:根本不行!而且,還會出現一些與四埠校準所用之雙訊號晶片探測和阻抗標準相關的其他問題。

四埠元件測量所產生的獨特問題主要包括:

1. 探棒位置的不正確所引起的測量誤差;

2. 校準單元的電氣知識不完整;

3. 缺乏適用於四埠校準的先進VNA;

4. 對非理想四埠校準架構的感應度問題;

5. 雙訊號探棒的高串擾問題。

基於探棒探測的四埠元件測量本身也存在一些挑戰。校準標準中探棒位置的變化將引發其電氣特性偏離所定義的標準參數。當這些探棒位置移動時,也會導入校準誤差。目前還沒有針對各種標準的不同電氣定義。但隨著埠數的不斷增加(就像目前的四埠),需要對更多標準進行測量。在最壞的情況下,所需測量的標準數可能正比於N2(N為網路的埠數量)。

圖1:傳統探棒與雙訊號低阻探棒之間的性能比較。
圖1:傳統探棒與雙訊號低阻探棒之間的性能比較。

四埠射頻晶片級測量方案

一個成功的四埠射頻測量完整方案包括:一個具有用於增強導引的數位成像系統晶片探測器、低串擾雙訊號探棒、雙阻抗標準基板(ISS)、相位穩定電纜,以及針對四埠最佳化先進校準演算法的專用校準和測量軟體。

該方案的特點為:

1. 具有自動級差的固定探棒定位;

2. 對標準的探棒誤差具有低靈敏度;

3. 所需的標準和定義數最少;

4. 能容忍非理想的標準;

5. 射頻雙訊號探棒的串擾低;

6. 先進的四埠校準方法。

在四埠晶片上實現差分測量

四埠測量的首要挑戰是確保精確、可重複校準和驗證結果的正確系統設置。當建構一個四埠測試系統時,每個分量都應該單獨考慮。

向量網路分析儀

對於固定模式和差分測量來說,目前的四埠VNA採用多工兩埠校準(每個埠上連接短路-開路負載)。這就必須對每個單埠進行一次激勵。VNA用算術方法將單模式數據轉換成混合模式。其主要限制在於被測元件必須是線性的,以便用於混合模式中各項精確運算。

圖2:混合校準(LRRM-SOLR)與SOLT校準兩種方案中插入損耗的交叉傳輸線比較。
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圖2:混合校準(LRRM-SOLR)與SOLT校準兩種方案中插入損耗的交叉傳輸線比較。

雙差分探棒

四埠測試需要雙探棒或差分探棒。儘管雙探棒技術不是新技術,但卻是目前在多埠分析和校準技術中較實用的測試技術。對於更精密的差分測量,則需要具有訊號間低串擾的探棒。

GSGSG和GSSG 探棒

對於四埠設計,GSGSG(地-訊號-地-訊號-地)型探棒是理想的探棒,適用頻率可高達67GHz。接地連接將多個訊號分離開來,使其始終優於GSSG(地-訊號-訊號-地)型探棒。在這種完美的探棒中,將幾乎沒有串擾,而傳統的探棒將產生無法解決的串擾。

相反地,GSSG型探棒還具有訊號間的高耦合度缺點,這將限制應用頻率。許多探棒受限於端上的長金屬探針。進一步來說,頻率越高,性能就越差。若使用傳統探棒,並排的金屬指(共面波導)將在指間產生邊緣場。具體的場圖將很難控制,而這將引發耦合,限制了頻寬。

雙訊號探棒

雙訊號低阻探棒(infinity probe)是一種先進的晶片探棒,該探棒採用微帶線,在探針處為共面傳輸。微帶線能夠比傳統探棒更好地限制邊緣場,減少了與週邊元件和其他探棒間的耦合,實現了更高精密度。進一步說,微帶將串擾降到了最小,能夠實現高密度、精細的多探針探棒,能以更高頻率來處理更多的測試點。

圖3:四埠校準的完整系統示意圖。
圖3:四埠校準的完整系統示意圖。

校準-四埠精密測量的關鍵

為了獲得有意義的元件數據,必須對儀器進行校準,並將校準基準設置到探棒的探尖處。如此一來就只需測量元件,而無需對探棒和電纜進行測量。為了完成校準,在探棒探尖處需要採用一系列標準。為了校正原始數據,有幾種演算法可以被用來計算誤差係數。有些方法對於晶片測量用處不大,甚至在高頻時精密度和重複性都很差。

例如,眾所周知,不同標準的探棒位置變化以及七個標準中的不同定義,都會影響SOLT(短路-開路-負載-直通)校準的精密度。當校準定義由探棒製造商提供時,一些值取決於所考慮的標準數量。標準過多或過少都會使輸入的標準值無效,導致誤差。

Cascade Microtech公司的校準技術可減少探棒位置變化的影響。該LRRM(線-反射-反射-匹配)校準採用自動補償技術,為標準的感應係數提供實際值,而不是由探棒提供的假設值。這將消除由探棒位置引起的許多誤差。

LRRM校準並不依賴於具有不精密已知電氣特性參數的標準。在該校準中,能以直通方式提供絕大部份所需資訊。該架構已接近理想,因為其長度很短,將損耗或阻抗偏差的影響降至最小。對於雙探棒和四埠環來說,需要一些回環直通(loopback throughs),但這並非理想方案。

目前,一個真正的混合LRRM-SOLR校準已經開始應用在四埠測量中,而且可應用在Cascade Microtech公司的WinCal XE校準軟體中。該校準方法利用了上述兩種校準方法的優點,為四埠校準提供多種特性。

本文小結

複雜的四埠晶片測量必須探測系統的細微之處,並採用先進的VNA校準演算法。截至目前為止,先進的‘寬容限探測’四埠校準技術尚未研發出來。但目前已經可以使用一種新型的混合校準技術,來降低四埠元件測量的複雜度,並提供精密、可靠和可重複的四埠校準。

作者:Larry Dangremond

CASCADE MICROTECH公司




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