射頻芯片測試夾具在微波測量中的應(yīng)用

微波測量就是利用測量儀器對(duì)微波進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)的方法。在微波元件、器件和微波設(shè)備的生產(chǎn)過程中，有許多環(huán)節(jié)需要微波測量對(duì)其零部件、半成品和成品進(jìn)行檢驗(yàn)，在設(shè)計(jì)時(shí)也需要利用微波測量獲得必要的數(shù)據(jù)。微波測量所需獲得的數(shù)據(jù)包括：基本參量-頻率(或波長)、駐波比(或反射系數(shù))、功率。原則上其他參量都可以由此三個(gè)基本參量導(dǎo)出;其他參量-衰減、阻抗、相位、散射、諧振、交調(diào)、介電常數(shù)、品質(zhì)因數(shù)等等。

現(xiàn)有的微波測量儀表可以比較完美的對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行直接或間接測量，然而在儀表和待測件的連接上卻有很多困難。 微波測量儀表以及測試電纜、傳輸線的通常連接方式有 N型連接器，SMA連接器，3.5mm連接器，2.92mm連接器，2.4mm連接器，BNC連接器，波導(dǎo)連接器等等。和待測件連接后，需要對(duì)儀表進(jìn)行校準(zhǔn)，要求校準(zhǔn)的參考面盡量接近待測件的兩端。但是很多生產(chǎn)，設(shè)計(jì)部門需要測試和獲取參數(shù)的器件封裝形式多種多樣，無法通過以上連接方式和測試儀表直接連接，通過其他手段連接后，又很難把參考面校準(zhǔn)到所需要的器件兩端。這樣，就無法獲得器件在應(yīng)用環(huán)境下的準(zhǔn)確參數(shù)。

微波器件、組件的設(shè)計(jì)中，尤其是放大器的設(shè)計(jì)和匹配中，對(duì)所使用的微波管以及各種芯片、匹配所使用的電容電感等分離器件的準(zhǔn)確參數(shù)的缺乏限制了仿真設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度，為產(chǎn)品的研發(fā)及生產(chǎn)增加了極大的難度。如何獲得微波管、芯片和各種元器件的在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下的準(zhǔn)確參數(shù)，成為各微波生產(chǎn)研發(fā)人員迫切需要解決的問題。

下面介紹的射頻芯片測試夾具正是為以上問題提供了專業(yè)的解決方案，便捷的連接方式，精確的校準(zhǔn)，使得微波測試測量的儀表的測量范圍延伸到了芯片以及各種器件的兩端，為設(shè)計(jì)師的各類仿真設(shè)計(jì)提供了真實(shí)應(yīng)用環(huán)境下的準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)參數(shù)。同時(shí)，也為生產(chǎn)批量大而需要進(jìn)行大量測試的芯片、器件廠家和生產(chǎn)商節(jié)約了大量的人力和成本。

一、 射頻芯片測試夾具主體結(jié)構(gòu)形式

射頻芯片測試夾具可以適應(yīng)大部分非同軸結(jié)構(gòu)的微波器件、芯片，因此具有多種成系列的主體結(jié)構(gòu)。下圖是射頻芯片測試夾具的幾種主體結(jié)構(gòu)及其校準(zhǔn)件，包括了測試大功率器件，微封裝器件，集成芯片等待測件的產(chǎn)品。對(duì)于大功率器件測試時(shí)產(chǎn)品還帶有獨(dú)特的散熱設(shè)計(jì)。

圖一、射頻芯片測試夾具的主體結(jié)構(gòu)形式

二、 射頻芯片測試夾具的連接方式

射頻芯片測試夾具的主要功能有兩個(gè)，一是通過測試載片和微帶電路將待測件的非標(biāo)準(zhǔn)封裝結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成可以和測試儀表直接連接的同軸結(jié)構(gòu);二是通過精密的自帶校準(zhǔn)件替換載片對(duì)整個(gè)測試系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，使得儀表的校準(zhǔn)端面延伸的待測件兩端。夾具的連接快捷精密，一般是采用壓接式，不行固定或焊接，使用方便;在同軸到微帶的轉(zhuǎn)換中采用同軸內(nèi)導(dǎo)體和微帶線直接連接并附加介電常數(shù)補(bǔ)償，周邊采用低介電常數(shù)環(huán)境，使得信號(hào)傳輸最接近立項(xiàng)狀態(tài)。下圖是一種型號(hào)夾具微帶同軸轉(zhuǎn)換的案例，該結(jié)構(gòu)由夾具主體，滑塊和中心滑塊組成，中心滑塊即為安裝待測件載片的核心組件。

圖二、AFX-100B型的連接案例

三、射頻芯片測試夾具的校準(zhǔn)

射頻芯片測試夾具的校準(zhǔn)模式有SOLT校準(zhǔn)、TRL校準(zhǔn)、去嵌入以及多線校準(zhǔn)方案。

根據(jù)測量要求，一般我們推薦使用SOLT校準(zhǔn)和TRL校準(zhǔn)相結(jié)合，在應(yīng)用頻段較窄，封裝形式單一的情況下可考慮使用去嵌入法，對(duì)精度要求到計(jì)量級(jí)甚至更高時(shí)可使用結(jié)合國外最新技術(shù)的多線校準(zhǔn)方案。

圖三、AFX100A型功能版夾具及校準(zhǔn)件

四、使用射頻芯片測試夾具的測試方法

測試主要分以下步驟：

1、系統(tǒng)連接

如下圖所示，把測量夾具與儀表、附件、待測件連接成測量系統(tǒng)。

圖四、 線路連接示意圖

2、儀表設(shè)置

設(shè)定頻率范圍

啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)分析儀，設(shè)定適當(dāng)?shù)念l率范圍，并且將網(wǎng)絡(luò)儀的中頻帶寬重新設(shè)定到1KHz.

選取儀表校準(zhǔn)模式

校準(zhǔn)模式選擇TRL校準(zhǔn)。如果是PNA網(wǎng)絡(luò)分析儀可以創(chuàng)建TRL套件模型:

圖五、校準(zhǔn)件設(shè)置界面

創(chuàng)建TRL校準(zhǔn)套件

如果選用的網(wǎng)絡(luò)分析儀無法創(chuàng)建TRL校準(zhǔn)套件模型，以下以8753ES為例，則可以選擇現(xiàn)有的TRL校準(zhǔn)件箱進(jìn)行修改。具體操作為：在校準(zhǔn)菜單選擇CALKIT-SELETCALKIT，選擇TRL3.5mm校準(zhǔn)件，TRL OPTIONS:標(biāo)準(zhǔn)阻抗為 LINE Z0;反射標(biāo)準(zhǔn)為 THRU STANDARD。進(jìn)入MODIFY修改校準(zhǔn)件數(shù)據(jù)：

TRLOPTIONS: 標(biāo)準(zhǔn)阻抗為 LINE Z0;反射標(biāo)準(zhǔn)為 THRU STANDARD

OPEN:輸入校準(zhǔn)件的邊緣電容C0、C1、C2、C3 。延時(shí)同直通標(biāo)準(zhǔn)件，阻抗50Ω，設(shè)定合適的頻率范圍。

SHORT:延時(shí)同直通校準(zhǔn)件，阻抗50Ω，設(shè)定合適的頻率范圍。

LOAD:FIX LOAD 50Ω

THRU/LINE: 延時(shí)跟據(jù)本型號(hào)校準(zhǔn)件上標(biāo)定，阻抗50Ω,設(shè)定合適的頻率范圍。

設(shè)置完成選擇TRL*/LRMX2-PORT進(jìn)入校準(zhǔn)界面。

3)校準(zhǔn)

如果使用PNA網(wǎng)絡(luò)分析儀，創(chuàng)建TRL模型后可按向?qū)?zhǔn)。以下是一個(gè)步驟的例子。

圖六、TRL校準(zhǔn)界面

TRL校準(zhǔn)向?qū)?/p>

如果使用8753ES網(wǎng)分，校準(zhǔn)操作如下：

放入校準(zhǔn)件THRU選擇THEU校準(zhǔn)選項(xiàng);

放入校準(zhǔn)件SHORT選擇雙端口的兩個(gè)SHORT校準(zhǔn)選項(xiàng);

放入校準(zhǔn)件LINE選擇LINE校準(zhǔn)選項(xiàng)，選BOTH(雙端口同時(shí)校準(zhǔn))鍵，頻段分段選2-7line;

隔離選項(xiàng)選取忽略。

按下DONE鍵，儀表通過選取的誤差模型計(jì)算校準(zhǔn)，計(jì)算完成后選取FORMAT更改顯示模式為SWR，讀出THRU或者LINE校準(zhǔn)件的駐波讀數(shù)，判定校準(zhǔn)是否準(zhǔn)確。一般來說讀數(shù)在1.00X~1.02X之間波動(dòng)。如數(shù)值過大需重新校準(zhǔn)。如果需要測量相位則需測量THRU校準(zhǔn)件S21的相位和SHORT校準(zhǔn)件S11的相位，兩個(gè)值應(yīng)相差180度。下圖是一種型號(hào)產(chǎn)品校準(zhǔn)后的圖形。

圖七、AFX200校準(zhǔn)后數(shù)據(jù)

3、加電測試

校準(zhǔn)完成，放入核心滑塊，固定好元器件，通過BIAS TEE 加上直流電壓，根據(jù)放大管特性可通過調(diào)節(jié)柵極電壓調(diào)節(jié)漏極電流。注意先加漏極電壓避免元件燒毀。

跟據(jù)測量需要按MARKER鍵選取測量點(diǎn)測量所關(guān)心的S參數(shù),FORMAT格式可選極坐標(biāo)或SMITH圓圖，改變MARKER位置(測試頻率)，得到S11、S21、S12、S22在各頻率下的模值和相位。

五、測量數(shù)據(jù)對(duì)比以及仿真設(shè)計(jì)：

AFX100A型功能版1#夾具對(duì)安捷倫經(jīng)典管型ATF54143的兩次測量數(shù)據(jù)以及廠家數(shù)據(jù)S11、S21在SMITH圓圖和極坐標(biāo)上的位置。

分析：在不同的環(huán)境下，放大器的匹配必須通過直接測量獲得準(zhǔn)確參數(shù)，廠家所提供的數(shù)據(jù)是批生產(chǎn)管型的典型參數(shù)。測量結(jié)果和廠家提供的參數(shù)曲線有一定的區(qū)別，這正是使用夾具對(duì)場效應(yīng)管進(jìn)行測量的原因。

使用測量數(shù)據(jù)的對(duì)放大器進(jìn)行仿真曲線

使用廠家數(shù)據(jù)對(duì)同一放大器仿真曲線

實(shí)際放大器的測量結(jié)果：2GHz增益為11.5dB，2.5GHz增益為8.4dB。測試的數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果比廠家提供的數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際的測試曲線。