四端口晶片射频测量方法取得进展

对于工程师来说，对采用新型的差分和四端口射频设计架构的高速半导体器件的需求日益增长。目前，四端口架构在高速无线产品中已经很流行。

对于四端口设计的射频测量来说，必须在四个端口上，而不是通常的两个端口上对射频测试系统进行验证和校准。但是，增加了两个端口的效果可不是将两个两端口加起来那么简单，而所带来的复杂性和产生的问题呈指数增加。进一步说，直到今天，先进的“宽容限探测(probing-tolerant)”四端口校准技术都还没有研发出来。

本文将讨论如何解决四端口器件测量中出现的复杂问题，以及如何确保射频测量系统的精度、可靠性和可重复性。

简介

从两端口网络测量升级到四端口网络测量对工程师提出了很多挑战。例如，有人可能会问，“我的两端口VNA校准能够直接用于四端口设计吗？”答案很明确：根本不行！而且，还会出现一些与四端口校准所用的双信号晶片探测和阻抗标准相关的其他一些问题。

四端口器件测量所产生的独特问题主要包括：

1. 探头位置的不正确所引起的测量误差；

2. 校准单元的电知识不完整；

3. 缺乏先进的可用于四端口校准的VNA；

4. 对非理想的四端口校准架构的敏感度问题；

5. 双信号探头的高串扰问题。

基于探头探测的四端口器件的测量本身也存在一些真正的挑战。校准标准中探头位置的变化将会引起其电特性偏离所定义的标准参数。当这些探头位置相互移动时，也会引入校准误差。通常，还没有各种标准的不同电定义。随着端口数的不断增加(就像目前的四端口)，需要对更多的标准进行测量。在最坏的情况下，所需测量的标准数可能正比于N²（N为网络的端口数量）。

图1：传统探头与双信号低阻探头之间的性能比较。

一种四端口射频晶片级测量解决方案

一个成功的四端口射频测量的完整解决方案包括：一个带有用于增强导引的数字成像系统的晶片探测器，低串扰双信号探头，双阻抗标准基片(ISS)，相位稳定电缆和带有为四端口优化的先进校准算法的专用校准和测量软件。

该方案的特点为：

1. 具有自动级差的固定探头定位；

2. 对标准的探头误差具有低敏感度；

3. 所需的标准和定义数最少；

4. 能够容忍非理想的标准；

5. 射频双信号探头的串扰低；

6. 先进的四端口校准方法。

在四端口晶片上实现差分测量

四端口测量的首要挑战是能够确保精确的、可重复的校准和验证结果的正确系统设置。当构建一个四端口测试系统时，每个分量都应该单独考虑。

矢量网络分析仪

对于固定模式和差分测量来说，目前的四端口VNA采用多路两端口校准（每个端口上接短路-开路负载）。这就需要每个单端口进行一遍的激励。VNA用算术方法将单模式数据转换成混合模式。这是的主要限制在于被测器件必须是线性的，以便用于混合模式中各项的精确计算。

双差分探头

四端口测试需要双探头或差分探头。尽管双探头技术不是新技术，确是目前在多端口分析和校准技术中实用的测试技术。对于更精密的差分测量，则需要具有信号间低串扰的探头。

图2：混合校准（LRRM-SOLR）与SOLT校准两种方案中插入损耗的交叉传输线比较。

GSGSG和GSSG 探头的比较

对于四端口设计,GSGSG(地-信号-地-信号-地)型探头是理想的探头，适用频率可以高达67GHz。接地连接将多个信号分离开，从而始终优于GSSG(地-信号-信号-地)型探头。在这种完美的探头中，将几乎没有串扰，而传统的探头中将产生无法解决的串扰。

相反， GSSG型探头还具有信号间的高耦合度的缺点，就是这一点限制了应用频率。许多探头受限于端上的长金属探针。进一步地说，频率越高，性能就越差。使用传统的探头，并排的金属指 (共面波导)将在指间产生边缘场。具体的场图很难控制，这将引起耦合，从而限制了带宽。

减小边缘场和寄生参量的双信号探头

双信号低阻探头(infinity probe)是一种先进的晶片探头，该探头采用微带线，在探针处为共面传输。微带线能够比传统的探头更好地限制边缘场，减小了与周边器件和其他探头间的耦合，因而实现了更高的精度。进一步说，微带将串扰降到了最小，从而能够实现高密度、精细的多探针的探头，进而能够以更高的频率来处理更多的测试点。

校准-四端口精密测量的关键

为了获得有意义的器件数据，必须对仪器进行校准，使得校准基准平面设置到探头的探尖处。这样，只需测量器件，而无需对探头和电缆进行测量。为了完成校准，在探头探尖处需要采用一系列标准。为了校正原始数据，有几种算法可以被用来计算误差系数。有些方法对于晶片测量用处不大，甚至在高频时精度和重复性都很差。

图3：四端口校准的完整系统示意图。

例如，众所周知，不同标准的探头位置变化以及七个标准中的不同定义都要影响SOLT(短路-开路-负载-直通)校准的精度。当校准定义由探头制造商提供时，一些值取决于所考虑的标准的数量。标准过多或过少都会令输入的标准值无效，从而导致误差。

Cascade Microtech公司的先进校准技术减小了探头位置变化的影响。该LRRM(线-反射-反射-匹配)校准采用自动补偿技术，为标准的感应系数提供实际值，而不是由探头提供的假想值。这就消除了由探头位置引起的许多误差。

进一步讲，LRRM校准并不依赖于具有不精密的已知电特性参数的标准。在该校准中，以直通的方式能够提供绝大部分所需信息。该架构近似理想，因为其长度很短，从而将损耗或阻抗偏差的影响降到了最小。对于双探头和四端口环来说，需要一些回环直通（loopback throughs），但这并非理想方案。

目前，一个真正的混合LRRM-SOLR校准被提供用于四端口应用，并且在Cascade Microtech公司的WinCal XE校准软件中可以使用。该校准方法利用了上述两种校准方法的优点，为四端口校准提供了极好的性能。

一个完整的四端口测量系统将提供下列优点：

1. 对不同标准中的探头放置的敏感度低；

2. 对标准数量和标准的电定义数量要求最少；

3. 具有固定的探头定位自动晶片移动；

4. 允许非理想的回环直通；

5. 较低的信号间串扰；

6. 平衡考虑了目前先进的两端口校准方法的优点。

本文小结

复杂的四端口晶片测量要求注意探测系统的细微之处，并采用先进的VNA校准算法。直至如今，先进的“宽容限探测”四端口校准技术尚未研发出来。而目前可以使用一种新型的混合校准技术，来降低四端口器件测量的复杂度，并提供精密的、可靠的和可重复的四端口校准。

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