FBAR滤波器板上测试技术综述

电子万花筒 2022-10-13 07:59

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摘　要: 随着对薄膜体声波谐振器（FBAR）器件性能要求的增高，FBAR器件参数的精确测试变得十分关键，该文从测试夹具结构以及对测试夹具的去嵌入校准这两个FBAR参数测试精度要素考虑，综述FBAR板上测试技术的研究现状，讨论测试夹具结构设计过程中的寄生效应、阻抗匹配以及夹结构设计等问题，并分析去嵌入校准的原理、误差模型以及各校准方法的优缺点。通过降低寄生效应、优化阻抗匹配、改善校准方法、优化误差模型可提高 FBAR板上测试的准确性，并以此给出一套板上测试夹具设计及测试流程。

引　言

薄膜体声波谐振器（film bulk acoustic resonator， FBAR）是一种电声谐振器，具有工作频率高、尺寸小、品质因素高等优点。在过去十年，FBAR射频（RF）滤波器成为移动通信设备RF部分的核心部件[1]。FBAR器件参数的精确测试变得十分关键。

目前，对FBAR参数测试的方法主要分为两大类：1）基于探针台的片上测试方法；2）印刷电路板（printed circuit board，PCB）测试方法。对于片上测试方法，其优势在于能够很好地测试单个谐振器在理想环境下的性能，但是该方法不能测试引线给器件带来的影响[2]。片上测试方法对谐振器的裸芯片进行探针测试，由于无引线电感、电阻及外壳杂散的影响，此时该方法测得的数据真实可靠；但是对于已经封装的单端谐振器，由于器件会受到测试夹具的影响，尤其是谐振频率高于1 GHz时，夹具对谐振器测试数据的影响较大[3]。FBAR板上测试方法的优点在于测试结果中包含了引线带来的影响，使得测试结果更为贴近实际运用环境下FBAR的值。该方法采用矢量网络分析仪测试待测器件（device under test，DUT）和夹具组成的系统的参数值，因此需要在后期数据处理时利用去嵌入计算消除夹具带来的误差，最终得出 DUT的准确参数。本文主要综述了FBAR板上测试夹具设计中涉及的寄生效应、阻抗匹配以及结构设计等因素，以及校准中的误差模型选取、校准方法选用等问题，为提高板上测试准确性提供思路。

1 测试夹具

在对射频器件测试的时候，往往测试仪器无法与DUT直接相连[4]，因此需要测试夹具将矢量网络分析仪与DUT连接起来，如图1所示。影响FBAR 测试夹具准确性的因素有寄生效应、阻抗匹配以及结构设计等。

图 1 FBAR测试夹具结构示意

1.1 寄生效应

寄生效应主要有寄生电阻、寄生电容和寄生电感。如果测试滤波器的PCB设计不精良，会导致寄生效应，并影响由PCB和滤波器组成的系统的测试结果[1]。在测试夹具设计中要尽量减小寄生效应的影响。介电层内部以及PCB的信号和接地路径中的寄生效应取决于不同的PCB设计[1]。文献中表示在PCB设计时可以利用不平衡的输入和平衡的输出抑制三端口滤波器在PCB中的不对称寄生串扰。因此在线路布线和过渡定位时不仅要采用对称设计，也应避免微带线(the microstrip line，MSL)的并行设置。孔的定位受诸如线宽、槽宽、衬底厚度和材料参数等的公差影响[1]，而其精确定位可以缩短和优化过渡过程中的接地路径，减少由过长引线带来的寄生效应。过长的引线也会引入较大的寄生电感[4]，于是在PCB引线设计的时候应尽量缩短引线。文献[2]采用多种方法缩短引线，比如在PCB 中间开一个小孔、将FBAR单元上4个器件切割并使其分离开，以及切除多余的基底等。

1.2 阻抗匹配

在高频电路的设计中，阻抗匹配是电路和系统设计时必须要考虑的重要问题[5]。阻抗匹配是指负载阻抗与激励源的内部阻抗互相匹配，得到最大功率输出的一种工作状态。在任何微波系统中，为了保证传输效率，减小传输损耗和避免大功率击穿，通常都尽量使系统中各组成部分的输入输出阻抗等于传输系统的特性阻抗，使传输线系统处于行波状态，避免反射和驻波的产生[5]。信号源与传输线不匹配，将影响信号源的频率和输出的稳定性，并导致信号源不能给出最大功率。传输线与负载不匹配，会使传输线上出现驻波，导致传输线功率容量降低；负载不能获得全部的输入功率，电路的信噪比变差。夹具优化设计时应该考虑以下两方面的匹配仿真：

1）DUT与PCB、微带线线宽及走线方式、微带线与射频接头的匹配仿真；

2）压片与DUT、DUT 与PCB以及整个系统整体的整体仿真。为达到阻抗匹配，当信号源端阻抗低于传输线特征阻抗时，采用串联终端匹配，即在信号源端和传输线之间串接一个电阻，使源端的输出阻抗与传输线的特征阻抗相匹配，抑制从负载端反射回来的信号发生再次反射。当信号源端的阻抗很小时，采用并联终端匹配，即通过增加并联电阻使负载端输入阻抗与传输线的特征阻抗相匹配，达到消除负载端反射的目的[6]。此外，在优化PCB设计时，为实现阻抗匹配，还可以采用保持低的外层介电层厚度公差，以使 MSL的特征阻抗尽可能接近50 Ω[1]。

1.3 结构设计

现有的滤波器在测试时，通常将滤波器的接脚直接与PCB接脚接触来进行电源导通后进行测试，但是经常会因为两个接脚之间接触不充分导致测试效果有偏差，影响测试数据的正确性[7]。针对这一不足，文献[7]提出了一种通过采用导电胶片连接两接脚的滤波器测试夹具，该夹具通过测试盒将滤波器固定，夹装稳定。虽然两个接脚接触不充分所引起的测试结果偏差问题给FBAR 板上测试夹具设计提供了一种考虑因素，但是并没有验证导电胶片的引入会不会给测试带来影响。

2 去嵌入校准

2.1 原　理

理想的测试环境希望测试夹具没有任何的损耗以及连接端的阻抗匹配，但是实际设计中很难达到该理想环境。器件性能对测试夹具的不连续点很敏感，为了准确表征DUT的性能，必须将夹具效应从总体测量中去除[8]。测试的准确性取决于校准标准和校准方法的精度[9]。微波器件的线性性能指标主要包括驻波比、插入损耗、隔离度、幅频响应、相位一致性、滤波特性等，这些指标都可以用S参数表达[10]。

采用S参数有以下优点[11]：

1）可以直接测量；

2）测量精度高；

3）方便用于信号流图，简化微波网络的分析；

4）网络参考面移动时，S参数影响最小。

因此测量时采用结合测量夹具以及矢量网络分析仪，测量 DUT的S参数的方式。在FBAR板上测试的时候，测量参考面中包含了连接器件以及用于连接DUT的过渡段效应所引起的损耗和相位延迟[12]。去嵌入的校准方法一般通过测量夹具每个端口的参数，测量出DUT和夹具组合的S参数，再将S参数矩阵转换为传递参数（T参数），计算DUT的响应（不包含夹具误差），并将DUT的T参数转换为S参数[8, 13]。DUT响应计算公式[8]：

2.2 误差模型

误差模型是校准和误差修正技术的基础[14]。根据不同的测量精度要求将误差模型分为12项、 10项、8项及14项等[11, 14]。其中，ED为方向性误差， EDF和EDR为反射参数；ER为反向跟踪误差，ERR和 ERF为传输参数；EX为串话误差，EXF和EXR为隔离、串扰；ES为等效源失配误差，EL为负载失配误差， ESF、ESR、ELF和ELR为信号源匹配及负载匹配；ET为正向跟踪误差，ETF和ETR为传输参数。Sa11、Sa12、 Sa21、Sa22为被测器件真实参量。其中，端口1和端口2之间为被测器件的S参数[11]。12项误差模型如图2所示，表1中给出了各项误差模型的对比。

2.3 校准方法

夹具的使用一定会给被测器件的S参数测试

图 2 12项误差模型

结果带来影响[18]，因此夹具去嵌入必不可少，而其中的关键又在于校准方法的选择。文献[19]介绍了一种标刻度的双端口矢量网络分析仪进行PCB元件夹具去嵌入测试方法，该方法基于最小均方值的夹具参数估计算法提取夹具参数。文献[20]介绍了一种采用SOLT校准程序，然后执行THRL（through， high and low reflection）标准，但该方法复杂且繁琐，不利于推广。文献[21]中报告了一种后置去嵌入的方法测试目标S参数的夹具测试技术，该方法也采用SOLT校准程序，但不执行THRL标准，因此其测试过程更加简单，避免了在测试窄带微波电路时的复杂校准过程，为夹具优化设计提供了一个思路。目前，常见的校准方法主要有SOLT（ShortOpen-Load-Thru）、 TRL（ Thru-Reflect-Line）、 LRM（ Line-Reflect-Match）、 LRRM（ Line-ReflectReflect-Match）、 SOLR（ Short-Open-Load-Reflect）等。本文总结了SOLT和TRL方法的12项误差参数[22]，在表2中比较了两者的优缺点并分析了其使用环境。文献[23]中给出了TRL校准方法推导出 DUT真实S参数的数学推导过程。文献[16]中给出了使用SOLT方法校准最终得到S参数的数学推导过程。

2.4 校准标准件

每种校准方法都有其一套校准标准件，表3中总结了常见的各标准件的含义及其简要制作过程。SOLT校准采用短路、开路、负载和直通校准，如图3所示。TRL方法采用的是去嵌入方法的思想，但是它不需要已知的负载，而是采用直通、反射、传输线3种连接方式进行校准[25-26]，其标准件如图4所示。

3 夹具设计流程

本文分析了FBAR板上测试夹具设计方法，得出如图5所示的夹具以及测试流程图。该流程图分为3个主要步骤：设计测试夹具、夹具校准的标准件以及结合矢量网络分析仪测试DUT的S参数。首先设计测试夹具，再设计去嵌入校准的标准件，并测试其S参数且将其预存入矢量网络分析仪，使网络分析仪能够自动完成去嵌入计算，修正由于测试夹具而引入的误差，测得DUT（本文中为FBAR）的S参数。

图 3 SOLT校准标准

图 4 TRL校准标准

4 结束语

随着FBAR滤波器逐渐发展成为移动通信设备在射频领域中的核心，FBAR器件性能测试的精度也逐渐提升。而影响FBAR测试夹具的测试精准度的影响因素有很多，包括FBAR测试夹具结构的设计以及测试夹具校准方法的选用。从测试夹具本身来看，可以通过优化设计FBAR测试夹具结构，优化夹具PCB设计以及PCB上引线布局，降低寄生效应；保证测试系统的阻抗要匹配良好，沿信号路径的反射、端口间的寄生馈通最小化；保证待测器件与测试夹具接脚的充分接触，尽可能使滤波器的测试性能接近真实性能值。从校准来看，可以通过建立合理的误差模型，选择合适的校准方法，设计高精度的校准流程标准套件，对夹具进行校准操作，以保证尽可能得到待测器件的真实性能值。（参考文献略）