中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 許志濤

隨著微波射頻集成電路技術(shù)的發(fā)展，越來越多的微電子產(chǎn)品被應(yīng)用于射頻和微波頻段。在設(shè)備性能得到提升的同時(shí)，消費(fèi)者要求電子設(shè)備和系統(tǒng)均需朝向小型化、高性能方向發(fā)展，故傳統(tǒng)的獨(dú)立封裝模式必然會被時(shí)代所淘汰。為了滿足對高頻高速、射頻微波集成電路與器件性能的新需求，需采用新型技術(shù)對微波集成電路和器件進(jìn)行更高質(zhì)量的測試，故研究微波射頻差分探針去嵌入理論很有必要。

1 微波射頻差分探針去嵌入相關(guān)理論和技術(shù)原理簡析

1.1 微波網(wǎng)絡(luò)理論

圍繞微波工程相關(guān)問題進(jìn)行分析時(shí)，可選用的方法一般有兩種，即場論分析法和網(wǎng)絡(luò)分析法前者基于麥克斯韋方程組（一組偏微分方程，共包含高斯定理、高斯磁定律、麥克斯韋-安培定律、法拉第電磁感應(yīng)定律共四個(gè)方程）和邊界條件，主要目的在于對微波元器件內(nèi)部的“場型結(jié)構(gòu)”進(jìn)行揭示；后者一般以目標(biāo)研究對象的外部特性作為主要目標(biāo)。上述兩種方法之間存在緊密的聯(lián)系，在分析過程中可互相作為補(bǔ)充。

從廣義角度進(jìn)行分析，微波網(wǎng)絡(luò)分析法的特征類似于控制論創(chuàng)始人N·Wiener提出的“黑盒”研究方法。但與“黑盒”不同的是，微波網(wǎng)絡(luò)分析法并不會對“黑盒”網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致探究，分析過程也不會對“黑盒”網(wǎng)絡(luò)本身造成破壞，而是通過對“黑盒”網(wǎng)絡(luò)與外部鏈的各個(gè)端口的輸入/輸出情況進(jìn)行分析，希望全面獲悉“黑盒”網(wǎng)絡(luò)的外部特性。具體而言，如果一個(gè)“黑盒”網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出“線性”特質(zhì)，則其特性可通過創(chuàng)建矩陣的方式進(jìn)行描述。因此，微波網(wǎng)絡(luò)也可被視為一個(gè)“黑盒”，當(dāng)信號進(jìn)入此種網(wǎng)絡(luò)之后，信號自身的幅度、相位、頻率均有可能發(fā)生顯著變化。綜合而言，從本質(zhì)上來看，微波網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上是一種“信號變換分析系統(tǒng)”。

1.2 二端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

使用微波網(wǎng)絡(luò)理論對相關(guān)問題進(jìn)行分析，需將針對內(nèi)部電磁場的分析轉(zhuǎn)化為對外部網(wǎng)絡(luò)傳輸特性的分析。以此為基礎(chǔ)，分析問題便會轉(zhuǎn)化為時(shí)域和頻域的分析?；诖?，研究人員圍繞微波電路開展網(wǎng)絡(luò)分析時(shí)，應(yīng)該系統(tǒng)性地提取目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)參數(shù)。通常情況下，作為主要研究對象的微波元器件擁有兩個(gè)端口，即為二端口微波元器件。此種元器件的網(wǎng)絡(luò)特性一般以四個(gè)S參數(shù)（散射參數(shù)，微波傳輸中的一個(gè)重要參數(shù)，S12為反向隔離傳輸系數(shù)，S21為正向增益?zhèn)鬏斚禂?shù)，S11為輸入回波損耗反射系數(shù)，S22為輸出回波損耗反射系數(shù)）加以表示。四個(gè)S參數(shù)均建立在元器件入射波、反射波的關(guān)系基礎(chǔ)上。具體的運(yùn)行原理為：元器件的一個(gè)端口向另一個(gè)端口傳輸信號時(shí)，產(chǎn)生的正向特性與兩個(gè)端口各自產(chǎn)生的反射信號特性均可作為描述微波電路網(wǎng)絡(luò)特性的重要元素。通過此種方式對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析時(shí)，不僅物理意義十分明確，測量過程的便捷程度較高，還可以較為輕易地與其他微波網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)量相互轉(zhuǎn)化。比如在一個(gè)二端口S參數(shù)網(wǎng)絡(luò)模型中，位于左側(cè)的端口1輸入a1信號，輸出b1信號；位于右側(cè)的端口2輸入a2信號，輸出b2信號。在此情況下，上文提到的四個(gè)S參數(shù)的具體表現(xiàn)形式為：S11=端口1反射信號（反射波，下同）/端口1的入射信號，即為b1/a1；同理，S21=端口2的反射信號/端口1的入射信號=b2/a1；S12=端口1的反射信號/端口2的入射信號=b1/a2；S22=端口2的反射波/端口2的入射波=b2/a2。經(jīng)過進(jìn)一步變換，可得出二端口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)的表示關(guān)系為：

一般情況下，S11和S22的絕對值均不會超過1；如果器件有增益需求，則S11的絕對值必須超過1，S12的絕對值必須小于1；對于有衰減需求的器件，S21和S12的絕對值均需在1以下。

1.3 微波射頻差分探針去嵌入技術(shù)原理

以上述兩種技術(shù)作為基礎(chǔ)，逐漸探索生成的微波射頻差分探針去嵌入技術(shù)應(yīng)用于測試系統(tǒng)時(shí)的效果更好。若要解析該項(xiàng)技術(shù)，首先需要明確一組概念，即“嵌入”與“去嵌入”。前者指代在測試系統(tǒng)中，除了對被測試的元器件本身進(jìn)行測試外，儀器端口與被測件之間的測試設(shè)備乃至過渡結(jié)構(gòu)均需一同接受測試。原因在于，除了被測件之外，上述待測項(xiàng)目的結(jié)果會對被測件的測試結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，故為了保證測量結(jié)果的精準(zhǔn)程度，不可漏過任何一項(xiàng)。此間的道理類似于，在切開一塊玉石之后，有95%的翡翠和5%的石頭。對于該玉石而言，5%的石頭是雜質(zhì)，嚴(yán)重影響翡翠整體的純凈度（盡管占比相對較低，但事實(shí)卻是，石頭已經(jīng)“嵌入”了玉石之中）。因此，若要得出翡翠占比率為“95%”這一結(jié)論，必須對其中摻雜的石頭進(jìn)行“去嵌入”處理?；氐綔y試過程，所謂“去嵌入”即為將測量儀器、設(shè)備、過渡結(jié)構(gòu)對被測件測量結(jié)果產(chǎn)生的影響降到最低。

基于片測試系統(tǒng)進(jìn)行研究分析時(shí)，研究人員通常采用同軸線型的探針，對測試儀器與待測件進(jìn)行連接。具體而言，此種同軸線型探針的連接方式為：由同軸線的內(nèi)導(dǎo)體逐漸向外延伸，與被測件端口的電路相連；與此同時(shí)，同軸線的外導(dǎo)體與測試電路之間需形成“地相接”的關(guān)系。在此種應(yīng)用于片測試中的同軸線性探針中，最經(jīng)典的結(jié)構(gòu)為GSG型，在兩側(cè)設(shè)計(jì)接地探針，在中間設(shè)置信號探針。為了提高對微波射頻集成電路和器件測量的精確程度，被測件需放在一個(gè)經(jīng)過特殊處理的探針臺上。此種探針臺是一種基于機(jī)械臂的精密“微動(dòng)臺”，探針可連接到器件的焊盤之上，在此基礎(chǔ)上，探針會進(jìn)一步與具備同軸電纜的儀器相連。至此，探針可被視為從同軸到焊盤過渡作業(yè)流程的一種“適配器”。在此種測量模式下，技術(shù)人員獲得的所有數(shù)據(jù)必然同時(shí)受到探針、焊盤、被測件的影響。為了盡可能地消除探針以及焊盤對測量數(shù)據(jù)造成的影響，將測量誤差控制在最低限度，必須借助微波射頻差分探針去嵌入技術(shù)。

2 微波射頻差分網(wǎng)絡(luò)去嵌入理論的相關(guān)推導(dǎo)

2.1 微波射頻差分網(wǎng)絡(luò)去嵌入的一般結(jié)論

電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院吳宇、高源慈等研究員為了更加便捷地描述微波射頻差分網(wǎng)絡(luò)去嵌入的一般結(jié)論，設(shè)置了一種簡單的差分網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)模型，具體構(gòu)成如下：該級聯(lián)模型共由三個(gè)部分組成，位于中間的即為DUT待測件，左側(cè)為誤差網(wǎng)絡(luò)A、右側(cè)為誤差網(wǎng)絡(luò)B。圍繞該模型進(jìn)行測量時(shí)，可將誤差網(wǎng)絡(luò)A、B與待測件DUT均視為3個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)（級聯(lián)）。表示誤差網(wǎng)絡(luò)A的矩陣TA的覆蓋范圍為左邊測試端口到中間DUT左側(cè)測量參考面，是一種廣義傳輸矩陣。表示誤差網(wǎng)絡(luò)B的矩陣TB與TA構(gòu)成原理相同，二者在形態(tài)上呈現(xiàn)對稱性。除此之外，表示DUT待測件的矩陣為TD，具備單獨(dú)性且同樣是廣義傳輸矩陣。經(jīng)過推導(dǎo)和轉(zhuǎn)化后，可得出如下證明，廣義傳輸矩陣和對應(yīng)的廣義反向傳輸矩陣之間具備一定的關(guān)系，具體如下：

對公式（2）進(jìn)行進(jìn)一步變換處理，將三個(gè)差分級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)性整體混合S參數(shù)整合后，可得出：

公式（3）表明，差分網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)的整體廣義傳輸矩陣為誤差網(wǎng)絡(luò)A的廣義傳輸矩陣、單獨(dú)的DUT廣義傳輸矩陣、誤差網(wǎng)絡(luò)B的廣義反向矩陣的乘積。

基于差分網(wǎng)絡(luò)去嵌入校準(zhǔn)的一般方案（即MTRL，直通→反射→傳輸），通過對兩條長度不同的傳輸線以及具備左右對稱關(guān)系且相同的“反射校準(zhǔn)件”，用以完成“去嵌入”的操作。為了保證上述作業(yè)過程時(shí)刻處于“嚴(yán)謹(jǐn)”的狀態(tài)，所使用的校準(zhǔn)件必須能夠傳輸差模和共模信號，且同樣需要具備差分結(jié)構(gòu)。用于反射校準(zhǔn)件的反射性能必須達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過測量而得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)的精確程度便會更高。

2.2 水平對稱差分網(wǎng)絡(luò)的去嵌入

用于差分去嵌入的MTRL方法理論推導(dǎo)結(jié)果顯示，廣義散射矩陣對應(yīng)項(xiàng)的系數(shù)比十分關(guān)鍵，通過矩陣計(jì)算的方式得出之后，可通過直通校準(zhǔn)件和線校準(zhǔn)件，對DUT待測件的純模式傳輸參數(shù)進(jìn)行確定。進(jìn)一步分析之下可得出的結(jié)論如下：

（1）若差分探針與被測件處于水平軸對稱狀態(tài)，可進(jìn)行如下理解：端口1、2處于完全相同的狀態(tài)，端口3和端口4同樣如此。

（2）基于奇偶模進(jìn)行分析后，能夠清晰證明差模和共模之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)均為0，且如果純模式參數(shù)如果不同，則必然處于“分開”的狀態(tài)。此種情況表明差模參數(shù)與共模參數(shù)之間盡管可能存在一定的聯(lián)系，但具備相互獨(dú)立性。

基于上述推論，對有關(guān)“水平對稱”的架設(shè)可以不再進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換參數(shù)的處理，可直接將傳播模式簡化為“純差?！焙汀凹児材！薄Ｖ链穗A段，在水平對稱的測試中，誤差網(wǎng)絡(luò)A、B的廣義級聯(lián)矩陣能夠運(yùn)用差模和共模的混合S參數(shù)進(jìn)行表示，意味著差分DUT待測件的S參數(shù)可通過MTRL完成“去嵌入”。

結(jié)語：在國家大力支持微波射頻集成電路及芯片半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的今天，無論是專業(yè)技術(shù)人員還是社會大眾，均需加強(qiáng)對微波射頻測試技術(shù)的了解。特別是專業(yè)測試人員，不僅需要掌握最新測試技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，還需不斷提高自身的專業(yè)技術(shù)素質(zhì)修養(yǎng)。只有具備此種意識，才能對微波射頻差分網(wǎng)絡(luò)及探針嵌入和去嵌入等技術(shù)進(jìn)行精確掌握，進(jìn)而提高有關(guān)測試結(jié)果的精確度。