多功能芯片由單入單出單通道升級(jí)為多入多出多通道收發(fā)芯片，并大量應(yīng)用于現(xiàn)代通信領(lǐng)域。

針對(duì)多收發(fā)通道多功能芯片測(cè)試過(guò)程中，多次移動(dòng)探針、重復(fù)壓針、無(wú)法自動(dòng)測(cè)量、測(cè)試效率低等不足，研究了多端口在片校準(zhǔn)技術(shù)。通過(guò)去嵌入校準(zhǔn)方法，將校準(zhǔn)面移到探針尖端，實(shí)現(xiàn)了多端口微波探針在片精確校準(zhǔn)。

提出了一次壓針測(cè)試多端口芯片各項(xiàng)參數(shù)的方法，利用定制的集成多端口共面探針，搭建了一次壓針全通道測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)軟件控制開(kāi)關(guān)矩陣，完成多端口信號(hào)傳輸及數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)一次壓針全通道測(cè)試。并與傳統(tǒng)測(cè)試方法的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，證明了該方法的可行性。

1 引言

隨著現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)在電子領(lǐng)域的飛速發(fā)展，對(duì)小型化、智能化、輕量化和高可靠的多收發(fā)通道多功能芯片的需求量越來(lái)越大。

針對(duì)多收發(fā)通道多功能芯片在片測(cè)試技術(shù)，國(guó)內(nèi)主要采用單端口信號(hào)源、2 端口網(wǎng)絡(luò)分析儀和微波探針臺(tái)等測(cè)量?jī)x器設(shè)備集成單端微波探針的測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試2 端口芯片的S 參數(shù)常規(guī)方法是在電路的正、反方向加載單路微波信號(hào)，測(cè)試多入多出多收發(fā)通道微波單片集成電路時(shí)采用2 端口單通道測(cè)試系統(tǒng)，該方法需多次移動(dòng)探針、多次測(cè)量，存在許多弊端。

如測(cè)試4 個(gè)發(fā)射端口與4 路接收端口之間各個(gè)通道的S 參數(shù)時(shí)，需要移動(dòng)4 次探針對(duì)4 個(gè)通道逐一測(cè)試，在片測(cè)試時(shí)需反復(fù)挪動(dòng)探針、多次切換測(cè)試端口對(duì)各個(gè)通道進(jìn)行測(cè)試，反復(fù)壓針對(duì)于芯片表面損傷加重，芯片可靠性風(fēng)險(xiǎn)加大、測(cè)試效率低。

針對(duì)多收發(fā)通道多功能芯片在片測(cè)試技術(shù)，國(guó)外許多公司研制了新的測(cè)試儀器。是德公司研制了新型內(nèi)部集成開(kāi)關(guān)矩陣矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，用于測(cè)試新的多端口射頻電路，可支持20 個(gè)端口測(cè)試; 歐洲羅德施瓦茨公司研制了多端口測(cè)試網(wǎng)絡(luò)分析儀，可支持16 個(gè)端口測(cè)試。國(guó)外測(cè)試多端口產(chǎn)品時(shí)，采用此類多端口集成測(cè)試儀集成微波直流混合探卡，形成高集成測(cè)試系統(tǒng)，但上述測(cè)試系統(tǒng)價(jià)格高昂，測(cè)試成本高，定制周期長(zhǎng)。

基于以上需求，本文研發(fā)了一種多收發(fā)通道多功能芯片一次壓針在片測(cè)試系統(tǒng)，并基于現(xiàn)有單通道2 端口測(cè)試系統(tǒng)及一種集成微波探針和多通道在片校準(zhǔn)技術(shù)，開(kāi)發(fā)自動(dòng)測(cè)試軟件，提出了多收發(fā)多功能芯片一次壓針在片測(cè)試方法。該方法降低了進(jìn)口高端儀器的成本，解決了手動(dòng)切換探針等問(wèn)題，提高了測(cè)試效率。

2 現(xiàn)有測(cè)試技術(shù)

多收發(fā)通道多功能芯片是將低噪聲放大器、移相器、衰減器和開(kāi)關(guān)等多種功能的電路根據(jù)系統(tǒng)需要集成在一個(gè)芯片上。主要在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻信號(hào)的放大、分配/合成、相位控制、幅度控制以及射頻功率管理等功能。

多功能芯片逐步由單入單出單通道發(fā)展為多入多出多通道，通過(guò)提高多功能芯片集成度，增加芯片功能，減小芯片尺寸和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)多功能芯片的高可靠、小體積和輕量化，并向著高頻段、寬頻帶和多通道方向發(fā)展。

本文以在片測(cè)試一個(gè)Ku 波段4 通道收發(fā)多功能芯片為例介紹測(cè)試方法。該芯片共有9 個(gè)射頻端，由于傳統(tǒng)單通道2 端口射頻測(cè)試端口的限制，采用傳統(tǒng)2 端口測(cè)試方法測(cè)試所有通道電參數(shù)需要移動(dòng)8 次探針，分別采集8 次數(shù)據(jù)，才能完成所有通道綜合參數(shù)的測(cè)試。

該方法效率低，同時(shí)多次壓針損傷芯片表面，影響電路可靠性，存在使用隱患。迫切需要研發(fā)一種多收發(fā)通道多功能芯片的自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)，被測(cè)件僅需一次壓針，無(wú)需移動(dòng)探針切換端口就能完成所有參數(shù)的測(cè)試，可大幅提高測(cè)試效率。

3 多收發(fā)通道多功能芯片

多收發(fā)通道多功能芯片，一次壓針在片測(cè)試技術(shù)

多收發(fā)通道多功能芯片一次壓針在片測(cè)試技術(shù)采用集成多頭射頻探針、微波開(kāi)關(guān)、直流探卡、2端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、微波承片臺(tái)和控制器組成測(cè)試系統(tǒng)。

基于上述測(cè)試系統(tǒng)，探針在片測(cè)試首先需將探針固定在探針定位器，通過(guò)x、y、z 軸移動(dòng)探針接觸被測(cè)芯片輸入、輸出信號(hào)壓點(diǎn)，受常規(guī)測(cè)試探針臺(tái)尺寸的限制無(wú)法擺放多個(gè)探針定位器，本文采用定制的多端口共面探針，通過(guò)定位裝置固定在標(biāo)準(zhǔn)探針定位器上實(shí)現(xiàn)一次壓針全通道測(cè)試。選取的共面微波探針由導(dǎo)體連接模塊、同軸連接器、探針基板、探針觸頭等組成。在設(shè)計(jì)和制作上要求能夠覆蓋微波測(cè)試的全頻帶，同時(shí)應(yīng)具有損耗小、反射信號(hào)低以及同芯片電纜線間的電串?dāng)_小等特性。

本文首先依據(jù)4 通道收發(fā)芯片壓點(diǎn)尺寸設(shè)定信號(hào)和地之間的間距，定制多射頻GSG-GSG-GSG-GSG共面探針。選取復(fù)合基片和軟硬結(jié)合的探針觸頭，探針觸頭在GSG 結(jié)構(gòu)中G 壓點(diǎn)與S 壓點(diǎn)之間的相對(duì)間距不超過(guò)0. 05λ ( 最高測(cè)試頻率波長(zhǎng))，保證信號(hào)在探針上傳輸?shù)耐暾裕軌蛱峁┳吭降膱?chǎng)抑制效果，同時(shí)采用軟硬結(jié)合的探針觸頭和微波基片可提高探針的壽命。

其次，對(duì)多收發(fā)通道多功能芯片進(jìn)行一次壓針測(cè)試，需要提取定制的多端口射頻探針表征參數(shù)的誤差項(xiàng)，該參數(shù)的提取方法主要基于R. F. Bauer 等人提出的提取測(cè)試夾具的表征參數(shù)校準(zhǔn)方法。

該方法的第一步，將夾具外側(cè)端口作為測(cè)試參考面進(jìn)行同軸校準(zhǔn); 第二步，基于第一步的校準(zhǔn)結(jié)果測(cè)試已知夾具內(nèi)的S 參數(shù)的校準(zhǔn)器件; 第三步，基于第一步和第二步測(cè)試結(jié)果推算出被測(cè)夾具的表征S參數(shù)，最終提取被測(cè)夾具的表征特性。

基于上述方法，提取多端口探針參數(shù)時(shí)首先要確定同軸端面誤差，使用同軸標(biāo)準(zhǔn)件( 同軸開(kāi)路件、短路件以及負(fù)載) 進(jìn)行同軸單端口校準(zhǔn); 其次確定探針端面誤差，連接微波探針使用探針校準(zhǔn)件( 在片開(kāi)路件、短路件以及負(fù)載) 進(jìn)行在片單端口校準(zhǔn)，利用同軸端面與探針端面推導(dǎo)出微波探針表征參數(shù)。

通過(guò)對(duì)多端口微波探針表征參數(shù)的提取進(jìn)一步研究實(shí)現(xiàn)電路的一次壓針測(cè)試技術(shù)，本文進(jìn)而對(duì)多通道在片校準(zhǔn)技術(shù)展開(kāi)研究。在現(xiàn)有測(cè)試系統(tǒng)中，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的誤差修正技術(shù)，在性能和測(cè)試質(zhì)量方面獲得了極大的優(yōu)勢(shì)。常見(jiàn)的基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)技術(shù)主要有短路－開(kāi)路－負(fù)載－直通( SOLT) 校準(zhǔn)技術(shù)和直通－ 反射－ 線路( TRL)校準(zhǔn)技術(shù)，它們分別基于12 項(xiàng)誤差模型和8 項(xiàng)誤差模型。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，之后還陸續(xù)出現(xiàn)了短路－開(kāi)路－負(fù)載( SOL) 校準(zhǔn)算法、短路－開(kāi)路－負(fù)載－反射( SOLR) 校準(zhǔn)算法、線路－反射－線路( LRL ) 校準(zhǔn)算法和線路－ 反射－ 匹配( LRM) 校準(zhǔn)算法等。

本文采用去嵌入校準(zhǔn)方法結(jié)合SOLT 校準(zhǔn)算法，去嵌入校準(zhǔn)主要針對(duì)無(wú)法直接測(cè)試被測(cè)件( DUT) 的S 參數(shù)時(shí)，需進(jìn)行虛擬匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置以移除實(shí)際匹配網(wǎng)絡(luò)，將校準(zhǔn)面從匹配網(wǎng)絡(luò)端口移至DUT 的輸入、輸出端口。使用同軸校準(zhǔn)件采用SOLT 校準(zhǔn)方法對(duì)同軸端校準(zhǔn)，采用去嵌入校準(zhǔn)技術(shù)將提取的多端口射頻探針表征參數(shù)級(jí)聯(lián)計(jì)算進(jìn)行去嵌入，校準(zhǔn)面前移至探針校準(zhǔn)面，其原理如圖1所示。

圖1 校準(zhǔn)原理圖

測(cè)試系統(tǒng)經(jīng)過(guò)上述方法校準(zhǔn)后，將微波探針加載到相應(yīng)的被測(cè)芯片的端口RF1 ～ RF8，基于網(wǎng)絡(luò)分析儀和微波開(kāi)關(guān)通過(guò)控制程序發(fā)射和接收各通道微波信號(hào)，同時(shí)基于數(shù)字控制器提供相應(yīng)的數(shù)字控制信號(hào)( 如圖2 所示) ，通過(guò)控制軟件依次測(cè)量各通道下的各項(xiàng)參數(shù)。

當(dāng)TR 和DIN 輸出控制邏輯信號(hào)為“000”時(shí)，控制器控制微波開(kāi)關(guān)連通IN 和K1，信號(hào)的流經(jīng)途徑為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Port1→芯片RFC→芯片RF1→多頭射頻探針①→開(kāi)關(guān)矩陣K1→開(kāi)關(guān)矩陣IN→矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Port2 形成閉環(huán)，測(cè)試被測(cè)芯片RFC 到RF1 間通道參數(shù); 控制器為TR 和DIN 輸出控制邏輯為“001”信號(hào)時(shí)，此時(shí)芯片選擇左支路RFC 到RF2 通道打開(kāi)，同時(shí)控制微波開(kāi)關(guān)連通IN 和K2，信號(hào)的流經(jīng)途徑為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Port1→芯片RFC→芯片RF2→多頭探針②→開(kāi)關(guān)矩陣K2→開(kāi)關(guān)矩陣IN→矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Port2 形成閉環(huán)，測(cè)試RFC 到RF2 間實(shí)際參數(shù)，依次類推，至各通道測(cè)試完成。

圖2 9端口在片測(cè)試系統(tǒng)示意圖

為保障多端口測(cè)試方法的準(zhǔn)確性，選取多端口微波單片集成電路，采用常規(guī)測(cè)試方法和本文提出的多端口在片測(cè)試方法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證多端口探針去嵌入測(cè)試方法的準(zhǔn)確性與可行性，采用常規(guī)測(cè)試方法和本文多收發(fā)通道測(cè)試方法同時(shí)測(cè)試芯片中1通道的輸入回波損耗( S11) 和輸出回波損耗( S22) ，測(cè)試結(jié)果如圖3 和圖4 所示。

由圖可見(jiàn)兩條測(cè)試曲線基本重合，證明該方法具有可行性。采用常規(guī)測(cè)試方法與本文多收發(fā)通道測(cè)試方法測(cè)試芯片中1 通道的增益( S21) 和1 dB 壓縮點(diǎn)的輸出功率( Po( 1 dB) ) ，如圖5 和圖6 所示。從圖中看出兩種測(cè)試方法誤差小于3%，證明該方法具有可行性。

圖3 兩種方法測(cè)試的芯片輸入回波損耗曲線

圖4 兩種方法測(cè)試的芯片輸出回波損耗曲線

圖5 兩種方法測(cè)試的芯片增益

圖6 兩種方法測(cè)試的芯片Po( 1 dB)

與常規(guī)測(cè)試方法相比，本文測(cè)試方法無(wú)需移動(dòng)探針，一次壓針自動(dòng)采集，測(cè)試效率大幅提高，解決了手動(dòng)移針多次壓針測(cè)試效率低、對(duì)芯片表面損傷大的問(wèn)題。

4 結(jié)論

本文基于同軸端口和在片端口應(yīng)用SOLT 校準(zhǔn)提取共面微波探針S 參數(shù)的方法，獲得多射頻探針的特性參數(shù)，采用去嵌入校準(zhǔn)方法應(yīng)用于多射頻探針在片校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)多收發(fā)通道多功能芯片在片一次壓針全通道測(cè)試，獲得的芯片任一通道的一次測(cè)試數(shù)據(jù)與常規(guī)單端探針測(cè)試方法結(jié)果一致。多收發(fā)通道多功能芯片在片測(cè)試方法無(wú)需移動(dòng)探針，一次壓針獲得全通道參數(shù)，大幅提高了效率，降低了芯片多次壓針造成的芯片損傷。

審核編輯：湯梓紅