微波單片集成電路測試技術(shù)探究范文

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摘要:微波單片集成電路主要應(yīng)用于無線通訊、雷達(dá)、電子對抗等領(lǐng)域,近年隨著裝備發(fā)展對微波器件需求越來越大,其可靠性保證要求也越來越高,而目前單片有源微波器件在國內(nèi)還處于起步階段,相關(guān)的檢測試驗技術(shù)方法欠缺。針對這一問題,本文開展有源微波器件測試技術(shù)研究,以微波放大器、射頻開關(guān)等幾類典型器件為例介紹回波損耗、1dB壓縮點、單邊帶相位噪聲等主要微波特性參數(shù)的測試方法。

關(guān)鍵詞:MMIC；微波參數(shù)測試；元器件可靠性；微波測試夾具

0引言

微波單片集成電路(MMIC)已成為當(dāng)前發(fā)展各類高科技武器的重要支柱,已廣泛用于先進(jìn)的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、電子戰(zhàn)裝備、通信系統(tǒng)、相控陣?yán)走_(dá),是一切無線電子裝備、無線電子信息系統(tǒng)和武器裝備無線控制系統(tǒng)的基礎(chǔ),其性能、質(zhì)量和可靠性直接影響電子裝備的優(yōu)劣[1]。對微波電路參數(shù)的測量是保證元器件質(zhì)量的重要手段,通過測試一方面可驗證設(shè)計的正確性,另一方面也可利用測試的性能參數(shù)對設(shè)計的電路進(jìn)行優(yōu)化和修正。射頻和微波元器件的測試有相當(dāng)?shù)奶厥庑?必須了解其參數(shù)特性,使用正確的測試方法,才能獲得滿意的測試結(jié)果[2]。本文以集成微波放大器、射頻開關(guān)為例來介紹微波特性參數(shù)測試方法。

1微波放大器測試方法

集成微波放大器多是利用GaAs、SiC等寬禁帶半導(dǎo)體材料,通過薄膜工藝制成,具有損耗小、噪聲低、動態(tài)范圍大等特點,廣泛應(yīng)用于微波電路前級信號放大。主要的特性參數(shù)有增益、平坦度、駐波、1dB壓縮點等。以Hittle公司低噪聲放大器HMC441LC3B為例,HMC441LC3B頻率范圍6.5GHz～13.5GHz,增益14dB,50Ω阻抗匹配,飽和輸出功率22dBm。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試。

1.1增益、平坦度測量

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的功率掃描功能來測量放大器輸出功率與輸入功率的關(guān)系。測量時直流電源電壓設(shè)置為5V,被測器件達(dá)到手冊給定的最佳工作電流,在器件帶寬范圍內(nèi)(6.5GHz～13.5GHz)掃描各頻點的S12參數(shù)即為被測器件增益,帶寬范圍內(nèi)S12參數(shù)值之間最大的差值即為平坦度。對于增益較大的器件,測量時還需在輸出端接入固定衰減器,此時器件增益等于S12值加衰減度。

1.21dB壓縮點測量

輸入功率增加到某一點時,放大器增益下降,即該放大器出現(xiàn)增益壓縮。當(dāng)輸入功率進(jìn)一步增加時,放大器變成飽和狀態(tài),輸出功率保持常數(shù),1dB增益壓縮點即是使放大器增益下降1dB的輸入功率。測試時矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀功率掃描的范圍要足夠大,以便保證能驅(qū)動被測放大器從線性區(qū)進(jìn)入壓縮區(qū)。需要注意的是當(dāng)被測放大器的輸出功率超過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機(jī)的輸入壓縮電平時,需對放大器的輸出進(jìn)行足夠大的衰減。這不僅能防止損壞矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的接收機(jī),而且也能將功率電平維持到足以不使接收機(jī)出現(xiàn)增益壓縮。

2射頻開關(guān)測試方法

射頻開關(guān)主要特性參數(shù)包括插入損耗、回波損耗、隔離度和1dB壓縮點。以Hittle公司SPDT射頻開關(guān)HMC232LP4E為例,測試線路如圖2所示。

2.1插入損耗、回波損耗測量

HMC232LP4E采用負(fù)電平控制方式,-5V為邏輯“High”、0V為邏輯“Low”,在器件A、B控制端輸入-5V,0V電平,此時器件射頻端RFC與RF1接通。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接RFC、RF1兩端,在DC-12GHz頻率范圍內(nèi)掃描測量S12、S21參數(shù)即為RFC-to-RF1和RF1-to-RFC插入損耗,S11、S22參數(shù)分別為RFC、RF1端的回波損耗。當(dāng)器件A、B控制端輸入0V,-5V電平,此時器件射頻端RFC與RF2接通,同理可以測得RFC-to-FR2插入損耗和回波損耗。值得注意的是HMC232LP4E內(nèi)部集成50Ω匹配電阻,測量RFC-to-RF1特性參數(shù)時RF2無需接匹配負(fù)載,對于其他內(nèi)部沒有集成匹配阻抗的器件,非測量端口需接50Ω匹配。

2.2隔離度測量

測量高隔離度的開關(guān)時,必須提高儀器動態(tài)范圍,降低儀器噪聲,才能獲得滿意的測量結(jié)果。通過降低接收機(jī)中頻帶寬,可以提高矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的動態(tài)范圍,一般而言,中頻帶寬減小10倍,背景噪聲可降低10dB[3]。在器件A、B控制端輸入-5V,0V電平,矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接RFC、RF2兩端,掃描測量得到的S12參數(shù)即為RFC與RF1之間的隔離度。器件A、B控制端輸入0V,-5V電平,矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接RFC、RF1兩端,同理測得的S12參數(shù)即為RFC與RF2之間的隔離度。

3微波測試夾具設(shè)計及誤差校準(zhǔn)

微波單片集成電路為非同軸器件,不能直接與同軸接口形式的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接來進(jìn)行測試,必須設(shè)計和制作與之相適應(yīng)的轉(zhuǎn)換夾具。微波測試夾具結(jié)構(gòu)由鎖緊結(jié)構(gòu)、屏蔽腔體、測試電路、互連介質(zhì)模塊構(gòu)成。在電路的設(shè)計上面應(yīng)盡可能的保證信號傳輸線(微帶線)不發(fā)生彎折,且必須采用50Ω的匹配線;為了確保微波器件的有效接地,減少外界信號干擾,一般器件底部設(shè)計接地的焊盤,同時應(yīng)打盡可能多的過孔以保證器件以最短的距離接地;另外為了抑制表面波和波導(dǎo)模式,保證傳輸準(zhǔn)TEM模,必須滿足:屏蔽腔體高度H≥(5～10)h,接地板寬度a≥3h(h為微帶線路基板厚度)。由于實際中所采用的材料與工藝必然與系統(tǒng)的特性阻抗存在偏差,導(dǎo)致信號發(fā)生反射,因此微帶線路設(shè)計時需考慮阻抗匹配。通過集總參數(shù)電路描述方式(l為傳輸線長度;y為傳播常數(shù);α為衰減常數(shù);β為相位常數(shù);J1,J2為微帶線的分界面)。采用電磁仿真軟件ADS對夾具等效模型進(jìn)行仿真,得出各部微帶線路最佳匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)[4]。互連介質(zhì)模塊性能直接關(guān)系測量結(jié)果的準(zhǔn)確性,在保證被測器件與微帶線路板良好接觸的同時,還需考慮介質(zhì)的寄生參數(shù)。對頻率低于5GHz射頻器件,可以采用1.3mm(Ф=0.5mm)微波探針作為互連介質(zhì),而高頻微波器件建議采用寄生參數(shù)更小的金絲導(dǎo)電橡膠。微波測試夾具采用TRL校準(zhǔn),即直通、反射和延時線三種極端狀態(tài)針對6－8項誤差模型校準(zhǔn)[5]。為了保證校準(zhǔn)端面在待測件兩端,采用非零長度直通,其他校準(zhǔn)件長度及其他參數(shù)以直通校準(zhǔn)件為基準(zhǔn),使得校準(zhǔn)端面在直通校準(zhǔn)件中心線,即待測件兩端。

4結(jié)語

本文以微波放大器、射頻開關(guān)幾類典型有源微波單片集成電路為例介紹了主要微波特性參數(shù)的測試方法、測試線路及注意事項。另外介紹了一種微波器件測試夾具設(shè)計及誤差校正方法。更多微波器件參數(shù)測試方法可以參考GJB2650-96《微波元器件性能測試方法》。

參考文獻(xiàn)

[1]蔣曉紅.射頻和微波元器件的測試[J].測控技術(shù),2004,23(1):14-16.

[2]劉杰,賈志謙.微波元器件自動測試系統(tǒng)[J].中國測試,2009,35(6):46-49.

[3]付琬月,董宇亮,張洪偉,等.單片微波功率放大器的極限評估試驗研究[J].微電子學(xué).2012,42(4):596-598.

[4]雷靜.非同軸微波器件測試夾具的設(shè)計與應(yīng)用[J].電子元件與材料,2011,30(7):60-63.

[5]朱學(xué)波,郭敏梁,勝利.微波功率器件測試中的探針SOLT校準(zhǔn)技術(shù)[J].電子測量與儀器學(xué)報,2008,22(Z2):85-89.

作者:袁帥 邱云峰 單位:貴州航天計量測試技術(shù)研究所