微波單片集成電路測試技術探究范文

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摘要:微波單片集成電路主要應用于無線通訊、雷達、電子對抗等領域,近年隨著裝備發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還處于起步階段,相關的檢測試驗技術方法欠缺。針對這一問題,本文開展有源微波器件測試技術研究,以微波放大器、射頻開關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的測試方法。

關鍵詞:MMIC；微波參數測試；元器件可靠性；微波測試夾具

0引言

微波單片集成電路(MMIC)已成為當前發展各類高科技武器的重要支柱,已廣泛用于先進的戰術導彈、電子戰裝備、通信系統、相控陣雷達,是一切無線電子裝備、無線電子信息系統和武器裝備無線控制系統的基礎,其性能、質量和可靠性直接影響電子裝備的優劣[1]。對微波電路參數的測量是保證元器件質量的重要手段,通過測試一方面可驗證設計的正確性,另一方面也可利用測試的性能參數對設計的電路進行優化和修正。射頻和微波元器件的測試有相當的特殊性,必須了解其參數特性,使用正確的測試方法,才能獲得滿意的測試結果[2]。本文以集成微波放大器、射頻開關為例來介紹微波特性參數測試方法。

1微波放大器測試方法

集成微波放大器多是利用GaAs、SiC等寬禁帶半導體材料,通過薄膜工藝制成,具有損耗小、噪聲低、動態范圍大等特點,廣泛應用于微波電路前級信號放大。主要的特性參數有增益、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。采用矢量網絡分析儀進行測試。

1.1增益、平坦度測量

利用矢量網絡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系。測量時直流電源電壓設置為5V,被測器件達到手冊給定的最佳工作電流,在器件帶寬范圍內(6.5GHz～13.5GHz)掃描各頻點的S12參數即為被測器件增益,帶寬范圍內S12參數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,即該放大器出現增益壓縮。當輸入功率進一步增加時,放大器變成飽和狀態,輸出功率保持常數,1dB增益壓縮點即是使放大器增益下降1dB的輸入功率。測試時矢量網絡分析儀功率掃描的范圍要足夠大,以便保證能驅動被測放大器從線性區進入壓縮區。需要注意的是當被測放大器的輸出功率超過矢量網絡分析儀接收機的輸入壓縮電平時,需對放大器的輸出進行足夠大的衰減。這不僅能防止損壞矢量網絡分析儀的接收機,而且也能將功率電平維持到足以不使接收機出現增益壓縮。

2射頻開關測試方法

射頻開關主要特性參數包括插入損耗、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。矢量網絡分析儀接RFC、RF1兩端,在DC-12GHz頻率范圍內掃描測量S12、S21參數即為RFC-to-RF1和RF1-to-RFC插入損耗,S11、S22參數分別為RFC、RF1端的回波損耗。當器件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內部集成50Ω匹配電阻,測量RFC-to-RF1特性參數時RF2無需接匹配負載,對于其他內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時,必須提高儀器動態范圍,降低儀器噪聲,才能獲得滿意的測量結果。通過降低接收機中頻帶寬,可以提高矢量網絡分析儀的動態范圍,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,矢量網絡分析儀接RFC、RF2兩端,掃描測量得到的S12參數即為RFC與RF1之間的隔離度。器件A、B控制端輸入0V,-5V電平,矢量網絡分析儀接RFC、RF1兩端,同理測得的S12參數即為RFC與RF2之間的隔離度。

3微波測試夾具設計及誤差校準

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絡分析儀連接來進行測試,必須設計和制作與之相適應的轉換夾具。微波測試夾具結構由鎖緊結構、屏蔽腔體、測試電路、互連介質模塊構成。在電路的設計上面應盡可能的保證信號傳輸線(微帶線)不發生彎折,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,一般器件底部設計接地的焊盤,同時應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模式,保證傳輸準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的特性阻抗存在偏差,導致信號發生反射,因此微帶線路設計時需考慮阻抗匹配。通過集總參數電路描述方式(l為傳輸線長度;y為傳播常數;α為衰減常數;β為相位常數;J1,J2為微帶線的分界面)。采用電磁仿真軟件ADS對夾具等效模型進行仿真,得出各部微帶線路最佳匹配網絡參數[4]。互連介質模塊性能直接關系測量結果的準確性,在保證被測器件與微帶線路板良好接觸的同時,還需考慮介質的寄生參數。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,而高頻微波器件建議采用寄生參數更小的金絲導電橡膠。微波測試夾具采用TRL校準,即直通、反射和延時線三種極端狀態針對6－8項誤差模型校準[5]。為了保證校準端面在待測件兩端,采用非零長度直通,其他校準件長度及其他參數以直通校準件為基準,使得校準端面在直通校準件中心線,即待測件兩端。

4結語

本文以微波放大器、射頻開關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計及誤差校正方法。更多微波器件參數測試方法可以參考GJB2650-96《微波元器件性能測試方法》。

參考文獻

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

[2]劉杰,賈志謙.微波元器件自動測試系統[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.2012,42(4):596-598.

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

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

作者:袁帥 邱云峰 單位:貴州航天計量測試技術研究所