微波单片集成电路测试技术探究范文

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摘要:微波单片集成电路主要应用于无线通讯、雷达、电子对抗等领域,近年随着装备发展对微波器件需求越来越大,其可靠性保证要求也越来越高,而目前单片有源微波器件在国内还处于起步阶段,相关的检测试验技术方法欠缺。针对这一问题,本文开展有源微波器件测试技术研究,以微波放大器、射频开关等几类典型器件为例介绍回波损耗、1dB压缩点、单边带相位噪声等主要微波特性参数的测试方法。

关键词:MMIC；微波参数测试；元器件可靠性；微波测试夹具

0引言

微波单片集成电路(MMIC)已成为当前发展各类高科技武器的重要支柱,已广泛用于先进的战术导弹、电子战装备、通信系统、相控阵雷达,是一切无线电子装备、无线电子信息系统和武器装备无线控制系统的基础,其性能、质量和可靠性直接影响电子装备的优劣[1]。对微波电路参数的测量是保证元器件质量的重要手段,通过测试一方面可验证设计的正确性,另一方面也可利用测试的性能参数对设计的电路进行优化和修正。射频和微波元器件的测试有相当的特殊性,必须了解其参数特性,使用正确的测试方法,才能获得满意的测试结果[2]。本文以集成微波放大器、射频开关为例来介绍微波特性参数测试方法。

1微波放大器测试方法

集成微波放大器多是利用GaAs、SiC等宽禁带半导体材料,通过薄膜工艺制成,具有损耗小、噪声低、动态范围大等特点,广泛应用于微波电路前级信号放大。主要的特性参数有增益、平坦度、驻波、1dB压缩点等。以Hittle公司低噪声放大器HMC441LC3B为例,HMC441LC3B频率范围6.5GHz～13.5GHz,增益14dB,50Ω阻抗匹配,饱和输出功率22dBm。采用矢量网络分析仪进行测试。

1.1增益、平坦度测量

利用矢量网络分析仪的功率扫描功能来测量放大器输出功率与输入功率的关系。测量时直流电源电压设置为5V,被测器件达到手册给定的最佳工作电流,在器件带宽范围内(6.5GHz～13.5GHz)扫描各频点的S12参数即为被测器件增益,带宽范围内S12参数值之间最大的差值即为平坦度。对于增益较大的器件,测量时还需在输出端接入固定衰减器,此时器件增益等于S12值加衰减度。

1.21dB压缩点测量

输入功率增加到某一点时,放大器增益下降,即该放大器出现增益压缩。当输入功率进一步增加时,放大器变成饱和状态,输出功率保持常数,1dB增益压缩点即是使放大器增益下降1dB的输入功率。测试时矢量网络分析仪功率扫描的范围要足够大,以便保证能驱动被测放大器从线性区进入压缩区。需要注意的是当被测放大器的输出功率超过矢量网络分析仪接收机的输入压缩电平时,需对放大器的输出进行足够大的衰减。这不仅能防止损坏矢量网络分析仪的接收机,而且也能将功率电平维持到足以不使接收机出现增益压缩。

2射频开关测试方法

射频开关主要特性参数包括插入损耗、回波损耗、隔离度和1dB压缩点。以Hittle公司SPDT射频开关HMC232LP4E为例,测试线路如图2所示。

2.1插入损耗、回波损耗测量

HMC232LP4E采用负电平控制方式,-5V为逻辑“High”、0V为逻辑“Low”,在器件A、B控制端输入-5V,0V电平,此时器件射频端RFC与RF1接通。矢量网络分析仪接RFC、RF1两端,在DC-12GHz频率范围内扫描测量S12、S21参数即为RFC-to-RF1和RF1-to-RFC插入损耗,S11、S22参数分别为RFC、RF1端的回波损耗。当器件A、B控制端输入0V,-5V电平,此时器件射频端RFC与RF2接通,同理可以测得RFC-to-FR2插入损耗和回波损耗。值得注意的是HMC232LP4E内部集成50Ω匹配电阻,测量RFC-to-RF1特性参数时RF2无需接匹配负载,对于其他内部没有集成匹配阻抗的器件,非测量端口需接50Ω匹配。

2.2隔离度测量

测量高隔离度的开关时,必须提高仪器动态范围,降低仪器噪声,才能获得满意的测量结果。通过降低接收机中频带宽,可以提高矢量网络分析仪的动态范围,一般而言,中频带宽减小10倍,背景噪声可降低10dB[3]。在器件A、B控制端输入-5V,0V电平,矢量网络分析仪接RFC、RF2两端,扫描测量得到的S12参数即为RFC与RF1之间的隔离度。器件A、B控制端输入0V,-5V电平,矢量网络分析仪接RFC、RF1两端,同理测得的S12参数即为RFC与RF2之间的隔离度。

3微波测试夹具设计及误差校准

微波单片集成电路为非同轴器件,不能直接与同轴接口形式的矢量网络分析仪连接来进行测试,必须设计和制作与之相适应的转换夹具。微波测试夹具结构由锁紧结构、屏蔽腔体、测试电路、互连介质模块构成。在电路的设计上面应尽可能的保证信号传输线(微带线)不发生弯折,且必须采用50Ω的匹配线;为了确保微波器件的有效接地,减少外界信号干扰,一般器件底部设计接地的焊盘,同时应打尽可能多的过孔以保证器件以最短的距离接地;另外为了抑制表面波和波导模式,保证传输准TEM模,必须满足:屏蔽腔体高度H≥(5～10)h,接地板宽度a≥3h(h为微带线路基板厚度)。由于实际中所采用的材料与工艺必然与系统的特性阻抗存在偏差,导致信号发生反射,因此微带线路设计时需考虑阻抗匹配。通过集总参数电路描述方式(l为传输线长度;y为传播常数;α为衰减常数;β为相位常数;J1,J2为微带线的分界面)。采用电磁仿真软件ADS对夹具等效模型进行仿真,得出各部微带线路最佳匹配网络参数[4]。互连介质模块性能直接关系测量结果的准确性,在保证被测器件与微带线路板良好接触的同时,还需考虑介质的寄生参数。对频率低于5GHz射频器件,可以采用1.3mm(Ф=0.5mm)微波探针作为互连介质,而高频微波器件建议采用寄生参数更小的金丝导电橡胶。微波测试夹具采用TRL校准,即直通、反射和延时线三种极端状态针对6－8项误差模型校准[5]。为了保证校准端面在待测件两端,采用非零长度直通,其他校准件长度及其他参数以直通校准件为基准,使得校准端面在直通校准件中心线,即待测件两端。

4结语

本文以微波放大器、射频开关几类典型有源微波单片集成电路为例介绍了主要微波特性参数的测试方法、测试线路及注意事项。另外介绍了一种微波器件测试夹具设计及误差校正方法。更多微波器件参数测试方法可以参考GJB2650-96《微波元器件性能测试方法》。

参考文献

[1]蒋晓红.射频和微波元器件的测试[J].测控技术,2004,23(1):14-16.

[2]刘杰,贾志谦.微波元器件自动测试系统[J].中国测试,2009,35(6):46-49.

[3]付琬月,董宇亮,张洪伟,等.单片微波功率放大器的极限评估试验研究[J].微电子学.2012,42(4):596-598.

[4]雷静.非同轴微波器件测试夹具的设计与应用[J].电子元件与材料,2011,30(7):60-63.

[5]朱学波,郭敏梁,胜利.微波功率器件测试中的探针SOLT校准技术[J].电子测量与仪器学报,2008,22(Z2):85-89.

作者:袁帅 邱云峰 单位:贵州航天计量测试技术研究所