用于5G應(yīng)用的高達(dá)110 GHz的探頭端功率校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性-晶圓級S參數(shù)測量的改進(jìn)

概述——關(guān)鍵任務(wù)無線服務(wù)（如自動駕駛和遠(yuǎn)程醫(yī)療）的需求要求更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更低的延遲。這類應(yīng)用程序正在推動在新興的5G移動通信系統(tǒng)中使用28、38、60和73 GHz的射頻（RF）。5G應(yīng)用的器件或電路的晶圓級RF測量極具挑戰(zhàn)性，因為巨大的系統(tǒng)損耗和探針尖端的校準(zhǔn)狀態(tài)僅有效約10分鐘。本文提出了一種新的探針針尖功率校準(zhǔn)方法用于S參數(shù)校準(zhǔn)這是示出大大提高直流偏置精度，S參數(shù)高達(dá)110 GHz的測量精度和校準(zhǔn)后穩(wěn)定性。新方法允許精確和低的探針尖端源功率偏置為—20dBm，而不影響校準(zhǔn)性能。還將系統(tǒng)校準(zhǔn)穩(wěn)定性提高到4小時以上，通過避免頻繁的重新校準(zhǔn)，使微波工程師有足夠的時間測試他們的射頻器件和電路，大大提高了測試吞吐量。

關(guān)鍵詞-射頻，物聯(lián)網(wǎng)（IOT），5G移動通信，校準(zhǔn)，穩(wěn)定性，測量技術(shù)，毫米波測量。

1，導(dǎo)言

為了支持無線多媒體、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和車輛定位系統(tǒng)等無線應(yīng)用中以更高數(shù)據(jù)速率和更低延遲支持大量設(shè)備的需求，5G移動通信系統(tǒng)中使用了28 GHz、38 GHz、60 GHz和73 GHz的射頻(RF) [1]-[2]。為了開發(fā)這些應(yīng)用的集成電路，需要對射頻CMOS(RFCMOS)晶體管等半導(dǎo)體微波器件的表征至少到110 GHz。由于這些器件采用了非常先進(jìn)的RFCMOS工藝節(jié)點制造，需要表征的器件總數(shù)大大增加，尤其是在工藝制造和器件SPICE模型開發(fā)階段。因此，需要高精度和高測試吞吐量的S參數(shù)系統(tǒng)來支持這些晶圓級測量。

圖1顯示了用于表征RF NMOSFET的110 GHz晶圓級測試系統(tǒng)裝置典型示例。大多數(shù)商用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)只能支持最高67 GHz的S參數(shù)測量。需要使用頻率擴展器，包括上/下變頻器和放大器，來擴展VNA的測量能力以達(dá)到110 GHz。偏置電橋用于將RF測試信號和直流偏置相結(jié)合，通常由半導(dǎo)體參數(shù)分析儀提供。然后偏置電橋的輸出連接到地-信號-地(GSG)射頻探針，以在器件測試pads上實現(xiàn)良好的電學(xué)RF接觸。

圖1示意圖與芯片照片顯示了一個典型的晶圓級設(shè)置測試射頻晶體管高達(dá)110 GHz。

2，準(zhǔn)確和一致的探針尖端射頻源功率的重要性

A. 較大的射頻源功率導(dǎo)致晶體管直流特性不準(zhǔn)確

通常，經(jīng)驗不足的器件建模或器件測試工程師不太重視在表征微波晶體管時確定使用哪個最合適的射頻源功率。要確定理想的射頻源功率，首先必須在沒有來自VNA的任何射頻干擾的情況下獲取RFCMOS晶體管的直流特性。這可以通過將VNA上的射頻激勵設(shè)置為“hold”（保持）模式來實現(xiàn)，從而在直流測量期間阻止任何射頻信號進(jìn)入晶體管。圖2(a)和2(b)中的紅色曲線顯示了在沒有任何射頻信號干擾的情況下，不同漏極偏置下NMOSFET的跨導(dǎo)(Gm)與對柵極電壓(Vg)的特性（Gm vs vg）。

當(dāng)將VNA上的激勵設(shè)置從“保持”（hold）更改為“連續(xù)”(continuous)，并使用0 dBm的較大射頻源功率進(jìn)行相同的直流跨導(dǎo)(Gm)測量時，會觀察到一個失真的傳導(dǎo)電阻或增益曲線（藍(lán)色曲線），如圖2(a)所示。在圖2(b)中，當(dāng)射頻源功率降低到-20 dBm時，測量得到的跨導(dǎo)沒有失真，并且與在沒有射頻信號注入晶體管時獲得的跨導(dǎo)特性很好地匹配（紅色曲線）。這些結(jié)果表明，在表征有源器件時，確定要使用的理想射頻源功率非常重要和至關(guān)重要。當(dāng)使用過大的射頻源功率時，會導(dǎo)致晶體管性能失真，從而導(dǎo)致不正確的直流偏置條件，從而得到了錯誤的射頻測量結(jié)果。

圖2. 對于射頻NMOSFET，不同漏極電壓下（在0.3V、0.6V、0.9V、1.2V、1.5V和1.8V時）的直流跨導(dǎo)與柵極電壓的曲線 (Gm vs vg)，對比了網(wǎng)絡(luò)分析儀RF功率關(guān)閉“保持”模式下的曲線（紅色曲線）與射頻源功率= 0 dBm時（a）和射頻源功率= -20 dBm時（b）（藍(lán)色曲線）的曲線。

B. 低射頻源功率下的S參數(shù)探針尖端后校準(zhǔn)的穩(wěn)定性性能

使用低射頻源功率（如-20 dBm）在110 GHz晶圓級測量系統(tǒng)（如圖7所示）中進(jìn)行探針尖端S參數(shù)校準(zhǔn)時，后校準(zhǔn)的穩(wěn)定性非常差。圖3顯示了空氣中（OPEN）中的射頻探針的回波損耗隨時間的變化。當(dāng)采用±0.1 dB的標(biāo)準(zhǔn)時，觀察到在校準(zhǔn)后的約10分鐘內(nèi)，系統(tǒng)已經(jīng)偏離規(guī)格，需要重新校準(zhǔn)才能獲得低跡線噪聲的測量結(jié)果。這種糟糕的后校準(zhǔn)穩(wěn)定性對測試吞吐量有嚴(yán)重影響，因為每個晶體管通常需要大約20到30分鐘的測試和測量時間。

圖3：使用射頻源功率-20 dBm進(jìn)行探針尖S參數(shù)校準(zhǔn)時隨時間的校準(zhǔn)穩(wěn)定性（監(jiān)測探針在空氣中的回波損耗）。

這種穩(wěn)定性性能差的原因有2個因素。首先，如圖4所示，探針尖端的射頻源功率隨頻率變化（如圖7中的110 GHz系統(tǒng)所示）。在射頻源功率設(shè)置為-20 dBm的情況下，實際的探針尖端功率從大約-20 dBm開始，在67 GHz時降至約-35 dBm，這是由于與射頻探針、線纜和偏置電橋的損耗相關(guān)。在67 GHz之前，一些射頻測試專家可能會認(rèn)為，由于選擇的射頻功率仍處于小信號操作狀態(tài)，并且S參數(shù)測量是相對測量，探針尖端的射頻源功率的下降并不重要。然而，觀察到的糟糕的穩(wěn)定性性能也部分歸因于隨著頻率增加至67 GHz，探針尖端的射頻源功率不斷下降。從67 GHz到110 GHz，通過頻率擴展器，探針尖端的射頻源功率被放大到約-5 dBm。這個值太大了，會影響晶體管在射頻測量過程中的直流特性和工作條件，如圖2所示。

圖4：用-20 dBm的VNA端口1源功率測量的端口1探針尖的功率。

其次，VNA的端口1和端口2的接收器沒有進(jìn)行功率校準(zhǔn)（校準(zhǔn)過的探針尖端源功率是進(jìn)行接收器功率校準(zhǔn)的先決條件），這嚴(yán)重影響整個系統(tǒng)的測量性能。圖5顯示了當(dāng)端口1和端口2的兩個探針通過一個1ps線連接時，在端口1設(shè)置為-20 dBm的射頻源功率下，VNA的端口2處的射頻功率測量結(jié)果。理想情況下，無論頻率如何，端口2的測量功率應(yīng)保持在-20 dBm。在端口1和端口2之間觀察到的高達(dá)40 dB的大損耗，導(dǎo)致信噪比測量性能低下，從而引起巨大的S參數(shù)測量不確定性。

圖5：當(dāng)通過一個1 ps線連接端口1和端口2時，端口2的探針尖的測量功率，VNA端口1的射頻源功率設(shè)置為-20 dBm。

III. 針對S參數(shù)測量的CHOON探針尖端功率校準(zhǔn)方法的提出

在第二節(jié)中已經(jīng)討論了為什么必須具有一致的準(zhǔn)確的射頻探針尖端源功率的重要原因。在本節(jié)中，首次提出了一種新穎的用于S參數(shù)測量的探針尖端功率校準(zhǔn)方法，稱為CHOON方法（如圖6(a)所示），旨在幫助實現(xiàn)準(zhǔn)確的一致的探針尖端射頻源功率。使用Cascade Microtech的工程探針臺、Keysight的110 GHz測量系統(tǒng)（圖7(a)）和射頻功率傳感器，可以準(zhǔn)確測量圖7(b)所示的1mm同軸連接器處的實際射頻功率，以表征整個系統(tǒng)（包括同軸線纜）的射頻損耗與頻率的性能。將這與射頻探針的損耗相結(jié)合，可以創(chuàng)建在探針尖端有效的功率校準(zhǔn)表（圖6(a)中的紅色流程圖）。如果110 GHz測試系統(tǒng)沒有顯著變化，這些功率計可以在進(jìn)行探針尖端源功率校準(zhǔn)時重復(fù)使用。

              (a)                                                                       (b)

圖6. 比較CHOON的探針尖功率+S參數(shù)校準(zhǔn)方法（a）與傳統(tǒng)VNA方法（b）的流程圖。

為了對110 GHz系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，使用CHOON方法的測試工程師將首先將射頻探針放在空氣中，使用功率計進(jìn)行源功率校準(zhǔn)。在通過功率計準(zhǔn)確校準(zhǔn)了探針尖端的射頻功率后，下一步是將射頻探針放在1ps thru'校準(zhǔn)件上進(jìn)行接收器功率校準(zhǔn)。完成射頻源和接收器功率校準(zhǔn)后，測試工程師可以使用適當(dāng)?shù)奶结樇?span style="color:#000000;font-family:Arial;font-size:16px;text-wrap:wrap;">端射頻校準(zhǔn)方法完成探針尖S參數(shù)校準(zhǔn)。

相比Choon的方法，僅需要在每個端口進(jìn)行功率校準(zhǔn)時測量額外的源功率和接收功率，傳統(tǒng)的VNA方法（如圖6（b）所示）進(jìn)行探針尖功率和S參數(shù)校準(zhǔn)顯得非常繁瑣且耗時。這種方法至少需要一個上午來完成，并且在校準(zhǔn)之前，必須要有所有RF探頭的最新測量性能數(shù)據(jù)，以便將探頭的S參數(shù)嵌入其中，從而精確地將校準(zhǔn)參考平面從1mm同軸連接器移動到探針尖。

圖7. 帶有67 GHz VNA和110 GHz頻率擴展器的屏蔽半自動工程探針臺（a）和連接到110 GHz頻率擴展器的75-110 GHz功率傳感器的局部視圖，通過1.0mm射頻線纜進(jìn)行功率校準(zhǔn)（b）。

IV. 結(jié)果和討論

采用Choon的探針尖端功率校準(zhǔn)方法（帶功率計）后，圖8中的紅色曲線顯示了經(jīng)過源功率校準(zhǔn)前后探針尖端的射頻源功率。觀察到，在校準(zhǔn)后，在預(yù)設(shè)的-20 dBm水平上，探針尖端的源功率相對于頻率保持恒定。另一方面，藍(lán)色曲線顯示了在執(zhí)行接收器功率校準(zhǔn)時，端口2在所有頻率下始終保持測量為-20 dBm時，40 dB損耗的大量接收器功率校正。

圖8. 經(jīng)過源和接收器功率校準(zhǔn)之后，端口1（圖4）的探針尖端源功率和端口2（圖5）的探針尖端接收功率保持一致。

使用Choon的方法在探針尖端進(jìn)行源和接收器功率校準(zhǔn)后，接著使用LRRM [3] 在非常低的RF源功率（-20dBm）下執(zhí)行探針尖S參數(shù)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后，將探針抬升至空中，監(jiān)測系統(tǒng)的時間漂移性能。如圖9所示，使用不超出±0.1dB的準(zhǔn)則，觀察到探針尖端功率校準(zhǔn)后，系統(tǒng)的校準(zhǔn)后狀態(tài)可以持續(xù)超過4小時。而沒有進(jìn)行探針尖端功率校準(zhǔn)的相同設(shè)置僅在10分鐘后就會迅速漂移，需要頻繁且繁瑣地重新校準(zhǔn)整個系統(tǒng)。

圖9. 經(jīng)過探針尖端功率校準(zhǔn)后，隨時間的校準(zhǔn)后穩(wěn)定性性能，監(jiān)測探針在空氣中的回波損耗。

圖10. 經(jīng)過探針尖端功率校準(zhǔn)后，隨時間的校準(zhǔn)后穩(wěn)定性性能，監(jiān)測1ps線的回波損耗。

隨后，在1ps線上重復(fù)相同的實驗，監(jiān)測系統(tǒng)隨時間漂移。圖10顯示，當(dāng)使用探針尖端功率校準(zhǔn)時，同一條線的回波損耗約為-40 dB，相比于不使用探針尖功率校準(zhǔn)時，測量系統(tǒng)的動態(tài)范圍提高了約10 dB。圖11使用1ps線路提取的串聯(lián)電感Ls隨頻率監(jiān)控系統(tǒng)漂移。Ls通過公式（1）提取，其中Y是線的測量導(dǎo)納參數(shù)[4]。

在低頻下提取的電感Ls約為50 pH，與線的預(yù)期的1ps延遲非常一致。通過探針尖端功率校準(zhǔn)，注意到提取的電感Ls在10個小時內(nèi)非常一致和穩(wěn)定。沒有進(jìn)行探針尖端功率校準(zhǔn)的情況下，圖11顯示，Ls隨時間的推移逐漸減少，并且在從低頻到約67 GHz之間出現(xiàn)明顯的不連續(xù)性（在探針尖端S參數(shù)校準(zhǔn)后的10小時后）。其根本原因是端口1探針尖端的實際RF源功率非常低，約為-32 dBm，而不是-20 dBm，并且在端口2的實際測量接收功率的嚴(yán)重?fù)p失。與大多數(shù)測試工程師的觀念相反，在保持小信號條件并且由于S參數(shù)是相對測量時，功率校準(zhǔn)是不必要和多余的，圖9、10和11中的結(jié)果表明，探針尖端功率校準(zhǔn)是必需的，因為校準(zhǔn)后的狀態(tài)隨時間非常穩(wěn)定，并具有更好的測量準(zhǔn)確性和系統(tǒng)動態(tài)范圍。

圖11. 經(jīng)過和不經(jīng)過探針尖端功率校準(zhǔn)后，S參數(shù)校準(zhǔn)后的穩(wěn)定性性能，監(jiān)測1ps線的提取電感隨時間的變化。

V. 結(jié)論

為了支持5G應(yīng)用中的器件和電路測量，需要一個準(zhǔn)確且穩(wěn)定的110 GHz晶圓級系統(tǒng)。本文提出了一種新穎的探針尖端功率校準(zhǔn)方法，結(jié)合S參數(shù)校準(zhǔn)。這種名為Choon的探針尖端功率校準(zhǔn)方法可以提高直流偏置精度、S參數(shù)測量的一致性和準(zhǔn)確性以及校準(zhǔn)后的穩(wěn)定性。使用這種探針尖功率校準(zhǔn)方法，110 GHz系統(tǒng)校準(zhǔn)穩(wěn)定性從10分鐘提高到超過4小時，大大提高了此類測試裝置的測量吞吐量，使得功率校準(zhǔn)成為實現(xiàn)準(zhǔn)確晶圓級S參數(shù)測量的重要手段。

參考資料

[1]   Theodore S. et al., “Millimeter Wave Mobile Communications for 5G

Cellular: It Will Work!,” IEEE Access, vol. 1, 2013, pp. 335 – 349.

[2]   X.   R.   Cui,   T. A.   Gulliver, J. LI, and H. Zhang “Vehicle Positioning Using 5G Millimeter-Wave Systems,” IEEE Access, vol. 4, 2016, pp. 6964 – 6973.

[3]   L.   Hayden,   “An   enhanced   Line-Reflect-Reflect-Match   calibration”, 67th ARFTG Conf. Dig., 2006.

[4]   M. Park, C. H. Kim, C. S. Kim, M.Y. Park, S.D. Kim, Y.S. Youn, H. K. Yu,   “Frequency-dependent   series   resistance   of   monolithic    spiral   inductors”, IEEE Microw. Guided Wave L., vol. 9, no. 12 pp. 514-516,   Dec 1999.

作者：Choon Beng Sia FormFactor Inc.， 新加坡