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    重庆时时彩总单双大小: 在片高低温S参数TRL校准件的设计方法.pdf

    关 键 词:
    低温 参数 TRL 校准 设计 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201610985271.6

    申请日:

    2016.10.25

    公开号:

    CN106772172A

    公开日:

    2017.05.31

    当前法律状态:

    实审

    有效性:

    审中

    法律详情: 实质审查的生效IPC(主分类):G01R 35/00申请日:20161025|||公开
    IPC分类号: G01R35/00 主分类号: G01R35/00
    申请人: 中国电子科技集团公司第十三研究所
    发明人: 孙静; 刘晨; 吴爱华; 梁法国; 栾鹏; 王一帮; 韩利华; 韩志国; 孙晓颖
    地址: 050051 河北省石家庄市合作路113号
    优先权:
    专利代理机构: 石家庄国为知识产权事务所 13120 代理人: 王占华
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201610985271.6

    授权公告号:

    |||

    法律状态公告日:

    2017.06.23|||2017.05.31

    法律状态类型:

    实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种在片高低温S参数TRL校准件的设计方法,涉及测量电变量或磁变量的方法技术领域。所述方法包括以下步骤:1)在片S参数校准件的设计:针对不同的校准温度,分别设计不同温度的在片S参数校准件,在片S参数校准件采用共面波导传输线结构、TRL形式,包括直通标准件T、反射标准件R、传输线标准件L;2)在片终端电阻的设计。所述方法完成了在片高低温S参数校准件的设计与制作,完成在片校准件在不同温度下的表征,实现了不同温度下在片高低温S参数测试系统的有效校准,确保在片高低温S参数测量结果准确一致,且所述方法操作简单,校准准确度高。

    权利要求书

    1.一种在片高低温S参数TRL校准件的设计方法,其特征在于包括以下步骤:
    1)在片S参数校准件的设计
    针对不同的校准温度,采用共面波导传输线结构,分别设计不同温度的在片S参数TRL
    校准件;在片高低温S参数校准件包括直通标准件T、反射标准件R、传输线标准件L,使用8项
    误差模型;
    其中,直通标准件T使用零长度直通,校准参考平面在直通标准件的中央,在校准参考
    平面处左右直接相连,保证直通标准件在校准参考平面上的损耗为0,直通标准件T的S参数
    S12=S21=1∠0°,反射系数为0;
    反射标准件R在校准参考平面处为开路与短路,反射系数的幅值接近1,两个端口的反
    射系数相等;
    传输线标准件L是在直通标准件的基础上,在校准参考平面处插入一段插入相位介于
    30°~150°的传输线,传输线的特征阻抗是校准后系统的参考阻抗,传输线的特征阻抗设计
    为50Ω;
    2)在片终端电阻的设计。
    2.如权利要求1所述的在片高低温S参数TRL校准件的设计方法,其特征在于在设计所
    述标准件时需要对以下参数进行设计:
    衬底的相对介电常数εr、金属导体电导率k、地线宽度Wg、中心导体的宽度w、中心导体和
    地线间距g,金属层厚度T、边界条件和衬底厚度H。
    3.如权利要求2所述的在片高低温S参数TRL校准件的设计方法,其特征在于,所述的衬
    底相对介电常数εr的选取方法如下:
    在片高低温S参数TRL校准件的衬底材料采用GaAs,不同温度下衬底的相对介电常数εr
    使用谐振腔体法测量,获得高低温下的衬底的相对介电常数εr,谐振腔体法的是将材料样
    品放入封闭或者开放的谐振腔体中,谐振腔体具有很高的Q因子,并且在特定的频率发生谐
    振,根据放入前后其谐振频率和品质因子Q值的变化来确定样品介电常数,通常是将样品置
    于谐振腔中电场最小磁场最大处测量样品的介电常数。
    4.如权利要求2所述的在片高低温S参数TRL校准件的设计方法,其特征在于,所述的金
    属导体电导率k的选取方法如下:
    金属导体电导率k与温度T有线性关系,公式如下所示,其中k1为温度T1的电导率,k2为
    温度T2的电导率,α为金属导体电导率的温度系数;
    <mrow> <msub> <mi>k</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>k</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>&alpha;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>T</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>T</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
    当已知一种金属材料在某一温度下电导率以及温度系数时,通过上述公式计算出另一
    温度下该金属导体的电导率。
    5.如权利要求2所述的在片高低温S参数TRL校准件的设计方法,其特征在于,所述的衬
    底厚度H的选取方法如下:
    根据不同GaAs衬底厚度的共面波导传输线的测试对比实验,绘制测试曲线,根据测试
    曲线,将曲线中色散、辐射和表面波影响最小的衬底厚度作为所述校准件中衬底的厚度。
    6.如权利要求2所述的在片高低温S参数TRL校准件的设计方法,其特征在于,所述的中
    心导体的宽度w以及中心导体和地线间距g的计算方法如下:
    利用蒙特卡洛方法对各个影响量对传输线特性阻抗的贡献量进行分析,确定在微波频
    段,对传输线特性阻抗的影响最大的参数是中心导线与地线间距g,其次为中心导体宽度w;
    在相同阻抗的情况下,选择w、g大的设计值;且w大于探针中心针尖的宽度,(w+2g)小于探针
    针尖的总宽度。
    7.如权利要求2所述的在片高低温S参数TRL校准件的设计方法,其特征在于,所述的地
    线宽度Wg的选取方法如下:
    地线宽度Wg为(w+2g)的2倍以上,其中w为中心导体的宽度,g为中心导体和地线间距。
    8.如权利要求2所述的在片高低温S参数TRL校准件的设计方法,其特征在于,所述的金
    属层厚度T的选取方法如下:金属层厚度T小于趋肤深度。
    9.如权利要求2所述的在片高低温S参数TRL校准件的设计方法,其特征在于,所述的边
    界条件的选取方法如下:常温情况校准时,将所述校准件放在金属卡盘的微波吸收材料或
    者玻璃片上;高、低温情况校准时,将所述校准件放在微波吸收材料上。
    10.如权利要求1所述的在片高低温S参数TRL校准件的设计方法,其特征在于,所述的
    在片终端电阻的设计方法如下:
    在片终端电阻用于校准件共面波导传输线的特性阻抗的定标,是在TRL校准件中的传
    输线标准一端内嵌一负载电阻,即左面与传输线尺寸一致,右面在传输线终端和地线间增
    加一负载电阻,阻值略偏离50欧姆。

    说明书

    在片高低温S参数TRL校准件的设计方法

    技术领域

    本发明涉及测量电变量或磁变量的方法技术领域,尤其涉及一种在片高低温S参
    数TRL校准件的设计方法。

    背景技术

    近年在片高低温测试设备的发展降低了在片高低温S参数测量成本,提高了在片
    高低温S参数的测量速度。这些优势使得微波功率器件复杂的热效应建模与工作过程分析
    成为可能,推动了用于复杂环境下微波单片电路的发展。

    针对在片高低温S参数测量,美国CASCADE公司与TEMPTRONIC和ESPEC两家公司合
    作,设计了在片高低温S参数测试系统,结构如图1所示,它包括探针台、矢量网络分析仪、温
    度控制单元及各种附属设备。其中矢量网络分析仪用于S参数测试,探针台用于提供同轴至
    单片电路的精密稳定连接。温度控制单元用来控制探针台主卡盘温度,实现主卡盘温度在-
    65℃~200℃内调节。测试时将DUT放置在主卡盘上,升降温过程中DUT温度随着主卡盘温度
    变化,稳定后等于主卡盘的温度,以实现在片高低温S参数测试。与此同时,在主卡盘旁边增
    加了与主卡盘热隔离的两个辅助卡盘,用于放置在片S参数校准件。

    国外,研究了探针头在不同温度下的温度分布情况,如图2所示(第一测温点温度
    为110℃、第二测温点温度为125℃、第三测温点温度为105℃、第四测温点温度为45℃、主卡
    盘温度为125℃),探针头随温度变化而引起的微波特性变化影响了在片高低温S参数测量
    准确度。在片高低温S参数测试系统的准确测量是建立在测量之前对矢量网络分析仪进行
    在片高低温准确校准基础上,因此需要设计在片高低温S参数校准件,在不同温度下对在片
    高低温S参数测试系统进行校准,以提高在片高低温S参数校准与测量准确度。

    高准确度S参数测试都离不开测试前对系统准确而完善的校准,通过校准将矢量
    网络分析仪与DUT之间的连接电缆、探针等对测量结果的影响去除,从而得到被测件“真实”
    的S参数。对于在片高低温S参数的校准,随着研究不断深入,先后出现了以下三种校准过
    程:

    第一种校准过程与普通在片S参数校准相同,即室温下校准,高低温下测量。具体
    校准方法可以使用SOLT、TRL、LRRM等。此方法忽略了由于温度变化使微波探针头和周围微
    波电缆的热效应发生物理形变,导致微波探针头等的微波特性发生改变,使原有校准状态
    发生偏离,影响在片高低温S参数的精确测量。设备厂商在其技术文章中指出,在25℃下频
    率范围为1GHz~26.5GHz进行校准,校准后在片S参数在26.5GHz频点上测量稳定性为-60dB
    (0.1%),但是当卡盘温度升至200℃时仍使用室温校准数据测量S参数,测量结果稳定性变
    为-15dB(17.8%),而且随着频率的升高,这种偏差变得越来越明显。如此大的偏差在很多
    在片高低温S参数测量应用中是不可接受的。

    第二种校准过程是将校准件放置在高低温卡盘上,保持校准温度与实际测试温度
    相一致,避免了微波探针头由于温度变化带来的微波特性改变。由于在片负载中薄膜电阻
    阻值受温度影响较大,因此具体校准方法应使用没有负载标准的TRL进行校准,但是在片校
    准件衬底介电特性受到温度影响,使TRL校准件中的传输线标准特征阻抗Z0偏离了其常温
    下的定义值,因此这种校准过程并不完善。

    设备厂商经过大量实验,提出一种简单并且测量准确度在一定范围内满足要求的
    在片高低温S参数测试系统的校准过程,即首先将主卡盘温度调整至测量温度,将探针移动
    至在主卡盘上稳定15分钟,即“烤探针”,然后利用半自动探针台的自动校准功能,将探针迅
    速移动至放有在片校准件的辅助卡盘上,在探针温度恢复前迅速完成校准。同时指出,在片
    高低温S参数测试过程中应不断监视测量结果的稳定性,一旦系统稳定性不满足要求,必须
    重新执行校准。图3给出了设备厂商推荐的在片高低温S参数测试过程。这种方法在一定程
    度上减小了探针温度变化对测量结果的影响,但并不能消除,在对测量准确度要求比较高
    的微波器件建?;蛘呒屏康攘煊?,上述校准过程无法满足高测量准确度的要求,需要根据
    实际测量温度与测量频率设计制作在片高低温S参数校准件。

    随着微波单片电路设计与制造工艺的发展,对在片高低温S参数测量准确度提出
    了越来越高的要求,例如在冷FET、夹断FET和热FET的温度特性与偏置特性建模过程中,要
    求|S21|测量结果在8mm频段最大测量不确定度在0.1dB以内,利用之前简单的校准过程难
    以保证高低温下在片S参数如此高的测量准确度,因此需要寻求高低温S参数测试的高准确
    度校准方法。

    由于TRL校准件校准精度较高并且易于表征,只需将传输线标准相对于直通标准
    的相对长度、相速和传输线的特征阻抗Z0进行定义,反射标准不需要准确定义,但需保证S11
    =S22。经过综合考虑,本文选取TRL校准方法作为在片高低温S参数校准方法,并研制在片高
    低温S参数TRL校准件,分别在不同测试温度下对各参数进行定义和校准,校准后利用检验
    件对校准效果进行验证。

    目前商用在片校准件主要分为两大类,一类是由集总元件(Lumped elements)和
    传输线相结合制作在陶瓷衬底上的off wafer校准件(如SOLT、LRM和LRRM校准件);另一类
    是采用与被测件相同衬底材料,具有与被测件相同传输线结构的on wafer校准件(如TRL和
    Multi-TRL校准件)。off wafer校准件适用于在各种衬底上制作的被测件,制作工艺难度
    大,但由于忽略了校准件与被测件的衬底材料、传输线尺寸、探针尖过渡等影响,校准精度
    不够高,主要应用于一般工业测量。on wafer校准件相比之下校准精度更高,属于专用的校
    准件。目前二者所使用的传输线形式都为共面波导传输线(CPW)结构,但均在常温下使用。

    发明内容

    本发明所要解决的技术问题是提供一种在片高低温S参数TRL校准件的设计方法,
    所述方法提出了高低温下准确表征TRL校准件特征阻抗的定义方法,解决了在片高低温S参
    数测试系统的精确校准和测量问题。

    为解决上述技术问题,本发明所采取的技术方案是:一种在片高低温S参数TRL校
    准件的设计方法,其特征在于包括以下步骤:

    1)在片S参数校准件的设计

    针对不同的校准温度,采用共面波导传输线结构,分别设计不同温度的在片S参数
    TRL校准件;在片高低温S参数校准件包括直通标准件T、反射标准件R、传输线标准件L,使用
    8项误差模型;

    其中,直通标准件T使用零长度直通,校准参考平面在直通标准件的中央,在校准
    参考平面处左右直接相连,保证直通标准件在校准参考平面上的损耗为0,直通标准件T的S
    参数S12=S21=1∠0°,反射系数为0;

    反射标准件R在校准参考平面处为开路与短路,反射系数的幅值接近1,两个端口
    的反射系数相等;

    传输线标准件L是在直通标准件的基础上,在校准参考平面处插入一段插入相位
    介于30°~150°的传输线,传输线的特征阻抗是校准后系统的参考阻抗,传输线的特征阻抗
    设计为50Ω;

    2)在片终端电阻的设计。

    进一步的技术方案在于,在设计所述标准件时需要对以下参数进行设计:

    衬底的相对介电常数εr、金属导体电导率k、地线宽度Wg、中心导体的宽度w、中心导
    体和地线间距g,金属层厚度T、边界条件和衬底厚度H。

    进一步的技术方案在于,所述的衬底相对介电常数εr的选取方法如下:

    在片高低温S参数TRL校准件的衬底材料采用GaAs,不同温度下衬底的相对介电常
    数εr使用谐振腔体法测量,获得高低温下的衬底的相对介电常数εr,谐振腔体法的是将材料
    样品放入封闭或者开放的谐振腔体中,谐振腔体具有很高的Q因子,并且在特定的频率发生
    谐振,根据放入前后其谐振频率和品质因子Q值的变化来确定样品介电常数,通常是将样品
    置于谐振腔中电场最小磁场最大处测量样品的介电常数。

    进一步的技术方案在于,所述的金属导体电导率k的选取方法如下:

    金属导体电导率k与温度T有线性关系,公式如下所示,其中k1为温度T1的电导率,
    k2为温度T2的电导率,α为金属导体电导率的温度系数;


    当已知一种金属材料在某一温度下电导率以及温度系数时,通过上述公式计算出
    另一温度下该金属导体的电导率。

    进一步的技术方案在于,所述的衬底厚度H的选取方法如下:

    根据不同GaAs衬底厚度的共面波导传输线的测试对比实验,绘制测试曲线,根据
    测试曲线,将曲线中色散、辐射和表面波影响最小的衬底厚度作为所述校准件中衬底的厚
    度。

    进一步的技术方案在于,所述的中心导体的宽度w以及中心导体和地线间距g的计
    算方法如下:

    利用蒙特卡洛方法对各个影响量对传输线特性阻抗的贡献量进行分析,确定在微
    波频段,对传输线特性阻抗的影响最大的参数是中心导线与地线间距g,其次为中心导体宽
    度w;在相同阻抗的情况下,选择w、g大的设计值;且w大于探针中心针尖的宽度,(w+2g)小于
    探针针尖的总宽度。

    进一步的技术方案在于,所述的地线宽度Wg的选取方法如下:

    地线宽度Wg为(w+2g)的2倍以上,其中w为中心导体的宽度,g为中心导体和地线间
    距。

    进一步的技术方案在于,所述的金属层厚度T的选取方法如下:金属层厚度T小于
    趋肤深度。

    进一步的技术方案在于,所述的边界条件的选取方法如下:常温情况校准时,将所
    述校准件放在金属卡盘的微波吸收材料或者玻璃片上;高、低温情况校准时,将所述校准件
    放在微波吸收材料上。

    进一步的技术方案在于,所述的在片终端电阻的设计方法如下:

    在片终端电阻用于校准件共面波导传输线的特性阻抗的定标,是在TRL校准件中
    的传输线标准一端内嵌一负载电阻,即左面与传输线尺寸一致,右面在传输线终端和地线
    间增加一负载电阻,阻值略偏离50欧姆。

    采用上述技术方案所产生的有益效果在于:本发明完成了在片高低温S参数校准
    件的设计与制作,完成在片校准件在不同温度下的表征,实现了不同温度下在片高低温S参
    数测试系统的有效校准,确保在片高低温S参数测量结果准确一致,且所述方法操作简单,
    校准准确度高。

    附图说明

    图1是现有技术中在片高低温S参数测试系统原理图;

    图2是现有技术中主卡盘温度为125℃时探针头各部位温度分布图;

    图3是现有技术中CASCADE推荐在片高低温S参数测试流程图;

    图4是共面波导传输线结构示意图;

    图5是谐振腔体法测量原理图;

    图6是不同GaAs衬底厚度的共面波导传输线的测试曲线对比图;

    图7是相同GaAs衬底厚度、不同边界条件共面波导传输线的测试曲线对比图;

    图8是在片终端电阻版图;

    图9a-9c为CPW传输线的仿真结果图;

    图10a-10b为WinCal标准件定义图;

    图11a-11b为3dB在片衰减器不同温度下的测量值与标准值;

    图12a-12b为驻波比1.5在片失配器不同温度下的测量值与标准值;

    图13为在片高低温S参数TRL校准件制作工艺流程图;

    图14为在片高低温S参数TRL校准件的CPW线结构图;

    图15为在片高低温S参数TRL校准件的电阻结构图;

    其中:1、矢量网络分析仪 2、温控探针台 3、计算机 4、温度控制单元 5、第一测温
    点 6、第二测温点 7、第三测温点 8、第四测温点 9、探针头 10、主卡盘 11、地平面 12、中
    心导体 13、砷化镓介质 14、传输线 15、负载电阻 16、地线 17、金属层 18、SiN沉积层 19、
    GaAs衬底 20、电阻层。

    具体实施方式

    下面结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整
    地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例?;?br />本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
    实施例,都属于本发明?;さ姆段?。

    在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以
    采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的
    情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

    本发明公开了一种在片高低温S参数TRL校准件的设计方法,所述方法包括如下步
    骤:

    在片高低温S参数TRL校准件包括在片S参数校准件和在片终端电阻。

    在片S参数校准件的设计:

    所述方法针对不同的校准温度(例如:-55℃、23℃和125℃),分别设计在片高低温
    TRL校准件。在片S参数校准件,采用TRL形式,包括T(Thru)、R(Reflect)、L(Line)微带传输
    线三类标准。针对各类标准件,设计时考虑因素如下:

    1、直通标准件T(Thru):使用零长度直通,校准参考平面在直通标准件的中央,在
    校准参考平面处左右直接相连,保证直通标准件在校准参考平面上损耗为0,S12=S21=1∠
    0°,反射系数为0;

    2、反射标准件R(Reflect):在校准参考平面处为开路与短路,反射系数的幅值接
    近1,两个端口的反射系数相等;

    3、L(Line):是在直通标准件的基础上,在校准参考平面处插入一段的特征阻抗为
    50Ω、插入相位介于30°~150°(越接近90°越好)的传输线,其特征阻抗是校准后系统的参
    考阻抗,因此传输线的特征阻抗(或者单位长度线电容值)必须精确得知。

    在片高低温S参数TRL校准件采用共面波导(CPW)传输线结构设计,如图4所示。其
    中心导体的宽度w,中心导体和地线间距g,衬底的相对介电常数εr,金属层厚度T和金属导
    体电导率k,衬底厚度H。

    TRL校准方法采用8项误差模型,在定义校准件时反射标准不需要精确定义,只需
    定义其校准端面偏移,并且保证所有端口上的反射系数相同即可。因此TRL校准件的设计工
    作主要是对共面波导传输线特性阻抗的设计。

    共面波导传输线特性阻抗的电特性与传输线的基本参量相关,其中影响共面波导
    传输线特性的主要参量分为材料特性和几何尺寸特性两类。材料特性参量包括衬底的相对
    介电常数εr、介质损耗正切角和金属导体电导率k,主要与选择的衬底材料、导体金属相关;
    几何尺寸特性参量包括地线宽度Wg、中心导体的宽度w,中心导体和地线间距g,金属层厚度
    T和衬底厚度H,与制造过程中采用的工艺相关。

    变温条件下,材料属性参数的设计:

    在高低温下,衬底材料的相对介电常数εr和金属导体电导率k会随温度会发生明
    显的变化,成为共面波导传输线特性变化的主要影响参量。

    衬底相对介电常数εr的选?。?br />

    在片高低温S参数TRL校准件的衬底材料为GaAs,其相对介电常数εr随着温度的改
    变而变化,温度升高,εr增加,温度降低,εr减小,需要通过测量确定不同温度下的介电常数。

    介电常数的测试方法有多种,主要分为传输反射法和谐振腔体法。其中传射反射
    法实质是利用所测出的样品的反射和传射系数得到复介电常数或复磁导率,根据所用夹具
    的不同,又分为同轴空气线法、波导法、自由空间法和同轴探头法。各种方法各有优点,采用
    哪种方法主要取决于频率范围、介电常数的大概值、所需的测量精度、材料特性和形状、样
    品的大小、温度、是否具有破坏性、是否接触等条件。

    谐振腔体法的原理是将材料样品放入封闭或者开放的谐振腔体中,谐振腔体通常
    具有很高的Q因子,并且在特定的频率发生谐振,根据放入前后其谐振频率和品质因子Q值
    的变化来确定样品复介电常数,通常是将样品置于谐振腔中电场最小磁场最大处测量样品
    的复介电常数。谐振腔体法的测量原理如图5所示。这种方法目前具有最高的测量精度,尤
    其适合于低损耗物质的测量。因此本发明采用谐振腔体法,测量了GaAs不同温度下的介电
    常数。测量结果为,-55℃下,GaAs的介电常数为12.76;125℃下,GaAs的介电常数为13.23。

    a)电导率k的选?。?br />

    金属导体电导率与温度T有线性关系,公式如下所示,其中k1为温度T1的电导率,k2
    为温度T2的电导率,α为金属导体电导率的温度系数。


    TRL校准件的传输线表面为金,金的20℃的电导率为4.1×107,金电导率的温度系
    数为0.0037/℃,通过计算可以得到不同温度下的电导率。

    变温条件下,几何尺寸属性的设计:

    在高低温下,共面波导传输线的几何尺寸特性变化中,主要影响因素是衬底材料
    和传输线表层金属材料的形变。根据资料显示,衬底材料GaAs的线膨胀系数为6.8×10-6/
    ℃,传输线表层金属材料Au的线膨胀系数为14.2×10-6/℃,根据对于60μm线宽,温度变化
    100℃引起的变化量小于0.1μm,小于工艺公差和几何测试精度的影响,对应Z0的变化小于
    0.02Ω,可以忽略。

    另外,共面波导传输线特性的主要影响因素包括色散、辐射、表面波和谐振,互相
    之间也有影响,其中色散和表面波主要影响频段为25GHz~50GHz,通过几何尺寸特性参量
    的选取,可以有效减少和消除这些不良影响。

    衬底厚度H的选取

    随着频率的升高,共面波导传输线除了准TEM波的传输模式,还产生了类表面波模
    式,出现色散和辐射现象,为了抑制高次模,减小色散、辐射和表面波交互作用,根据不同
    GaAs衬底厚度的共面波导传输线的测试对比实验,测试曲线如图6所示,确定衬底厚度在
    400μm~500μm之间,各种不良影响最小。

    中心导体的宽度w,中心导体和地线间距g的选?。?br />

    利用蒙特卡洛方法对各个影响量对传输线特性阻抗的贡献量进行分析,确定在微
    波频段,对传输线特性阻抗的影响最大的参数是中心导线与地线间距g,其次为中心导体宽
    度w。在相同阻抗的情况下,优先选择w、g大的设计值。w大于探针中心针尖的宽度,(w+2g)应
    小于探针针尖的总宽度。

    地线宽度Wg的选?。?br />

    地线宽度Wg为(w+2g)的2倍以上。

    线长L的选?。?br />

    已知传输线的等效介电常数εeff与光在真空中的速度c,可知电磁波在微带线中的
    传播速度vp:


    式中εeff为等效介电常数,它考虑了电磁波一部分在介质中传播,一部分在空气中
    传播的这一情况,εeff可以用软件计算得到。那么长度为l的传输线相对延迟时间tdelay为:


    频率为f的微波信号在该传输线中传输,那么经过传输线以后,微波信号相对相位
    变化ΔPdegree可用以下公式计算:


    为了保证传输线相对于直通的插入相位在整个频段内能得到30°~150°的覆盖,
    需要分频段制作不同长度的传输线,在每个频段内传输线的长度可利用以上公式计算得
    到。表1为所制作的5组不同长度的传输线长度在插入相位为30°~150°所能够使用的频段。

    表1:Line传输特性计算表


    金属层厚度T的选取

    谐振现象是共面波导传输线的固有特性,只能尽量减弱谐振强度,无法根本消除。
    谐振主要包括谐振频率和品质因数两个指标。谐振频率与它的材料和几何尺寸有关,主要
    是线长、介电常数。对于TRL校准件中的长线,谐振频率小,几乎不可避免。品质因数与传输
    损耗密切相关,增大传输损耗,可以减小Q值,降低谐振峰值。

    因此,在CPW的设计中需要注意两点:(1)在设计线长时,尽量避免谐振点出现在需
    要频率;(2)设计共面波导的几何尺寸时,增加传输损耗,减小谐振峰值。

    通过电磁仿真计算,金属层厚度T小于趋肤深度,可以有效降低谐振峰值。以8mm频
    段为例,计算的趋肤深度为350nm~550nm之间,T的选取小于300nm。制造过程中采用蒸发工
    艺制作金属结构,其表面非常光滑,边界轮廓几乎完美,工艺偏差小,容易控制金属层厚度。

    边界条件:

    由于TRL校准件的衬底边界条件与CPW的表面波耦合的临界频率有关,可以减少表
    面波耦合效应。根据相同GaAs衬底厚度、不同边界条件共面波导传输线的测试对比实验,测
    试曲线如图7所示,确定常温可以采用微波吸收材料或者玻璃材料,高低温采用吸收材料,
    可以减少表面波耦合效应。具体方法为将TRL校准件放在金属卡盘的微波吸收材料或者玻
    璃片上。

    传输线特征阻抗值Z0设计值等于50Ω。在高低温下,利用不同温度下的材料特性
    参量,通过软件计算,可确定各温度下TRL校准件共面波导传输线几何尺寸参数设计值。

    通过以上方法,设计的频率范围覆盖26.5GHz~40GHz的传输线标准件的设计尺寸
    为,砷化镓衬底的介电常数为12.9,厚度400μm~500μm,金属导体的厚度为0.2μm~0.3μm,
    计算得到25℃下,传输线的宽度为64μm,传输线长度为1600μm~2000μm。

    在片终端电阻的设计:

    在片终端电阻用于校准件CPW传输线的特性阻抗的定标,是在TRL校准件中的传输
    线标准上内嵌一负载电阻,版图如图8所示,即左面与传输线尺寸一致,右面在传输线终端
    和地线间增加一负载电阻,阻值略偏离50欧姆。

    本发明将上述设计方法得到的在片S参数校准件的相关参数数据,代入仿真软件
    进行计算仿真,并根据仿真结果返回进行再设计优化,最终得到在片校准件最佳优化的设
    计值,并用最佳优化的设计参数进行流片,CPW传输线的仿真结果如图9a-9c所示。

    TRL校准件的表征:

    根据传输线理论,电磁波在传输线上传播时,遵循式(5)与式(6)的关系:


    γZ0=jωL+R (6)

    其中R、G、L和C分别表示传输线单位长度的电阻、电导、电感和电容,γ与Z0表示传
    输线的传播常数与特征阻抗。

    由于系统执行TRL校准后参考阻抗来源于TRL校准件中传输线标准的特征阻抗Z0,
    因此需要在不同温度下准确定义TRL校准件中传输线标准的特征阻抗Z0。对于低损耗传输
    线,有G<<C,因此Z0与C的关系可以近似表示为式(7),其中传播常数γ可以由TRL校准算法
    确定。因此只要已知传输线单位电容值,也就得到了可得到传输线的特征阻抗。


    不同温度下对TRL校准件传输线单位长度的电容值定义,通过在片终端电阻的集
    总参数计算得到。

    在低频下,负载的集总参数存在式(8)的近似关系:


    其中,Z为系统阻抗,在TRL校准完成后,如果没有进行阻抗变换,则系统阻抗就被
    定义为传输线标准的特征阻抗Z0;Гload为负载在参考阻抗值为Z下的反射系数,Rload,DC为负
    载的直流电阻值。

    将式(8)代入式(5),得到:


    利用式(9)两边的实部、虚部分别相等,即可求解C和G。

    在片高低温S参数TRL校准件需要在不同温度下使用,因此需要在不同温度下进行
    表征,即在在不同温度下测量直流电阻和Гload。具体方法如下:

    直流电阻的测量:通过直流探针采用四线电阻法在校准温度下进行测量,得到此
    温度下在片终端电阻的直流电阻。四线电阻法有效地解决了直流探针和直流电阻的接触表
    面变化对测量结果的影响。

    Гload的测量:使用自制在片高低温TRL校准件,在校准温度下进行矢量网络分析
    仪TRL校准,矢量网络分析仪的系统阻抗为自制在片高低温TRL校准件的阻抗,通过反射测
    量,即可得到在片终端电阻的Гload。

    通过不同校准温度下测量得到在片终端电阻的直流电阻和反射系数,即可计算得
    到不同校准温度下的特征阻抗Z0。

    TRL校准件的定义与使用

    在WinCal软件中定义零直通TRL校准件,将传输线的长度与频率范围输入至软件
    中,图10a-10b为WinCal标准件定义图。

    在片高低温TRL校准件的实验验证

    使用在片高低温TRL校准件校准后,利用标称值为3dB的在片衰减器和标称驻波比
    为1.5的在片失配器对系统进行验证,将对验证件的测量结果与其标准值比较,两者相差越
    小,说明系统测量准确度越高。验证时使用的主要仪器设备包括探针台,微波探针,卡盘高
    低温控制系统,矢量网络分析仪。测量温度选择常温23℃,低温-55℃和高温125℃三个温度
    点。

    图11a-11b为3dB在片衰减器不同温度下的测量值与标准值,对比两图可以看出,
    验证件衰减量在不同温度下的变化趋势与标准值在不同温度下的变化趋势相同。在
    26.5GHz~40GHz频率范围内,温度23℃、-55℃和125℃时测量值与标准值最大偏差分别为
    0.07dB、0.12dB和0.08dB;图12a-12b为驻波比1.5在片失配器不同温度下的测量值与标准
    值,在高低温下,驻波测量值出现了比较大的抖动,但整体变化趋势与标准的变化趋势值相
    一致,在26.5GHz~40GHz频率范围内,温度23℃、-55℃和125℃时驻波比与标准值最大偏差
    分别为0.01、0.02和0.01。

    在片高低温S参数TRL校准件结构与加工工艺:

    在片高低温S参数TRL校准件采用GaAs单片制作工艺,详细的工艺流程如图13所
    示,与版图设计一一对应,主要分为10个部分:(1)制备厚度为625μm的GaAs单晶衬底;(2)、
    (3)通过光刻、金属化工艺完成NiCr电阻的制作;(4)、(5)通过光刻、蒸发工艺完成规定厚度
    的金属层制作,金属为NiCrAu;(6)、(7)、(8)通过淀积、光刻、刻蚀工艺完成钝化层和划片道
    的制作,在没有金层覆盖的表面沉积一层SiN薄膜;(9)将GaAs衬底减薄到所要求的厚度
    (400μm~500μm);(10)完成划片工艺,将芯片分开,完成在片高低温S参数TRL校准件的制
    作。形成最终产品。最终加工成的在片高低温S参数TRL校准件结构如图14和15所示。

    综上,所述方法具有以下特点:

    1.分别开发了26.5GHz~40GHz的高温(125摄氏度)、常温(23摄氏度)、低温(-55摄
    氏度)的TRL校准件;

    2.提出了材料特性参量的确定方法,即采用谐振腔法测量高温和低温下衬底材料
    的介电常数,通过温度系数理论计算金属电导率。

    3.分析高低温下校准件的几何尺寸参数的变化规律,根据高低温下TRL校准件的
    材料特性参数,通过电磁场仿真和实验测试,确定高低温校准件的几何尺寸参数;

    4.提出了准确表征在片高低温S参数TRL校准件特征阻抗的定义方法,即通过在相
    应温度下测量在片终端电阻的直流电阻和反射系数,并经理论公式推导计算TRL校准件传
    输线单位长度的线电容,从而得到其特征阻抗;

    5.为了减小色散、辐射和表面波效应,在片高低温校准件的衬底边界采用吸收材
    料或者玻璃材料,常温可以采用吸收材料或者玻璃材料,高低温采用吸收材料;

    6.在片高低温TRL校准件,采用共面波导传输线(CPW)结构,衬底材料为GaAs。为了
    抑制高次模,减小色散、辐射和表面波交互作用,衬底厚度在400μm~500μm之间;为了减小
    谐振,金属层厚度T小于趋肤深度,表面金属层采用半导体蒸发工艺;地线宽度Wg为(w+2g)
    的2倍以上;直通线与传输线之间的插入相位在30°~150°以内。

    本发明完成了在片高低温S参数校准件的设计与制作,完成在片校准件在不同温
    度下的表征,实现了不同温度下在片高低温S参数测试系统的有效校准,确保在片高低温S
    参数测量结果准确一致,且所述方法操作简单,校准准确度高。

    关于本文
    本文标题:在片高低温S参数TRL校准件的设计方法.pdf
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