袁帥 邱云峰

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

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TN454 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）11-0052-02

0 引言

微波單片集成電路（MMIC）已成為當(dāng)前發(fā)展各類(lèi)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(wú)線電子裝備、無(wú)線電子信息系統(tǒng)和武器裝備無(wú)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(duì)微波電路參數(shù)的測(cè)量是保證元器件質(zhì)量的重要手段，通過(guò)測(cè)試一方面可驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，另一方面也可利用測(cè)試的性能參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行優(yōu)化和修正。射頻和微波元器件的測(cè)試有相當(dāng)?shù)奶厥庑?，必須了解其參?shù)特性，使用正確的測(cè)試方法，才能獲得滿(mǎn)意的測(cè)試結(jié)果[2]。本文以集成微波放大器、射頻開(kāi)關(guān)為例來(lái)介紹微波特性參數(shù)測(cè)試方法。

1 微波放大器測(cè)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(guò)薄膜工藝制成，具有損耗小、噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于微波電路前級(jí)信號(hào)放大。主要的特性參數(shù)有增益、平坦度、駐波、1dB壓縮點(diǎn)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(cè)試，測(cè)試線路如圖1所示。

1.1 增益、平坦度測(cè)量

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的功率掃描功能來(lái)測(cè)量放大器輸出功率與輸入功率的關(guān)系。測(cè)量時(shí)直流電源電壓設(shè)置為5V，被測(cè)器件達(dá)到手冊(cè)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(diǎn)的S12參數(shù)即為被測(cè)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(duì)于增益較大的器件，測(cè)量時(shí)還需在輸出端接入固定衰減器，此時(shí)器件增益等于S12值加衰減度。

1.2 1dB壓縮點(diǎn)測(cè)量

輸入功率增加到某一點(diǎn)時(shí)，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(shí)，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(diǎn)即是使放大器增益下降1dB的輸入功率。測(cè)試時(shí)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(dòng)被測(cè)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(cè)放大器的輸出功率超過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收機(jī)的輸入壓縮電平時(shí)，需對(duì)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(kāi)關(guān)測(cè)試方法

射頻開(kāi)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(diǎn)。以Hittle公司SPDT射頻開(kāi)關(guān)HMC232LP4E為例，測(cè)試線路如圖2所示。

2.1 插入損耗、回波損耗測(cè)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(shí)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(cè)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(shí)器件射頻端RFC與RF2接通，同理可以測(cè)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(cè)量RFC-to-RF1特性參數(shù)時(shí)RF2無(wú)需接匹配負(fù)載，對(duì)于其他內(nèi)部沒(méi)有集成匹配阻抗的器件，非測(cè)量端口需接50Ω匹配。

2.2 隔離度測(cè)量

測(cè)量高隔離度的開(kāi)關(guān)時(shí)，必須提高儀器動(dòng)態(tài)范圍，降低儀器噪聲，才能獲得滿(mǎn)意的測(cè)量結(jié)果。通過(guò)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(dòng)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(cè)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(cè)得的S12參數(shù)即為RFC與RF2之間的隔離度。

3 微波測(cè)試夾具設(shè)計(jì)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(lái)進(jìn)行測(cè)試，必須設(shè)計(jì)和制作與之相適應(yīng)的轉(zhuǎn)換夾具。微波測(cè)試夾具結(jié)構(gòu)由鎖緊結(jié)構(gòu)、屏蔽腔體、測(cè)試電路、互連介質(zhì)模塊構(gòu)成。在電路的設(shè)計(jì)上面應(yīng)盡可能的保證信號(hào)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(hào)干擾，一般器件底部設(shè)計(jì)接地的焊盤(pán)，同時(shí)應(yīng)打盡可能多的過(guò)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(mǎn)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(shí)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(hào)發(fā)生反射，因此微帶線路設(shè)計(jì)時(shí)需考慮阻抗匹配。通過(guò)集總參數(shù)電路描述方式，構(gòu)建一個(gè)如圖3所示的等效電路模型 （l為傳輸線長(zhǎng)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(duì)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]?；ミB介質(zhì)模塊性能直接關(guān)系測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，在保證被測(cè)器件與微帶線路板良好接觸的同時(shí)，還需考慮介質(zhì)的寄生參數(shù)。對(duì)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(cè)試夾具采用TRL校準(zhǔn)，即直通、反射和延時(shí)線三種極端狀態(tài)針對(duì)6-8項(xiàng)誤差模型校準(zhǔn)[5]。為了保證校準(zhǔn)端面在待測(cè)件兩端，采用非零長(zhǎng)度直通，其他校準(zhǔn)件長(zhǎng)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(cè)件兩端。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以微波放大器、射頻開(kāi)關(guān)幾類(lèi)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(cè)試方法、測(cè)試線路及注意事項(xiàng)。另外介紹了一種微波器件測(cè)試夾具設(shè)計(jì)及誤差校正方法。更多微波器件參數(shù)測(cè)試方法可以參考GJB2650-96《微波元器件性能測(cè)試方法》。

參考文獻(xiàn)

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

[2]劉杰，賈志謙.微波元器件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[J].中國(guó)測(cè)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(píng)估試驗(yàn)研究[J].微電子學(xué). 2012，42（4）：596-598.

[4]雷靜.非同軸微波器件測(cè)試夾具的設(shè)計(jì)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(cè)試中的探針SOLT校準(zhǔn)技術(shù)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2008，22（Z2）：85-89.

Testing technology of Monolithic Microwave Integrated Circuits（MMIC）

YUAN Shuai，QIU Yun-feng

（Guizhou Aerospace Institute of Measurement and Testing Technology， Guiyang Guizhou? 550009）

Abstract：Monolithic microwave integrated circuits are mainly used in wireless communications， radar， electronic warfare and other fields. In recently， with the development of equipment， microwave circuits are widely used， and its reliability must be high. At present， the MMIC is still in its infancy in China， and the related test methods， such as microwave amplifier， RF switch and VCO. The mainly introduces the main microwave characteristic parameters testing methods， such as return loss， 1dB compression point and unilateral phase noise.

Key words：MMIC;microwave circuit test method;component reliability; microwave test fixture