在片高低温S参数TRL校准件的设计方法技术

本发明专利技术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。

Design method of TRL parameter S calibration piece in high and low temperature

The invention discloses a design method of a S parameter TRL calibration piece at high and low temperature of a chip, which relates to the technical field of measuring electric variables or magnetic variables. The method comprises the following steps: 1) in the design of S parameter calibration: Calibration for different temperature, different temperature were designed in S parameter calibration, using coplanar waveguide transmission line structure, in the form of TRL S parameter calibration, including through standard T, standard R, transmission reflection line standard L; 2) in the design of terminal resistance. The method completed in the design and manufacture of sheet of high and low temperature S parameters calibration, in token calibration at different temperatures, the different temperature in low temperature calibration film S parameters testing system, ensure that the measurement result sheet of high and low temperature S parameters correctly, and the method of operation simple calibration, high accuracy.

【技术实现步骤摘要】
在片高低温S参数TRL校准件的设计方法
本专利技术涉及测量电变量或磁变量的方法
，尤其涉及一种在片高低温S参数TRL校准件的设计方法。
技术介绍
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模或者计量等领域，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(Lumpedelements)和传输线相结合制作在陶瓷衬底上的offwafer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onwafer校准件(如TRL和Multi-TRL校准件)。offwafer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。onwafer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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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S

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙静，刘晨，吴爱华，梁法国，栾鹏，王一帮，韩利华，韩志国，孙晓颖，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十三研究所，
类型：发明
国别省市：河北,13