概述——关键任务无线服务（如自动驾驶和远程医疗）的需求要求更高的数据传输速率和更低的延迟。这类应用程序正在推动在新兴的5G移动通信系统中使用28、38、60和73 GHz的射频（RF）。5G应用的器件或电路的晶圆级RF测量极具挑战性，因为巨大的系统损耗和探针尖端的校准状态仅有效约10分钟。本文提出了一种新的探针针尖功率校准方法用于S参数校准这是示出大大提高直流偏置精度，S参数高达110 GHz的测量精度和校准后稳定性。新方法允许精确和低的探针尖端源功率偏置为—20dBm，而不影响校准性能。还将系统校准稳定性提高到4小时以上，通过避免频繁的重新校准，使微波工程师有足够的时间测试他们的射频器件和电路，大大提高了测试吞吐量。

关键词-射频，物联网（IOT），5G移动通信，校准，稳定性，测量技术，毫米波测量。

1，导言

为了支持无线多媒体、物联网、大数据和车辆定位系统等无线应用中以更高数据速率和更低延迟支持大量设备的需求，5G移动通信系统中使用了28 GHz、38 GHz、60 GHz和73 GHz的射频(RF) [1]-[2]。为了开发这些应用的集成电路，需要对射频CMOS(RFCMOS)晶体管等半导体微波器件的表征至少到110 GHz。由于这些器件采用了非常先进的RFCMOS工艺节点制造，需要表征的器件总数大大增加，尤其是在工艺制造和器件SPICE模型开发阶段。因此，需要高精度和高测试吞吐量的S参数系统来支持这些晶圆级测量。

图1显示了用于表征RF NMOSFET的110 GHz晶圆级测试系统装置典型示例。大多数商用矢量网络分析仪(VNA)只能支持最高67 GHz的S参数测量。需要使用频率扩展器，包括上/下变频器和放大器，来扩展VNA的测量能力以达到110 GHz。偏置电桥用于将RF测试信号和直流偏置相结合，通常由半导体参数分析仪提供。然后偏置电桥的输出连接到地-信号-地(GSG)射频探针，以在器件测试pads上实现良好的电学RF接触。

图1示意图与芯片照片显示了一个典型的晶圆级设置测试射频晶体管高达110 GHz。

2，准确和一致的探针尖端射频源功率的重要性

A. 较大的射频源功率导致晶体管直流特性不准确

通常，经验不足的器件建模或器件测试工程师不太重视在表征微波晶体管时确定使用哪个最合适的射频源功率。要确定理想的射频源功率，首先必须在没有来自VNA的任何射频干扰的情况下获取RFCMOS晶体管的直流特性。这可以通过将VNA上的射频激励设置为“hold”（保持）模式来实现，从而在直流测量期间阻止任何射频信号进入晶体管。图2(a)和2(b)中的红色曲线显示了在没有任何射频信号干扰的情况下，不同漏极偏置下NMOSFET的跨导(Gm)与对栅极电压(Vg)的特性（Gm vs vg）。

当将VNA上的激励设置从“保持”（hold）更改为“连续”(continuous)，并使用0 dBm的较大射频源功率进行相同的直流跨导(Gm)测量时，会观察到一个失真的传导电阻或增益曲线（蓝色曲线），如图2(a)所示。在图2(b)中，当射频源功率降低到-20 dBm时，测量得到的跨导没有失真，并且与在没有射频信号注入晶体管时获得的跨导特性很好地匹配（红色曲线）。这些结果表明，在表征有源器件时，确定要使用的理想射频源功率非常重要和至关重要。当使用过大的射频源功率时，会导致晶体管性能失真，从而导致不正确的直流偏置条件，从而得到了错误的射频测量结果。

图2. 对于射频NMOSFET，不同漏极电压下（在0.3V、0.6V、0.9V、1.2V、1.5V和1.8V时）的直流跨导与栅极电压的曲线 (Gm vs vg)，对比了网络分析仪RF功率关闭“保持”模式下的曲线（红色曲线）与射频源功率= 0 dBm时（a）和射频源功率= -20 dBm时（b）（蓝色曲线）的曲线。

B. 低射频源功率下的S参数探针尖端后校准的稳定性性能

使用低射频源功率（如-20 dBm）在110 GHz晶圆级测量系统（如图7所示）中进行探针尖端S参数校准时，后校准的稳定性非常差。图3显示了空气中（OPEN）中的射频探针的回波损耗随时间的变化。当采用±0.1 dB的标准时，观察到在校准后的约10分钟内，系统已经偏离规格，需要重新校准才能获得低迹线噪声的测量结果。这种糟糕的后校准稳定性对测试吞吐量有严重影响，因为每个晶体管通常需要大约20到30分钟的测试和测量时间。

图3：使用射频源功率-20 dBm进行探针尖S参数校准时随时间的校准稳定性（监测探针在空气中的回波损耗）。

这种稳定性性能差的原因有2个因素。首先，如图4所示，探针尖端的射频源功率随频率变化（如图7中的110 GHz系统所示）。在射频源功率设置为-20 dBm的情况下，实际的探针尖端功率从大约-20 dBm开始，在67 GHz时降至约-35 dBm，这是由于与射频探针、线缆和偏置电桥的损耗相关。在67 GHz之前，一些射频测试专家可能会认为，由于选择的射频功率仍处于小信号操作状态，并且S参数测量是相对测量，探针尖端的射频源功率的下降并不重要。然而，观察到的糟糕的稳定性性能也部分归因于随着频率增加至67 GHz，探针尖端的射频源功率不断下降。从67 GHz到110 GHz，通过频率扩展器，探针尖端的射频源功率被放大到约-5 dBm。这个值太大了，会影响晶体管在射频测量过程中的直流特性和工作条件，如图2所示。

图4：用-20 dBm的VNA端口1源功率测量的端口1探针尖的功率。

其次，VNA的端口1和端口2的接收器没有进行功率校准（校准过的探针尖端源功率是进行接收器功率校准的先决条件），这严重影响整个系统的测量性能。图5显示了当端口1和端口2的两个探针通过一个1ps线连接时，在端口1设置为-20 dBm的射频源功率下，VNA的端口2处的射频功率测量结果。理想情况下，无论频率如何，端口2的测量功率应保持在-20 dBm。在端口1和端口2之间观察到的高达40 dB的大损耗，导致信噪比测量性能低下，从而引起巨大的S参数测量不确定性。

图5：当通过一个1 ps线连接端口1和端口2时，端口2的探针尖的测量功率，VNA端口1的射频源功率设置为-20 dBm。

III. 针对S参数测量的CHOON探针尖端功率校准方法的提出

在第二节中已经讨论了为什么必须具有一致的准确的射频探针尖端源功率的重要原因。在本节中，首次提出了一种新颖的用于S参数测量的探针尖端功率校准方法，称为CHOON方法（如图6(a)所示），旨在帮助实现准确的一致的探针尖端射频源功率。使用Cascade Microtech的工程探针台、Keysight的110 GHz测量系统（图7(a)）和射频功率传感器，可以准确测量图7(b)所示的1mm同轴连接器处的实际射频功率，以表征整个系统（包括同轴线缆）的射频损耗与频率的性能。将这与射频探针的损耗相结合，可以创建在探针尖端有效的功率校准表（图6(a)中的红色流程图）。如果110 GHz测试系统没有显著变化，这些功率计可以在进行探针尖端源功率校准时重复使用。

              (a)                                                                       (b)

图6. 比较CHOON的探针尖功率+S参数校准方法（a）与传统VNA方法（b）的流程图。

为了对110 GHz系统进行校准，使用CHOON方法的测试工程师将首先将射频探针放在空气中，使用功率计进行源功率校准。在通过功率计准确校准了探针尖端的射频功率后，下一步是将射频探针放在1ps thru'校准件上进行接收器功率校准。完成射频源和接收器功率校准后，测试工程师可以使用适当的探针尖端射频校准方法完成探针尖S参数校准。

相比Choon的方法，仅需要在每个端口进行功率校准时测量额外的源功率和接收功率，传统的VNA方法（如图6（b）所示）进行探针尖功率和S参数校准显得非常繁琐且耗时。这种方法至少需要一个上午来完成，并且在校准之前，必须要有所有RF探头的最新测量性能数据，以便将探头的S参数嵌入其中，从而精确地将校准参考平面从1mm同轴连接器移动到探针尖。

图7. 带有67 GHz VNA和110 GHz频率扩展器的屏蔽半自动工程探针台（a）和连接到110 GHz频率扩展器的75-110 GHz功率传感器的局部视图，通过1.0mm射频线缆进行功率校准（b）。

IV. 结果和讨论

采用Choon的探针尖端功率校准方法（带功率计）后，图8中的红色曲线显示了经过源功率校准前后探针尖端的射频源功率。观察到，在校准后，在预设的-20 dBm水平上，探针尖端的源功率相对于频率保持恒定。另一方面，蓝色曲线显示了在执行接收器功率校准时，端口2在所有频率下始终保持测量为-20 dBm时，40 dB损耗的大量接收器功率校正。

图8. 经过源和接收器功率校准之后，端口1（图4）的探针尖端源功率和端口2（图5）的探针尖端接收功率保持一致。

使用Choon的方法在探针尖端进行源和接收器功率校准后，接着使用LRRM [3] 在非常低的RF源功率（-20dBm）下执行探针尖S参数校准。校准后，将探针抬升至空中，监测系统的时间漂移性能。如图9所示，使用不超出±0.1dB的准则，观察到探针尖端功率校准后，系统的校准后状态可以持续超过4小时。而没有进行探针尖端功率校准的相同设置仅在10分钟后就会迅速漂移，需要频繁且繁琐地重新校准整个系统。

图9. 经过探针尖端功率校准后，随时间的校准后稳定性性能，监测探针在空气中的回波损耗。

图10. 经过探针尖端功率校准后，随时间的校准后稳定性性能，监测1ps线的回波损耗。

随后，在1ps线上重复相同的实验，监测系统随时间漂移。图10显示，当使用探针尖端功率校准时，同一条线的回波损耗约为-40 dB，相比于不使用探针尖功率校准时，测量系统的动态范围提高了约10 dB。图11使用1ps线路提取的串联电感Ls随频率监控系统漂移。Ls通过公式（1）提取，其中Y是线的测量导纳参数[4]。

在低频下提取的电感Ls约为50 pH，与线的预期的1ps延迟非常一致。通过探针尖端功率校准，注意到提取的电感Ls在10个小时内非常一致和稳定。没有进行探针尖端功率校准的情况下，图11显示，Ls随时间的推移逐渐减少，并且在从低频到约67 GHz之间出现明显的不连续性（在探针尖端S参数校准后的10小时后）。其根本原因是端口1探针尖端的实际RF源功率非常低，约为-32 dBm，而不是-20 dBm，并且在端口2的实际测量接收功率的严重损失。与大多数测试工程师的观念相反，在保持小信号条件并且由于S参数是相对测量时，功率校准是不必要和多余的，图9、10和11中的结果表明，探针尖端功率校准是必需的，因为校准后的状态随时间非常稳定，并具有更好的测量准确性和系统动态范围。

图11. 经过和不经过探针尖端功率校准后，S参数校准后的稳定性性能，监测1ps线的提取电感随时间的变化。

V. 结论

为了支持5G应用中的器件和电路测量，需要一个准确且稳定的110 GHz晶圆级系统。本文提出了一种新颖的探针尖端功率校准方法，结合S参数校准。这种名为Choon的探针尖端功率校准方法可以提高直流偏置精度、S参数测量的一致性和准确性以及校准后的稳定性。使用这种探针尖功率校准方法，110 GHz系统校准稳定性从10分钟提高到超过4小时，大大提高了此类测试装置的测量吞吐量，使得功率校准成为实现准确晶圆级S参数测量的重要手段。

参考资料

[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