基於未知材料基板的微波在片測試方法

2023-10-10 15:52:04

專利名稱：基於未知材料基板的微波在片測試方法
技術領域：
本發明涉及一種微波在片測試方法，適合於在材料特性未知的條件下對 系統進行校準測試，並進而確定材料的介電特性，得到元件的散射參數。本 發明尤其適合於新材料薄膜基板微波元件的測試和建模，對新材料薄膜在微
波電路尤其是微波單片集成電路(moc)中的應用有著重要的意義。屬於微
波應用技術領域。
背景技術：
高介電常數材料薄膜(如鈦酸鍶鉛)和鐵電薄膜(如鈦酸鍶鋇)已廣泛 應用於微波電路中，隨著應用的深入，材料的介電特性測試方法成為研究熱 點。材料的介電特性測定通常採用的最直接的方法，即測試平板電容的容值 及介質厚度，然後通過平板電容的容值計算公式求出材料的介電特性，這種 測試方法的精度和介質厚度測試精度直接相關。在微波電路中，採用平板電 容測試的方法確定材料的介電特性進而確定微波傳輸特性的方法容易產生
較大的誤差，這樣的誤差會給微波電路尤其是醒ic電路的設計帶來困難。
對於醒IC電路來說，通常採用在片測試的方法對微波元件進行測試和
建模。要得到微波元件準確的散射參數特性，需要利用在片校準片進行校準， 將埠面定位在元件埠附近。通常在片測試可採用的校準方法有開短路負
載直通法(S0LT)、傳輸線反射反射負載法(LRRM)、直通反射傳輸線法(TRL)。 採用S0LT、 LRRM校準都需要有和參考阻抗相等的電阻負載作為校準件，在 材料特性未知的條件下，校準件的參考阻抗無法確定，因此這種條件下S0LT 校準和LRRM校準都無法使用。
TRL校準和S0LT校準及LRRM校準的區別在於TRL校準不需要電阻作為負載，這樣在校準和測試的過程中可以保證參考阻抗的一致性，因此可以通
過TRL校準及測試，獲得元件散射參數(S參數)矩陣的精確值。由於材料 的介電特性未知導致了參考阻抗不確定，這種方法測定的散射參數參考阻抗 也是不確定的，其測試結果仍然無法用於電路設計。
考慮微波傳輸線阻抗和微波傳輸線相速度的關係
z。4 (1)
、=， (2)
其中Z。為傳輸線阻抗，Zg為空氣填充的微波傳輸線阻抗，Se為有效 介電常數，X。為真空中波長，、為相波長。
由以上關係式可知，如果可以知道傳輸線的相波長，就可以通過有效介 電常數求出傳輸線阻抗。而傳輸線的相波長很容易由四分之一波長傳輸線諧 振點求出。

發明內容
本發明的目的是針對未知材料基板微波元件的測試問題，發明一種測試
方法，通過測試開路諧振器解決TRL校準時參考阻抗不確定的問題，這種方 法不僅可以提取微波元件的散射參數，也可以對如下兩種材料基板的特性進 行分析單層基板可以直接求得材料的介電特性；有一層材料的介電特性未 知的多層基板，可以通過求得的基板有效介電常數，藉助有限元法、矩量法、 準靜態法等場分析的方法求得未知材料的介電特性。
本發明的技術解決方案 一種基於未知材料基板的微波在片測試方法， 其特徵是該方法包括如下步驟-
一、 在基板上採用集成電路薄膜工藝或厚膜工藝製備適合於微波在片測 試的TRL校準件、開路諧振器及待測元件；
二、 用矢量網絡分析儀的TRL全雙埠校準功能校準微波在片測試系統；三、 將開路諧振器連接至校準好的微波在片測試系統，在矢量網絡分析 儀中讀出開路諧振器的散射參數，包括反射參數和傳輸參數，傳輸參數幅值 的差分曲線的第一過零點就是開路諧振器的諧振點，這一點所在的頻率就是 開路諧振器的諧振頻率；
四、 根據測量所得的諧振頻率計算基板等效介電常數、傳輸線阻抗；
五、 將待測元件連接至校準好的微波在片測試系統，在矢量網絡分析儀 中讀出開路諧振器的散射參數，散射參數的參考阻抗即步驟四中得到的阻 抗；
六、 採用散射參數阻抗變換的方法得到50 Q阻抗的標準散射參數。
本發明具有的優點用於校準的標準件不含負載，因此能避免因負載制 作誤差、測試誤差引起的系統測量誤差；通過諧振的方法測量材料的介電特 性數據處理方便，測試精度高；採用TRL校準方、法校準系統，測試精度能得 到有效的保證；測量元件的特性無需知道材料的介電特性，避免數據處理帶 來的誤差累積。


附圖1是TRL校準件中的開路傳輸線示意圖。
附圖2是TRL校準件中的短路傳輸線示意圖。
附圖3是TRL校準件中的直通示意圖。
附圖4是TRL校準件中的長線示意圖。
附圖5是開路諧振器示意圖。
附圖6是被測元件D測試結構示意圖。
圖4中長線可以是一根或多根結構相同長度不同傳輸線。
具體實施例方式
採用圖l、圖2、圖3、圖4TRL校準件校準測試系統，用校準後的測試 系統測試圖5開路諧振器。根據諧振器的物理長度和諧振頻率可以求出相波長的值。
、=4L
(3)
由此可以算出等效介電常數Se和參考阻抗Z。為:
￡。=
"、2 八0
、、乂
(5)
考慮開路效應和寄生參數的影響，公式(3)可用以下公式替換 、=4L' (6) 其中L'是考慮到開路效應和寄生參數影響的等效的傳輸線物理長度，它
的計算可以藉助場分析的方法求出；
由等效介電常數可進而由等效電路模型或場分析的方法得到基板的實
際介電常數，在基板為普通基板加高介電常數材料或鐵電薄膜的情況下，可
通過場分析的方法擬合高介電常數材料或鐵電薄膜的介電常數。
用校準好的系統測試待測的元件，所得散射參數的參考阻抗即公式(5)
求得的阻抗。要得到50Q參考阻抗的散射參數可用下式進行變換
formula see original document page 7(7)
formula see original document page 7(8)
formula see original document page 7(9)
formula see original document page 7(10)
其中:
formula see original document page 7
(11)Z12 = 50- 5i2- (12)
(i 一 s")(i - S22) _ S12S21 Z2I = 50-^- (13)
(i-su)(i-s22)-S12S21
Z22 = 50(1 —S")(1 + S22) + Si2S21 (14)
Sn、 Sl2、 S2,、 S22為50Q下的散射參數，S 、 S'12、 S壙S^為當參考 阻抗等於依據公式(5〉求得的阻抗時的散射參數。 實施例
1) 、採用基板結構為360um藍寶石+2um氮化鎵(GaN) +0. 15um鈦酸鍶 鋇(BST),藍寶石襯底介電常數為5.5， GaN介電常數為9.0， BST介電常數 未知。採用集成電路薄膜工藝製備圖1、圖2、圖3、圖4中TRL校準件，圖 5開路諧振器及圖6待測元件，所有圖形均採用CPW結構，其中線寬120um， 縫隙25um，直通線長度為250咖，兩根長線長度分別為2090um和3810um， 開路線長度1630um。
2) 、用矢量網絡分析儀的TRL全雙埠校準功能校準微波在片測試系統， 校準件採用步驟l中製備的圖l、圖2、圖3、圖4TRL校準件；
3) 、將圖5開路諧振器連接至校準好的微波在片測試系統，在矢量網絡 分析儀中讀出開路諧振器的散射參數從中求出傳輸參數的幅值，根據傳輸參 數幅值的差分曲線的第一過零點求得諧振頻率為18. 3GHz;
4) 、真空中波長Jc。為16.4mm，藉助場分析工具可以求得L'為1.69mm， 根據公式(6)求出相波長Ap為6.76mm，由公式(4)可以計算等效介電常數％為 5. 89，空氣介質的CPW線特徵阻抗Z。c為89,由公式(5)可得參考阻抗Z。為36. 7 Q 。
5) 、將待測元件連接至校準好的微波在片測試系統，在矢量網絡分析儀 中讀出開路諧振器的散射參數，保存為標準二埠散射參數文件(S2P文件)格式，文件如下所示(以下文件中第一行為格式說明，其中#為說明行符號，
hz表示頻率單位為赫茲〈Hz〉， s表示第二行以後的數據為散射參數格式，ri 表示散射參數用實部虛部的形式表示，r 50表示參考阻抗為50 Q。第二行 以後是S2P文件的數據，數據以實數形式依次表示如下內容頻率、Sll實 部、Sll虛部、S21實部、S21虛部、S12實部、S12虛部、S22實部、S22
虛部)。
# hz s ri 5e+009 0. 1027 6e+009 0. 1262 7e+009 0. 1484 8e+009 0. 1698 9e+009 0.1907 10e+09 0.211 lle+09 0. 2305 12e+09 0. 2496 13e+09 0. 2681 14e+09 0. 2818 15e+09 0. 2999
r 50 0. 9671
0. 9539 0. 9613
0. 9452 0. 9547
0. 9352 0. 9478
0. 9242 0. 9405 0.9129 0. 9308 0.9 0. 9213 0. 8861 0.9102
0. 8695 0. 9067 0. 8497 0.8871 0. 8403 0. 8759 0. 8246
-0. 0936
-0.1383 -0.1095
-0. 1613 -0.1256
-0.1846 -O. 1419
-0. 2072 -O. 1571
-O.2294 -O. 1724 -O. 2512 -0.腦
-O.2718 -0. 2019
-0. 2925 -O. 2162
-0.3152 -0. 2371
-O. 3218 -0. 2511
-0.3464
一O. 007778
-0. 00222
0. 005074
0.01318
0. 02235
0.03323
0. 04468
0.05951
0.07173
0. 0864
0. 1027
0. 1261
0. 1485
0.1696
0. 1907
0. 2109
0. 2306
0. 2496
0. 2686
一O. 007778
—0.002113
0. 005257
0.01343
0. 02296
0. 03355
0. 04498
0.06002
0. 07192
0. 2816
0. 08708
0. 1025
0. 2991
0. 1042測得的散射參數參考阻抗應為4)中求得的參考阻抗，因此將此文件修
改為-
# hz sri r 36.7
5e+0090. 9671-0. 0936-0.0077780.1027-0. 007778
0. 10270. 9539-O. 1383
6e+0090. 9613-0. 1095-0. 002220. 1261-O.002113
0. 12620. 9452-O. 1613
7e+0090. 9547-O.12560.0050740.14850. 005257
0.14840.9352-O.1846
8e+0090. 9478-0.14190.013180.16960. 01343
0. 16980.9242-O. 2072
9e+0090, 9405-0.15710. 022350.19070. 02296
0. 19070. 9129-O. 2294
10e+090. 9308-0.17240.033230.21090.03355
0.2110.9-O. 2512
lle+090. 9213-0. 18740.044680. 23060.04498
0. 23050. 8861-O. 2718
12e+090. 9102-O. 20190. 059510. 24960. 06002
0. 24960. 8695-O. 2925
13e+090. 9067-0. 21620.071730, 26860. 07192
0. 26810. 8497-O. 3152
14e+090. 8871-0. 23710. 08640. 28160. 08708
0. 28180. 8403-0.3218
15e+090. 8759-0.25110. 10250. 29910.1042
0. 29990.8246—0. 3464
6)、通過公式(7)-(IO)阻抗變換得到50Q阻抗的標準散射參數，變換後 形成的散射參數文件如下所示
# hz s ri r 505e+0090. 9545-O. 1191
0. 13040. 9361-0. 1751
6e+0090. 9457-0.1388
0. 15950. 9228-0. 2035
7e+0090, 9357-0. 1584
0. 18670. 9078-0. 2317
8e+0090, 9251-0. 1781
0.21240. 8914-0. 2586
9e+0090.9138-0. 196
0. 23730. 8744-0. 2847
10e+090. 8996-0.2135
0.26080. 8553-O. 3096
lle+090. 8855-0. 2305
0. 2830. 8351-0. 3326
12e+090. 8696-O. 2461
0. 30380.8116-O. 3548
13e+090. 8631-0. 262
0. 3240. 7839-0. 379
14e+090. 8365-0. 2846
0. 33760. 7712-O. 3841
15e+090. 8207-0. 2986
0. 3560. 7486—0. 4099
-0.00562 0. 1304 -0.00562 .003243 0. 1595 0.00338
0.01451 0.1868 0.01473
0.02693 0.2123 0.02725
0.04084 0.2374 0.04159
0.05692 0.2607 0.05732
0.07372 0.2831 0.07409
0.09466 0.3039 0.09529
0.1125 0.3246 0.1127
0.1324 0. 3375 0. 1333
0. 1549 0. 3552 0. 157權利要求
1、基於未知材料基板的微波在片測試方法，其特徵是該方法包括如下步驟一、在基板上採用集成電路薄膜工藝或厚膜工藝製備適合於微波在片測試的TRL校準件、開路諧振器及待測元件；二、用矢量網絡分析儀的TRL全雙埠校準功能校準微波在片測試系統；三、將開路諧振器連接至校準好的微波在片測試系統，在矢量網絡分析儀中讀出開路諧振器的散射參數，包括反射參數和傳輸參數，傳輸參數幅值的差分曲線的第一過零點就是開路諧振器的諧振點，這一點所在的頻率就是開路諧振器的諧振頻率；四、根據測量所得的諧振頻率計算基板等效介電常數、傳輸線阻抗；五、將待測元件連接至校準好的微波在片測試系統，在矢量網絡分析儀中讀出開路諧振器的散射參數，散射參數的參考阻抗即步驟四中得到的阻抗；六、採用散射參數阻抗變換的方法得到50Ω阻抗的標準散射參數。
2、 根據權利要求1所述的基於未知材料基板的微波在片測試方法，其特徵是所述的基板結構為360um藍寶石+2um氮化鎵+0. 15um鈦酸鍶鋇，藍寶 石襯底介電常數為5. 5，氮化鎵介電常數為9. 0。
3、 根據權利要求1所述的基於未知材料基板的微波在片測試方法，其特 徵是所述的採用集成電路薄膜工藝或厚膜工藝製備的TRL校準件、開路諧振 器及待測元件的圖形均採用CPW結構，其中線寬120um，縫隙25um，直通線 長度為250um，兩根長線長度分別為2090um和3810um，開路線長度1630um。
4、 根據權利要求1所述的基於未知材料基板的微波在片測試方法，其特 徵是所述的傳輸參數幅值的差分曲線的第一過零點求得諧振頻率為，18. 3GHz。
5、根據權利要求1所述的基於未知材料基板的微波在片測試方法，其 特徵是所述的在矢量網絡分析儀中讀出開路諧振器的散射參數，散射參數的 參考阻抗為36.7Q。
全文摘要
本發明涉及的是一種基於未知材料基板的微波元件在片測試方法。首先在基板上製備適合於微波在片測試的TRL校準件、開路諧振器及待測元件；然後用TRL校準方法校準微波在片測試系統；再用校準好的微波在片測試系統測試開路諧振器的諧振點；根據測量所得的諧振點計算基板等效介電常數、傳輸線阻抗；測量待測元件的S參數，S參數的參考阻抗即上一步驟中得到的阻抗；最後採用S參數阻抗變換的方法得到50Ω阻抗的標準S參數。優點通過開路諧振器測試可以求出TRL校準件的系統阻抗，結合標準的TRL校準不僅可以在材料特性未知的情況下對微波元件進行在片測試，而且可以結合場分析的方法求出材料的真實特性。
文檔編號G01R27/26GK101634672SQ20091003216
公開日2010年1月27日 申請日期2009年7月10日 優先權日2009年7月10日
發明者周建軍, 輝 李, 辰 陳, 陳效建 申請人:中國電子科技集團公司第五十五研究所