如何精確地測量S參數(shù)

文章來源：SPICE模型

原文作者：若明

可靠的數(shù)據(jù)對于RF建模非常關(guān)鍵。如果沒有可靠的數(shù)據(jù)，RF建模會變得非常耗時，伴隨著大量的猜測和判斷，基本上會令人非常的沮喪。今天和大家討論如何精確地測量S參數(shù)。

1. 測試前準(zhǔn)備

直流分析儀（DC Analyzerfor Biasing）、網(wǎng)絡(luò)分析儀（NWA）、探針臺、測試DUT、校準(zhǔn)套件（Calkit）。

圖1：測量系統(tǒng)連接關(guān)系

2. 如何為成功的測量做好準(zhǔn)備

在進(jìn)行S參數(shù)測量之前，需要做一些準(zhǔn)備工作，包括測試直流接觸電阻(Contact Resistance)，確定線性器件工作所需要的最大可用射頻功率（Max. RF Singal），完成校準(zhǔn)操作（Calibration）。

a. 測試直流接觸電阻(Contact Resistance)

確定直流偏置路徑上的電阻損耗，這種損耗表現(xiàn)為連接器和電纜上的損耗和偏置T型接頭損耗，直流與射頻信號在此交匯，以及晶圓上接觸電阻。

圖2：Rbias、Rcontact測量

分兩步進(jìn)行：

將GSG探針與ISS校準(zhǔn)基板上的SHORT接觸（我們認(rèn)為ISS基板上的PAD接觸是理想的）。而這里Rbias是電纜上的損耗+連接器上的損耗+偏置T型接頭上的損耗，其測量值通常為1到3歐姆之間。

將GSG探針與晶圓片上的SHORT接觸，再次測量電阻值。探針與晶圓之間的接觸電阻值通常在0.5到2歐姆之間（具體由晶圓材質(zhì)決定）。保存下這些值稍后用于建模。如圖2所示，如果加了Rbias，S21曲線曲線是會向右移動的。所以說，精確的模型是要考慮直流偏置路徑上的電阻損耗。

b. 確定線性器件工作所需要的最大可用射頻功率（Max. RF Singal）

我們在測量S參數(shù)之前，需要確定最大可用射頻信號電平，以保證晶體管的線性工作。過大的射頻功率會對信號削波，導(dǎo)致諧波頻率出現(xiàn)。但網(wǎng)絡(luò)分析儀只能測量基頻，因此會導(dǎo)致S參數(shù)錯誤，所以要確定合適的射頻測試信號。最好的方法是將被測器件本身作為頻譜傳感器，測試Id-Vd。調(diào)整網(wǎng)絡(luò)分析儀的射頻信號功率，直到調(diào)到合適的功率不會影響DC曲線。如圖，紅色曲線是-20dB時的曲線, 功率比較大，測試出來的DC曲線會有明顯的振蕩。但當(dāng)功率減小到-30dB時，測出的DC曲線正常。因此我們確定-30dB是一個比較合理的射頻測試功率。在我們實際測試時要按照自己的器件來選擇合適的射頻信號功率。

圖3：Max. RF Signal

c. 完成校準(zhǔn)操作（Calibration）

校準(zhǔn)是需要應(yīng)用確定的信號電平。首先，GSG探針應(yīng)與探針校準(zhǔn)ISS基板對應(yīng)。探針制造商提供的校準(zhǔn)套件（Calkit）定義中說明了校準(zhǔn)件的非理想因素，這些因素要輸入網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)程序或由該程序選擇。然后執(zhí)行校準(zhǔn)。SOLT會連續(xù)連接并測量校準(zhǔn)件。校準(zhǔn)完成后結(jié)果會存儲于NWA，用于以后提供經(jīng)過校準(zhǔn)的器件測量結(jié)果。

圖4：Calkit

校準(zhǔn)很重要，所以我們要重新測量OPEN, SHORT校準(zhǔn)件，對LOAD和THRU也應(yīng)該用同樣的驗證。只有當(dāng)四個測量結(jié)果都能夠與仿真結(jié)果完美對應(yīng)時，我們才算完成了準(zhǔn)確、可靠的網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)。

驗證去嵌結(jié)構(gòu)。去嵌意味著將校準(zhǔn)面從GSG探針接觸位置移動到器件模型的限制點。最佳驗證方式是在OPEN和SHORT晶圓上模型之外，還有THRU模型，該模型將通過帶狀線性代替之后的被測器件。THRU模型在OPEN和SHORT狀態(tài)下去嵌，它應(yīng)當(dāng)視為一條時延線，其幅度為1，并具有一個有實際意義的正延值TD，以及特征阻抗Z0的一個實際值。

3. 測量結(jié)果

要確保器件在長時間的S參數(shù)測量期間溫度不能發(fā)生改變。由于DC測試快，S參數(shù)測試慢有自熱，導(dǎo)致結(jié)果稍有偏差。必須重復(fù)進(jìn)行測量，確保在相同的溫度條件下執(zhí)行直流和S參數(shù)測量。

圖5：測量結(jié)果分析

審核編輯：湯梓紅