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摘 要: 隨著對薄膜體聲波諧振器（FBAR）器件性能要求的增高，FBAR器件參數的精確測試變得十分關鍵，該文從測試夾具結構以及對測試夾具的去嵌入校準這兩個FBAR參數測試精度要素考慮，綜述FBAR板上測試技術的研究現狀，討論測試夾具結構設計過程中的寄生效應、阻抗匹配以及夾結構設計等問題，并分析去嵌入校準的原理、誤 差模型以及各校準方法的優缺點。通過降低寄生效應、優化阻抗匹配、改善校準方法、優化誤差模型可提高 FBAR板上測試的準確性，并以此給出一套板上測試夾具設計及測試流程。?
?引 言?
薄膜體聲波諧振器（film bulk acoustic resonator， FBAR）是一種電聲諧振器，具有工作頻率高、尺寸小、品質因素高等優點。在過去十年，FBAR射頻 （RF）濾波器成為移動通信設備RF部分的核心部 件[1]。FBAR器件參數的精確測試變得十分關鍵。
目前，對FBAR參數測試的方法主要分為兩大類：1）基于探針臺的片上測試方法；2）印刷電路板 （printed circuit board，PCB）測試方法。對于片上測 試方法，其優勢在于能夠很好地測試單個諧振器在 理想環境下的性能，但是該方法不能測試引線給器 件帶來的影響[2]。片上測試方法對諧振器的裸芯片 進行探針測試，由于無引線電感、電阻及外殼雜散 的影響，此時該方法測得的數據真實可靠；但是對 于已經封裝的單端諧振器，由于器件會受到測試夾 具的影響，尤其是諧振頻率高于1 GHz時，夾具對諧 振器測試數據的影響較大[3]。FBAR板上測試方法的優點在于測試結果中包 含了引線帶來的影響，使得測試結果更為貼近實際 運用環境下FBAR的值。該方法采用矢量網絡分 析儀測試待測器件（device under test，DUT）和夾具 組成的系統的參數值，因此需要在后期數據處理時 利用去嵌入計算消除夾具帶來的誤差，最終得出 DUT的準確參數。本文主要綜述了FBAR板上測 試夾具設計中涉及的寄生效應、阻抗匹配以及結構 設計等因素，以及校準中的誤差模型選取、校準方法選用等問題，為提高板上測試準確性提供思路。
1 ?? 測試夾具?
在對射頻器件測試的時候，往往測試儀器無法 與DUT直接相連[4]，因此需要測試夾具將矢量網絡 分析儀與DUT連接起來，如圖1所示。影響FBAR 測試夾具準確性的因素有寄生效應、阻抗匹配以及 結構設計等。
圖 1? ? FBAR測試夾具結構示意
1.1 ?? 寄生效應?
寄生效應主要有寄生電阻、寄生電容和寄生電 感。如果測試濾波器的PCB設計不精良，會導致寄 生效應，并影響由PCB和濾波器組成的系統的測試 結果[1]。在測試夾具設計中要盡量減小寄生效應的 影響。介電層內部以及PCB的信號和接地路徑中 的寄生效應取決于不同的PCB設計[1]。文獻中表示在PCB設計時可以利用不平衡的輸入和平衡的輸 出抑制三端口濾波器在PCB中的不對稱寄生串 擾。因此在線路布線和過渡定位時不僅要采用對稱 設計，也應避免微帶線(the microstrip line，MSL)的 并行設置 。孔的定位受諸如線寬、槽寬、襯底厚度 和材料參數等的公差影響[1]，而其精確定位可以縮 短和優化過渡過程中的接地路徑，減少由過長引線 帶來的寄生效應。過長的引線也會引入較大的寄生 電感[4]，于是在PCB引線設計的時候應盡量縮短引 線。文獻[2]采用多種方法縮短引線，比如在PCB 中間開一個小孔、將FBAR單元上4個器件切割并 使其分離開，以及切除多余的基底等。
1.2 ?? 阻抗匹配?
在高頻電路的設計中，阻抗匹配是電路和系統 設計時必須要考慮的重要問題[5]。阻抗匹配是指負 載阻抗與激勵源的內部阻抗互相匹配，得到最大功 率輸出的一種工作狀態。在任何微波系統中，為了 保證傳輸效率，減小傳輸損耗和避免大功率擊穿， 通常都盡量使系統中各組成部分的輸入輸出阻抗等 于傳輸系統的特性阻抗，使傳輸線系統處于行波狀 態，避免反射和駐波的產生[5]。信號源與傳輸線不 匹配，將影響信號源的頻率和輸出的穩定性，并導 致信號源不能給出最大功率。傳輸線與負載不匹 配，會使傳輸線上出現駐波，導致傳輸線功率容量 降低；負載不能獲得全部的輸入功率，電路的信噪 比變差。夾具優化設計時應該考慮以下兩方面的匹配仿真：
1）DUT與PCB、微帶線線寬及走線方式、微帶 線與射頻接頭的匹配仿真；
2）壓片與DUT、DUT 與PCB以及整個系統整體的整體仿真。為達到阻 抗匹配，當信號源端阻抗低于傳輸線特征阻抗時， 采用串聯終端匹配，即在信號源端和傳輸線之間串 接一個電阻，使源端的輸出阻抗與傳輸線的特征阻 抗相匹配，抑制從負載端反射回來的信號發生再次 反射。當信號源端的阻抗很小時，采用并聯終端匹 配，即通過增加并聯電阻使負載端輸入阻抗與傳輸 線的特征阻抗相匹配，達到消除負載端反射的目 的[6]。此外，在優化PCB設計時，為實現阻抗匹配， 還可以采用保持低的外層介電層厚度公差，以使 MSL的特征阻抗盡可能接近50 Ω[1]。
1.3 ?? 結構設計?
現有的濾波器在測試時，通常將濾波器的接腳直接與PCB接腳接觸來進行電源導通后進行測試， 但是經常會因為兩個接腳之間接觸不充分導致測試 效果有偏差，影響測試數據的正確性[7]。針對這一 不足，文獻[7]提出了一種通過采用導電膠片連接兩 接腳的濾波器測試夾具，該夾具通過測試盒將濾波 器固定，夾裝穩定。雖然兩個接腳接觸不充分所引 起的測試結果偏差問題給FBAR 板上測試夾具設 計提供了一種考慮因素，但是并沒有驗證導電膠片 的引入會不會給測試帶來影響。
2 ?? 去嵌入校準?
2.1 ?? 原 理?
理想的測試環境希望測試夾具沒有任何的損耗 以及連接端的阻抗匹配，但是實際設計中很難達到 該理想環境。器件性能對測試夾具的不連續點很敏 感，為了準確表征DUT的性能，必須將夾具效應從 總體測量中去除[8]。測試的準確性取決于校準標準 和校準方法的精度[9]。微波器件的線性性能指標主要包括駐波比、插 入損耗、隔離度、幅頻響應、相位一致性、濾波特性 等，這些指標都可以用S參數表達[10]。
采用S參數 有以下優點[11]：
1）可以直接測量；
2）測量精度高；
3）方便用于信號流圖，簡化微波網絡的分析；
4）網 絡參考面移動時，S參數影響最小。
因此測量時采 用結合測量夾具以及矢量網絡分析儀，測量 DUT的S參數的方式。在FBAR板上測試的時候，測量參考面中包含 了連接器件以及用于連接DUT的過渡段效應所引 起的損耗和相位延遲[12]。去嵌入的校準方法一般通 過測量夾具每個端口的參數，測量出DUT和夾具 組合的S參數，再將S參數矩陣轉換為傳遞參數 （T參數），計算DUT的響應（不包含夾具誤差），并 將DUT的T參數轉換為S參數[8, 13]。DUT響應計算公式[8]：
2.2 ?? 誤差模型?
誤差模型是校準和誤差修正技術的基礎[14]。根 據不同的測量精度要求將誤差模型分為12項、 10項、8項及14項等[11, 14]。其中，ED為方向性誤差， EDF和EDR為反射參數；ER為反向跟蹤誤差，ERR和 ERF為傳輸參數；EX為串話誤差，EXF和EXR為隔離、 串擾；ES為等效源失配誤差，EL為負載失配誤差， ESF、ESR、ELF和ELR為信號源匹配及負載匹配；ET為 正向跟蹤誤差，ETF和ETR為傳輸參數。Sa11、Sa12、 Sa21、Sa22為被測器件真實參量。其中，端口1和端 口2之間為被測器件的S參數[11]。12項誤差模型 如圖2所示，表1中給出了各項誤差模型的對比。?
2.3? ? 校準方法?
夾具的使用一定會給被測器件的S參數測試
圖 2? ? 12項誤差模型
結果帶來影響[18]，因此夾具去嵌入必不可少，而其中 的關鍵又在于校準方法的選擇。文獻[19]介紹了一 種標刻度的雙端口矢量網絡分析儀進行PCB元件 夾具去嵌入測試方法，該方法基于最小均方值的夾 具參數估計算法提取夾具參數。文獻[20]介紹了一 種采用SOLT校準程序，然后執行THRL（through， high and low reflection）標準，但該方法復雜且繁瑣， 不利于推廣。文獻[21]中報告了一種后置去嵌入的 方法測試目標S參數的夾具測試技術，該方法也采 用SOLT校準程序，但不執行THRL標準，因此其 測試過程更加簡單，避免了在測試窄帶微波電路時 的復雜校準過程，為夾具優化設計提供了一個思 路。目前，常見的校準方法主要有SOLT（ShortOpen-Load-Thru） 、 TRL（ Thru-Reflect-Line） 、 LRM（ Line-Reflect-Match） 、 LRRM（ Line-ReflectReflect-Match） 、 SOLR（ Short-Open-Load-Reflect） 等。本文總結了SOLT和TRL方法的12項誤差參 數[22]，在表2中比較了兩者的優缺點并分析了其使用環境。文獻[23]中給出了TRL校準方法推導出 DUT真實S參數的數學推導過程。文獻[16]中給 出了使用SOLT方法校準最終得到S參數的數學 推導過程。
2.4 ?? 校準標準件?
每種校準方法都有其一套校準標準件，表3中 總結了常見的各標準件的含義及其簡要制作過程。SOLT校準采用短路、開路、負載和直通校準， 如圖3所示。TRL方法采用的是去嵌入方法的思 想，但是它不需要已知的負載，而是采用直通、反 射、傳輸線3種連接方式進行校準[25-26]，其標準件如 圖4所示。
3 ?? 夾具設計流程?
本文分析了FBAR板上測試夾具設計方法，得 出如圖5所示的夾具以及測試流程圖。該流程圖分 為3個主要步驟：設計測試夾具、夾具校準的標準 件以及結合矢量網絡分析儀測試DUT的S參數。首先設計測試夾具，再設計去嵌入校準的標準件，?并測試其S參數且將其預存入矢量網絡分析儀，使 網絡分析儀能夠自動完成去嵌入計算，修正由于測 試夾具而引入的誤差，測得DUT（本文中為FBAR） 的S參數。?
圖 3? ? SOLT校準標準
圖 4? ? TRL校準標準
4 ?? 結束語?
隨著FBAR濾波器逐漸發展成為移動通信設 備在射頻領域中的核心，FBAR器件性能測試的精 度也逐漸提升。而影響FBAR測試夾具的測試精 準度的影響因素有很多，包括FBAR測試夾具結構 的設計以及測試夾具校準方法的選用。從測試夾具 本身來看，可以通過優化設計FBAR測試夾具結 構，優化夾具PCB設計以及PCB上引線布局，降低 寄生效應；保證測試系統的阻抗要匹配良好，沿信 號路徑的反射、端口間的寄生饋通最小化；保證待 測器件與測試夾具接腳的充分接觸，盡可能使濾波 器的測試性能接近真實性能值。從校準來看，可以 通過建立合理的誤差模型，選擇合適的校準方法， 設計高精度的校準流程標準套件，對夾具進行校準 操作，以保證盡可能得到待測器件的真實性能值。（參考文獻略）
圖 5? ? 夾具設計及測試流程
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