如何精确地测量S参数

文章来源：SPICE模型

原文作者：若明

可靠的数据对于RF建模非常关键。如果没有可靠的数据，RF建模会变得非常耗时，伴随着大量的猜测和判断，基本上会令人非常的沮丧。今天和大家讨论如何精确地测量S参数。

1. 测试前准备

直流分析仪（DC Analyzerfor Biasing）、网络分析仪（NWA）、探针台、测试DUT、校准套件（Calkit）。

图1：测量系统连接关系

2. 如何为成功的测量做好准备

在进行S参数测量之前，需要做一些准备工作，包括测试直流接触电阻(Contact Resistance)，确定线性器件工作所需要的最大可用射频功率（Max. RF Singal），完成校准操作（Calibration）。

a. 测试直流接触电阻(Contact Resistance)

确定直流偏置路径上的电阻损耗，这种损耗表现为连接器和电缆上的损耗和偏置T型接头损耗，直流与射频信号在此交汇，以及晶圆上接触电阻。

图2：Rbias、Rcontact测量

分两步进行：

将GSG探针与ISS校准基板上的SHORT接触（我们认为ISS基板上的PAD接触是理想的）。而这里Rbias是电缆上的损耗+连接器上的损耗+偏置T型接头上的损耗，其测量值通常为1到3欧姆之间。

将GSG探针与晶圆片上的SHORT接触，再次测量电阻值。探针与晶圆之间的接触电阻值通常在0.5到2欧姆之间（具体由晶圆材质决定）。保存下这些值稍后用于建模。如图2所示，如果加了Rbias，S21曲线曲线是会向右移动的。所以说，精确的模型是要考虑直流偏置路径上的电阻损耗。

b. 确定线性器件工作所需要的最大可用射频功率（Max. RF Singal）

我们在测量S参数之前，需要确定最大可用射频信号电平，以保证晶体管的线性工作。过大的射频功率会对信号削波，导致谐波频率出现。但网络分析仪只能测量基频，因此会导致S参数错误，所以要确定合适的射频测试信号。最好的方法是将被测器件本身作为频谱传感器，测试Id-Vd。调整网络分析仪的射频信号功率，直到调到合适的功率不会影响DC曲线。如图，红色曲线是-20dB时的曲线, 功率比较大，测试出来的DC曲线会有明显的振荡。但当功率减小到-30dB时，测出的DC曲线正常。因此我们确定-30dB是一个比较合理的射频测试功率。在我们实际测试时要按照自己的器件来选择合适的射频信号功率。

图3：Max. RF Signal

c. 完成校准操作（Calibration）

校准是需要应用确定的信号电平。首先，GSG探针应与探针校准ISS基板对应。探针制造商提供的校准套件（Calkit）定义中说明了校准件的非理想因素，这些因素要输入网络分析仪校准程序或由该程序选择。然后执行校准。SOLT会连续连接并测量校准件。校准完成后结果会存储于NWA，用于以后提供经过校准的器件测量结果。

图4：Calkit

校准很重要，所以我们要重新测量OPEN, SHORT校准件，对LOAD和THRU也应该用同样的验证。只有当四个测量结果都能够与仿真结果完美对应时，我们才算完成了准确、可靠的网络分析仪校准。

验证去嵌结构。去嵌意味着将校准面从GSG探针接触位置移动到器件模型的限制点。最佳验证方式是在OPEN和SHORT晶圆上模型之外，还有THRU模型，该模型将通过带状线性代替之后的被测器件。THRU模型在OPEN和SHORT状态下去嵌，它应当视为一条时延线，其幅度为1，并具有一个有实际意义的正延值TD，以及特征阻抗Z0的一个实际值。

3. 测量结果

要确保器件在长时间的S参数测量期间温度不能发生改变。由于DC测试快，S参数测试慢有自热，导致结果稍有偏差。必须重复进行测量，确保在相同的温度条件下执行直流和S参数测量。

图5：测量结果分析

审核编辑：汤梓红