CN104991215A - 在片s参数共面波导trl校准件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在片S参数共面波导TRL校准件，涉及太赫兹在片S参数测试装置技术领域。所述校准件包括衬底层，所述衬底层的制作材料与被测件的衬底材料相同，所述衬底层的上表面设有直通标准件、反射标准件和传输线标准件，所述衬底的下表面覆盖有金属层，所述直通标准件、反射标准件和传输线标准件的地线分别通过贯穿于衬底层的通孔与金属层连接，所述直通标准件、反射标准件和传输线标准件的地线的探针终点处设有对标标记。校准件校准精度更高，操作更简单，并且避免了去嵌入带来的误差，能够更准确的表征器件特性。

Description

在片S参数共面波导TRL校准件

技术领域

本发明涉及太赫兹在片S参数测试装置技术领域，尤其涉及一种在片S参数共面波导TRL校准件。

背景技术

太赫兹波又称为亚毫米波，其严格定义是指300GHz-3000GHz的频率区间，波长范围是1mm-0.1μm。太赫兹波与微波毫米波相比，具有频率高、安全性好、透视能力强等优点，在成像、雷达、通信、频谱、射电天文等领域有着非常诱人的应用前景。

目前InP PHEMT的工作频率已经达到太赫兹频段。随着工作频率越来越高，针对于InP PHEMT的晶圆级器件的片上小信号散射参数(S参数)测试提出了越来越高的要求。太赫兹频段的小信号S参数在片测试是分析器件频率特性并进行器件建模的基础，而器件模型是进行太赫兹单片电路设计的必备条件，因此准确测试器件在太赫兹频段的S参数非常重要。但是目前商用的小信号S参数测试校准件主要是基于毫米波频段，且校准件与被测件(DUT)的衬底材料的不同带来的校准误差，均无法达到太赫兹频段的测试要求。因此有必要基于InPPHEMT器件开发出适用于太赫兹小信号S参数在片测试的InP衬底校准件。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在片S参数共面波导TRL校准件，所述校准件具有校准精度高，操作简单的特点。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种在片S参数共面波导TRL校准件，其特征在于：包括衬底层，所述衬底层的制作材料与被测件的衬底材料相同，所述衬底层的上表面设有直通标准件Thru、反射标准件Reflect和传输线标准件Line，所述衬底的下表面覆盖有金属层，所述直通标准件Thru、反射标准件Reflect和传输线标准件Line的地线分别通过贯穿于衬底层的通孔与金属层连接，所述直通标准件Thru、反射标准件Reflect和传输线标准件Line的地线的探针终点处设有对标标记。

进一步的技术方案在于：所述对标标记位于所述地线的上侧或下侧。

进一步的技术方案在于：所述衬底的制作材料为InP。

进一步的技术方案在于：所述衬底层的相对介电常数为12.5，厚度为50μm。

进一步的技术方案在于：所述直通标准件Thru和传输线标准件Line的特征阻抗为50Ω，校准时的校准频率范围为220GHz-325GHz。

进一步的技术方案在于：所述金属层的厚度为2um，制作材料为金。

进一步的技术方案在于：所述直通标准件Thru的长度为120μm，校准时直通标准件Thru的长度值定义为0μm；所述反射标准件Reflect采用开路结构，校准时延迟补偿定义为0ps。

进一步的技术方案在于：所述传输线标准件Line有3条，长度分别为210μm、240μm和270μm，校准时相对直通标准件Thru对各传输线标准件Line的长度进行定义，定义值分别为90μm、120μm和150μm。

进一步的技术方案在于：所述地线的宽度为100μm，所述通孔的宽为25μm，长为60μm。

进一步的技术方案在于：所述对标标记的长和宽为4μm。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：校准件的衬底材料与被测件DUT的衬底材料相同，校准精度更高；校准件的结构形式与被测件DUT相同，可以使校准后的参考平面位于器件的本征区端口，操作更简单，并且避免了去嵌入带来的误差；对标标记保证了每次压探针后共面波导传输线的电长度与定义值一致，且不会产生干扰；通过校准，直接测试得到器件在220GHz-325GHz的S参数，避免了低频S参数外推带来的误差，能够更准确的表征器件特性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是测试时探针的初始位置结构示意图；

图3是测试时探针的终止位置结构示意图；

图4是InP PHEMT被测件与校准件的结构示意图；

图5是带通滤波器验证件示意图；

其中：1、衬底层2、直通标准件Thru 3、反射标准件Reflect 4、传输线标准件Line 5、金属层6、地线7、通孔8、对标标记9、探针10、被测件。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本发明公开了一种在片S参数共面波导TRL校准件，衬底的制作材料与被测件DUT的衬底材料相同，且相对应的探针终点的几何结构与被测件DUT一致。包括InP衬底层2，优选的所述衬底层的制作材料为InP，所述衬底层2的上表面设有直通标准件Thru2、反射标准件Reflect3和传输线标准件Line4，其下表面连接有金属层5，所述直通标准件Thru2、反射标准件Reflect3和传输线标准件Line4的地线6分别通过贯穿衬底层2的通孔7与所述金属层5连接；所述直通标准件Thru2和传输线标准件Line4的特征阻抗为50Ω，校准时的校准频率范围为220GHz-325GHz；

所述衬底层2的相对介电常数为12.5，厚度为50μm，所述金属层5的厚度为2um，其材质为金；所述直通标准件Thru2的长度为120μm，校准时直通标准件Thru2的长度值定义为0μm；所述反射标准件Reflect3采用开路实现，校准时延迟补偿定义为0ps；所述传输线标准件Line4有3条，分别为210μm、240μm和270μm，校准时相对直通标准件Thru2对各传输线标准件Line的长度进行定义，定义值分别为90μm、120μm和150μm；所述直通标准件Thru2、反射标准件Reflect3和传输线标准件Line4的探针终点处设有对标标记8，所述对标标记8的尺寸为4μm×4μm。

如图2-3所示，本发明直通标准件Thru2、反射标准件Reflect3和传输线标准件Line4的地线的一侧设有对标标记，保证了探针每次的终点在同一位置，使校准时有效电长度与定义值一致，由于对标标记做在地线远离中心导线的一侧，因此不会产生干扰。

以InP PHEMT器件测试为例，如图4所示，为了使被测件DUT与矢量网络分析仪连接，需要在InP PHEMT器件的本征区端口设计制作探针PAD，并且在探针终点与器件本征区之间存在长度为60μm的带线，因此需要制作TRL校准件，在探针终点的设计上与被测件DUT保持一致，使校准与测试时探针终点附近的分布参数相同，在TRL校准时利用零直通的方法将参考平面校准至本征区端口。

共面波导TRL校准件的制作要保证微带线特征阻抗值Z₀等于系统的阻抗值50Ω，且制作工艺与InP PHEMT器件制作工艺相同，InP衬底的介电常数为12.5，厚度为50μm，金属导体的厚度为2μm，利用三维电磁场仿真软件，可以确定特征阻抗为50Ω下的共面波导传输线的中心导线的宽度为26μm，中心导线与地线的间距为24μm。

已知延迟线的等效介电常数ε_eff与光在真空中的速度c，可知电磁波在微带线中的传播速度v_p：

$v_p=\frac{c}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{eff}}}$

式中，ε_eff为等效介电常数，它考虑了电磁波一部分在介质中传播，一部分在空气中传播的这一事实，ε_eff可以用仿真软件计算得到。长度为l的传输线相对延迟时间t_delay可以通过以下公式计算得到：

$t_{delay}=\frac{l}{v_p}=\frac{l\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{eff}}}{c}$

频率为f的电磁信号在该共面波导传输线中传输，经过传输线以后，微波信号相对相位变化ΔP_degree可通过以下公式计算得到：

${\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{deg}ree}=f\·t_{delay}\·360=\frac{360lf\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{eff}}}{c}$

设计并制作好共面波导微带传输线后，通过矢量网络分析仪测试直通与各传输线的相位，实现校准。

TRL校准件的定义、使用与验证：

在矢量网络分析仪测试软件中定义零直通TRL校准件，将传输线的长度与频率范围输入至软件中，保证传输线能够覆盖220GHz-325GHz的频率范围。

探针终点的位置与共面波导传输线的有效电长度存在着紧密联系，探针在金属表面滑动距离的远近，将导致共面波导传输线的电长度较定义值偏小或偏大，给校准时带来误差。为了保证每次压探针后共面波导传输线的电长度与定义值一致，在地线的一侧设计了探针终点的对标标记，如图2-3所示。

为了对零直通TRL校准效果进行评估，在制作校准件的同时，制作了带通滤波器作为无源验证件，用来验证校准效果，如图5所示，通过验证，测试结果和设计结果吻合，说明达到了预期的校准效果。

Claims (10)

1.一种在片S参数共面波导TRL校准件，其特征在于：包括衬底层（1），所述衬底层（1）的制作材料与被测件的衬底材料相同，所述衬底层（1）的上表面设有直通标准件Thru（2）、反射标准件Reflect（3）和传输线标准件Line（4），所述衬底（1）的下表面覆盖有金属层（5），所述直通标准件Thru（2）、反射标准件Reflect（3）和传输线标准件Line（4）的地线（6）分别通过贯穿于衬底层（1）的通孔（7）与金属层（5）连接，所述直通标准件Thru（2）、反射标准件Reflect（3）和传输线标准件Line（4）的地线（6）的探针终点处设有对标标记（8）。

2.根据权利要求1所述的在片S参数共面波导TRL校准件，其特征在于：所述对标标记（8）位于所述地线（6）的上侧或下侧。

3.根据权利要求1所述的在片S参数共面波导TRL校准件，其特征在于：所述衬底（1）的制作材料为InP。

4.根据权利要求3所述的在片S参数共面波导TRL校准件，其特征在于：所述衬底层（1）的相对介电常数为12.5，厚度为50μm。

5.根据权利要求1所述的在片S参数共面波导TRL校准件，其特征在于：所述直通标准件Thru（2）和传输线标准件Line（4）的特征阻抗为50Ω。

6.根据权利要求1所述的在片S参数共面波导TRL校准件，其特征在于：所述金属层（5）的厚度为2um，制作材料为金。

7.根据权利要求1所述的在片S参数共面波导TRL校准件，其特征在于：所述直通标准件Thru（2）的长度为120μm；所述反射标准件Reflect（3）采用开路结构。

8.根据权利要求1所述的在片S参数共面波导TRL校准件，其特征在于：所述传输线标准件Line（4）有3条，长度分别为210μm、240μm和270μm。

9.根据权利要求1所述的在片S参数共面波导TRL校准件，其特征在于：所述地线（6）的宽度为100μm，所述通孔的宽为25μm，长为60μm。

10.根据权利要求1所述的在片S参数共面波导TRL校准件，其特征在于：所述对标标记（8）的长和宽为4μm。