CN106383327B - 一种微波器件标准样片的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波器件标准样片的校准方法，该方法包括：用微波探针测量得到直通Thru和传输线Line的S参数，根据S参数得到标准样片的传播常数γ，且微波探针的S参数不需要事先定标；根据标准样片的传播常数γ和特征阻抗Z₀，调用预设的校准方法，分别得到从微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Left和S_Right；采用微波探针测量标准样片的标准片上管芯，结合S_Left和S_Right进行解算校准，得到片上管芯的本征S参数，借助于本发明的技术方案，只需包括直通Thru和传输线Line单次测量，就可以顺序计算出标准样片的传播常数、微波探针S参数、以及片上管芯的本征S参数。

Description

一种微波器件标准样片的校准方法

技术领域

本发明涉及固态微波器件领域，特别涉及一种微波器件标准样片的校准方法。

背景技术

共面波导微波探针是GaAs、GaN、SiC、InP、CMOS等固态器件测试功率、增益、S参数所必须的测试附件。共面波导微波探针将微波信号从同轴接口转换到共面波导，需要进行S参数校准。校准通常采用共面波导标准样片，上面有SOLT(Short-Open-Load-Thru)或TRL(Thru-Reflect-Line)等校准模块，校准过程类似同轴接口矢量网络分析仪的校准。共面波导微波探针校准后需要进行检验，需要采用计量用标准样片，上面有几何量标准、共面波导反射(驻波比)标准、衰减标准和传输相位标准。标准样片的标准值需要定标，需要溯源到其他计量标准，不能在共面波导微波探针和标准样片之间进行循环量传。

固态微波标准样片有两种类型：

(1)商用校准片，典型如美国Cascade公司，以及美国GGB公司的校准片，例如101-190型等，主要用于微波在片测试系统的日常校准，这种标准样片上具有SOLT或者TRL模块，有开路、短路、直通、负载等结构，其中Line可以有多个，Reflect可以由开路、短路或任何具备大反射率的模块构成。不要求标准样片材料体系与使用对象材料体系相同，例如可以采用廉价的陶瓷(Al₂O₃)材料制作商用校准片校准微波探针，而应用于GaAs、GaN等其他材料体系器件的测试，日常使用量大，价格校低廉。

(2)计量级标准样片，典型如美国国家标准技术研究院NIST的RM8130，主要用于计量机构的量值传递及比对定标，这种标准样片不但具有商用校准片的SOLT和TRL等校准模块，而且具有衰减、反射(驻波)、传输相位等片上标准。片上标准的S参数需要用某种技术定标，才可以用于微波探针和其他标准样片的校准。计量级标准样片通常采用与使用对象相同的材料体系制作，例如GaAs材料制作，日常使用量少，但精度很高，价格昂贵。

相关文献检索表明，目前没有一种不依赖于其他标准样片和微波探针标准值的标准样片S参数校准及定标技术，或者相关技术没有被公开披露。

目前的标准样片的量值溯源链包括：

(1)基于另一个已知标准值的标准样片。

具体方案是先有一个已知标准值的标准样片，片上的衰减、反射(驻波)、传输相位等模块的S参数是已知的。然后用微波探针分别测试已知标准值的标准样片，以及待校准标准样片，通过微波探针将片上S参数从已定标标准样片传递到待测标准样片。

(2)基于另一个已知标准值的微波探针。

具体方案是先有一个已知S参数标准值的微波探针，然后用微波探针测试待校准标准样片，将微波探针的S参数传递到待测标准样片。

目前的标准样片校准技术包括：

(1)SOLT：

首先用已知标准值的标准样片校准微波探针，然后再校准待测标准样片。SOLT方案是分别在陶瓷、GaAs等片上实现开路、短路、50欧姆负载和直通校准模块，用微波探针分别测试这些标准，然后计算得到探针的S参数。再用校准的微波探针校准及定标待测标准样片。SOLT算法如下：

校准模块中的反射型，典型如短路件和开路件，S参数可以表示为：

S_Test,1,1是测试结果，S_A,i,j是探针S参数。Γ是模块的反射系数。

透射型检验模块，典型如直通和传输线，S参数可以表示为：

分别用探针测试片上实现开路、短路、50欧姆负载和直通校准模块，带入上式，就可以计算出探针S参数，进而校准待测标准样片。

(2)TRL：

TRL方案是分别在陶瓷、GaAs等片上实现和直通和不同长度传输线的校准模块，用微波探针分别测试这些标准，然后通过某种算法计算得到探针的S参数。TRL算法的好处是无需依赖其他共面波导计量标准，可以将共面波导S参数，溯源到同轴S参数和共面波导关键几何结构。

TRL校准算法如下：

TRL校准算法由直通、反射和传输线三种模块构成，测量得到的S参数为：

(直通)

(反射)

(传输线)

化简后可以得到e^-γl的解析解：

根据相位判断上式的±号后，可以联立求解得到S参数，完成校准工作。

TRL算法的优点是不需要负载模块，因此不需要解决薄膜电阻的溯源难题，可以直接将微波S参数溯源到几何量。

目前已有标准样片校准及定标计算，存在的问题包括：

(1)SOLT算法的理想反射、负载条件难以满足。

SOLT校准方法对计量标准有几个要求，但实际的片上标准都难以达到：

(a)理想开路：Open。要求反射系数为1，相位0°。实际上由于寄生电容的存在，反射系数难以全频段接近0dB，而且越高频越劣化。图1为现有技术中一个实测的GaAs片上开路的反射系数图。由图可见在26.5GHz以上，片上开路距离理想开路条件误差已达到0.5dB。

(b)理想短路：Short。要求反射系数为1，相位180°。实际上由于寄生电容的存在，反射系数难以全频段接近0dB，而且越高频越劣化。图2为现有技术中一个实测的GaAs片上短路的反射系数图。由图可见在26.5GHz以上，片上短路的反射系数出现了振荡。

(c)理想负载：Load。要求反射系数为0，相位不定。实际上任何吸收体都难以做到全吸收，而且片上负载是由2个100欧姆片上电阻并联得到。由于片上电阻加工精度有限，更是难以满足反射系数为0的条件，而且越高频越劣化。图3为现有技术中一个实测的GaAs片上负载的反射系数图，反射系数只能达到-35dB。

以上SOLT片上标准的误差都会传递到微波探针S参数误差中，并由微波探针到待测标准样片的传递过程进一步放大。

(2)TRL算法在带宽、传播常数收敛性性上存在问题。

(a)TRL算法是一种窄带校准技术。

通常由于传输线只能以一个中心频点进行优化，因此传统TRL算法大约只能覆盖8倍带宽。也即如果最低频率为1GHz，则一条传输线只能覆盖到8GHz。传输线和直通之间的插入相位差值必须在20度至160度之间(或-20度至-160度)。

(b)TRL算法的传播常数γ导致的收敛性不好。

由前可见，传播常数γ需要通过相位来判定正负号。实际计算过程中，由于相位测量本身的抖动，以及算法自身的稳定性等问题，容易造成个别频点的不收敛。尤其在高频情况，TRL校准结果会频繁出现“奇异值”。目前业界采用较多的是各种TRL的改进算法，例如美国NIST推出的多线(MultiLine)TRL校准算法。其同时采用多个Line进行校准，覆盖不同带宽，并利用重复段的数据进行平均以优化不确定度。γ＝α+jβ，α代表复传播常数实部，与衰减相关；β代表复传播常数虚部，与相位相关。

图4为现有技术中不同传输线的α计算结果示意图；图5为现有技术中不同传输线的β计算结果示意图。由上图4和图5可见，已有TRL算法在共面波导解算时非常不稳定，主要体现在：

(1)不同传输线的β在8GHz以上就有明显差异，而理论上用不同Line解算结果应该相同。

(2)不同传输线的α在各频段均有明显震荡，尤其会出现α为正的情况，理论上共面波导只能由衰减，因而只能为负。

分析表明，传统TRL算法用相位来判断±号的方法对共面波导不很适用，传播常数γ中衰减α尤其受影响较大，因为即使β的±号判断正确，也仍然会造成衰减α的震荡，甚至产生增益的假想。

(c)不具备变阻抗校准能力。

现有的TRL校准算法，不具备探针同轴接口和共面波导阻抗不同情况下的校准。对共面波导而言，与传统同轴传输线主要区别之一是同轴传输线带宽要远大于共面波导。举例而言，同轴传输线可以在1GHz～40GHz频段内实现一致的驻波和阻抗，而共面波导只能在较小的频段内，例如1GHz～8GHz频段内实现一致的驻波和阻抗。因此在共面波导标准样片校准时，必须考虑微波探针同轴接口与共面波导阻抗变化的情况。而对于同轴情况，TRL可以假设同轴接口与传输线在1GHz～40GHz频段都是50欧姆，可以忽略特征阻抗的变化。例如，对共面波导，必须考虑同轴接口为50欧姆，而共面波导特征阻抗在1GHz～40GHz频段内从49欧姆变化到52欧姆的情况。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的微波器件标准样片的校准方法。

本发明提供了一种微波器件标准样片的校准方法，包括以下步骤：

将标准样片的校准端口迁移到微波探针的同轴接口，用微波探针分别测量标准样片的直通Thru和传输线Line，得到直通Thru和传输线Line的S参数，根据直通Thru和传输线Line的S参数得到标准样片的传播常数γ，所述微波探针的S参数不需要事先定标；

根据标准样片的传播常数γ和特征阻抗Z₀，调用预设的校准方法，分别得到从左微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Left和从右微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Right；

采用微波探针测量标准样片的标准片上管芯，结合S_Left和S_Right进行解算校准，得到片上管芯的本征S参数。

本发明的有益效果如下：

本发明通过提供一种微波器件标准样片的校准方法，解决了现有技术中没有不依赖于其他标准样片和微波探针标准值的标准样片S参数校准及定标方法、以及现有的标准样片校准及定标过程中存在误差大、传播常数收敛性不好、不具备变阻抗校准能力的问题，能够将校准过程溯源到标准样片的关键几何参数以及同轴接口的S参数，无需借助外部任何其他已定标的标准样片或微波探针。只需包括直通Thru和传输线Line单次测量，就可以顺序计算出标准样片的传播常数、微波探针S参数、以及片上管芯的本征S参数。

附图说明

图1为现有技术中一个实测的GaAs片上开路的反射系数图；

图2为现有技术中一个实测的GaAs片上短路的反射系数图；

图3为现有技术中一个实测的GaAs片上负载的反射系数图；

图4为现有技术中不同传输线的α计算结果示意图；

图5为现有技术中不同传输线的β计算结果示意图；

图6为本发明实施例的微波器件标准样片校准方法的流程图；

图7为本发明实施例共面波导标准样片校准方法的原理图；

图8为本发明实施例中共面波导衬底微波电参数结果示意图；

图9为本发明实施例中共面波导基本结构示意图；

图10为本发明实施例共面波导微波探针校准原理图；

图11为本发明实施例扣除了Thru的传输线Line段的共面波导S参数的相位示意图；

图12为本发明实施例中从微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Left和S_Right的校准结果示意图；

图13为本发明实施例中共面波导标准样片中各标准的典型结构示意图；

图14为本发明实施例中标准样片衰减标准S参数结果示意图；

图15为本发明微波器件标准样片的校准方法的软件流程示意图。

具体实施方式

为了解决现有技术中没有不依赖于其他标准样片和微波探针标准值的标准样片S参数校准及定标方法、以及现有的标准样片校准及定标过程中存在误差大、传播常数收敛性不好、不具备变阻抗校准能力的问题，本发明提供了一种微波器件标准样片的校准方法，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

根据本发明的实施例，提供了一种微波器件标准样片的校准方法，图6是本发明实施例的微波器件标准样片校准方法的流程图。如图6所示，根据本发明实施例的微波器件标准样片的校准方法包括如下处理：

步骤601：将标准样片的校准端口迁移到微波探针的同轴接口，用微波探针分别测量标准样片的直通Thru和传输线Line，得到直通Thru和传输线Line的S参数，根据直通Thru和传输线Line的S参数得到标准样片的传播常数γ，所述微波探针的S参数不需要事先定标。

图7为本发明实施例共面波导标准样片校准方法的原理图，其中左侧为共面波导直通Thru的示意图；右侧为共面波导传输线Line的示意图。

下面以共面波导为例，对步骤601进行详细的说明。

具体的，根据直通Thru和传输线Line的S参数得到标准样片的传播常数γ具体包括以下步骤：

首先采用同轴校准件将校准端口迁移到探针的同轴接口。然后用微波探针测试共面波导TRL校准模块的直通Thru和传输线Line。将测试结果从S参数变换到T矩阵空间，注意测试时微波探针不需要校准。假设两边探针的同轴接口到直通Thru中间的T矩阵分别是T_A和T_B，直通Thru的同轴接口测量结果为Q_Thru(从一个探针的同轴接口到另一个探针的同轴接口)；扣除了Thru的传输线的本征T矩阵是T_Line，测量结果为Q_Line，则由T矩阵的级联特性可知：

Q_Thru＝T_Left.T_Right 公式1；

Q_Line＝T_Left.T_Line.T_Right 公式2；由于设计时保证了直通Thru和传输线Line具有相同的共面波导几何结构，都是匹配传输线，则有：

上式中γ是传播常数，Δl是扣除了Thru的传输线长。

由上式可得：

上式右边相当于对T_Line做了相似变换。由矩阵秩在相似变换下的不变性可得：

上式中eig()表示求解矩阵的秩。带入(3)，则有：

上式中是测量值，Δl可以通过几何量定标。传播常数γ可表示为有效介电常数和损耗角正切的函数，根据传播常数γ还可计算得到有效介电常数、损耗角正切。因此传播常数γ及有效介电常数、损耗角正切也可以溯源到几何量及同轴S参数。注意到整个测量和校准过程，Q_Thru、Q_Line测量结果只进行了同轴校准，无需进行探针校准，不依赖于共面波导的校准结果，因此以上溯源链是完整且自洽的。

本申请还提供了一种可溯源到同轴S参数的衬底电参数校准技术，所述衬底电参数包括有效介电常数和损耗角正切。利用本申请提出的算法进行校准后得到图8，图8为本发明实施例中共面波导衬底微波电参数结果示意图，其中(a)为有效介电常数，图中Eref(3)、Eref(4)、ErefG(3)、ErefG(4)分别表示为3/4号线计算结果，3号线长1800um，4号线长3200um，G表示引入了变阻抗修正；(b)为损耗角正切，图中TanD(3)、TanD(4)、TanDG(3)、TanDG(4)分别表示为3/4号线计算结果，3号线长1800um，4号线长3200um，G表示引入了变阻抗修正；(c)为相位计算结果，图中Fi(3)、Fi(4)、MeanFi(3)、MeanFi(4)分别表示为3/4号线计算结果，3号线长1800um，4号线长3200um，Mean表示引入了多点平滑修正。

由图可见，在整个40GHz频率范围内，校准结果一致性非常好，相位线性度也很好，而且没有传统TRL校准算法常见的奇异点，也没有衰减系数为负的情况，因此本发明提出的校准算法的稳定性和收敛性比传统TRL校准算法有显著提高。

步骤102：根据标准样片的传播常数γ和特征阻抗Z₀，调用预设的校准方法，分别得到从左微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Left和从右微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Right。

对于特征阻抗Z₀，为了计算方便，可以设为定值(例如50欧姆)，但是实际的待校准对象都有偏离，因此要根据共面波导、微带电路、同轴传输线等不同情况分别进行修正。

对于共面波导，特征阻抗Z₀通过以下方法得到：

共面波导S参数复现的是扣除了Thru的传输线Line的Δl段的S参数。由于直通Thru的传输线Line都是衬底上生长金属层的工艺，没有采用薄膜电阻工艺，因此在上步得到传播常数γ后即可由式(3)直接复现S参数。精度更高的校准需要考虑共面波导的几何结构，计算出特征阻抗后再对S参数进行修正。

图9为本发明实施例中共面波导基本结构示意图，如图9所示，影响共面波导特征阻抗和S参数的几何尺寸包括：信号线宽w，信号线与地线间距g，金属层厚度t以及衬底厚度h。由于t通常很薄，只有(1～3)μm，而衬底h通常很厚，(80～200)μm，且通常还有背面金属，因此t与h不确定度的影响很小，通常采用工艺线给出的参数即可。主要需要考虑的是信号线宽w以及信号线与地线间距g对特征阻抗和S参数的影响，而且w与g也正是版图设计中可以改变的参数。

由于共面波导结构影响传播常数γ，进而影响扣除了Thru的传输线的本征T矩阵是T_Line，因此高精度的校准应计入共面波导的影响，采用保角变换可以得到特征阻抗Z₀和有效介电常数ε_eff的解析解。如下：

同时，还能得到共面波导分布电容C的解析解：

在公式8～公式9中，在公式10中，w表示信号线宽，g表示信号线与地线距离，h表示衬底厚度；

第一类完全椭圆积分：

在公式11中，k是积分的模数，称为补模数，K′(k)＝K(k′)，

有近似公式：

针对金属厚度t，背覆金属层，多层介质等共面波导还有若干修正。

标准样片的相位标准经过上步校准定标后，就可以用于校准探针同轴接口到直通Thru中间的S参数的校准。校准方法的核心是如何借助几何量提取从微波探针的同轴接口到共面波导的直通Thru中间S参数参数，而且无需依赖其他方法定标的共面波导S参数，只采用上步利用前步校准得到的传播常数γ和几何量Δl复现的扣除了Thru的传输线Line的段的共面波导S参数即可。

对于微带电路，特征阻抗Z₀通过以下方法得到：

(1)测量直通Thru和传输线Line的关键几何尺寸，所述关键几何尺寸包括信号线宽和衬底厚度；

(2)根据直通Thru和传输线Line的关键几何尺寸由下述公式得到特征阻抗Z₀；

在公式12中，w表示信号线宽，h表示衬底厚度。

微带电路变阻抗校准修正技术的一个应用例是固态微波器件测试夹具的校准。

对于同轴传输线，特征阻抗Z₀通过以下方法得到：

(1)测量直通Thru和传输线Line的关键几何尺寸，所述关键几何尺寸包括外导体内径和外导体外径；

(2)根据直通Thru和传输线Line的关键几何尺寸由下述公式得到特征阻抗Z₀；

在上述公式中，r₁是外导体内径，r₂是内导体外径，ε_r表示有效介电常数。

同轴电路变阻抗校准修正技术的一个应用例是变内径传输线的校准。

所述预设的校准方法包括基于ABCD矩阵空间的校准方法、基于TRL的校准方法。

下面以共面波导为例，对步骤102做具体说明。图10为本发明实施例共面波导微波探针校准原理图。校准参考面1和校准参考面2是微波探针的同轴接口，校准参考面3是共面波导接口。校准参考面1和2可以通过SOLT和TRL等机械校准件从矢网端口校准迁移过来。本发明解决的是校准参考面1和2到校准参考面3的校准。

具体的，根据所述标准样片的传播常数γ和特征阻抗Z₀，调用基于ABCD矩阵空间的校准方法，得到从左微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Left和从右微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Right包括以下步骤：

(1)当测试直通模块时，由于ABCD矩阵具有级联性，测量结果A_Thru表示为公式14：

在公式14中，x₁～x₃是S参数向ABCD矩阵变换过程中的系数；

(2)用微波探针测量传输线Line时，测量结果A_Line表示为公式15：

在公式15中，表示扣除了Thru的传输线长Δl的本征ABCD矩阵，表示为公式16：

在公式16中，γ代表传播常数，Δl代表扣除了Thru的传输线长，Z₀代表特征阻抗；

(3)将测量结果A_Line从S参数变换到ABCD矩阵空间，表示为公式17：

在公式17中，x₄～x₆是S参数向ABCD矩阵变换过程中的系数；

(4)假设左右两端的微波探针对称，则左微波探针的ABCD矩阵A_Left和右微波探针的ABCD矩阵A_Right满足互易网络条件：

(5)将公式16、公式17、公式7带入到公式15中，得到y₁、y₂、y₃的表达式如公式18～公式20所示：

(a₀d₀+b₀)y₁+b₀d₀y₂+a₀y₃＝x₄ 公式18；

在公式18～公式20中，d₀＝x₃，y₁＝ch(γΔl)，

(6)根据公式14，求解线性方程组公式18～公式20，得到c；

(7)根据所述c，利用公式9分别得到a、b、d，从而得到左微波探针的ABCD矩阵A_Left和右微波探针的ABCD矩阵A_Right；

(8)将A_Left和A_Right变换回S参数分别左得到从微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Left和从右微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Right。

具体的，根据所述标准样片传播常数γ和特征阻抗Z₀，调用基于TRL的校准方法，得到从左微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Left和从右微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Right包括以下步骤：

(1)假设左右两端的微波探针对称，则从微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Left和S_Right表示为：

在公式23中s₁₁，s₁₂，s₂₁，s₂₂为S矩阵元素；

(2)直通Thru和传输线Line的S参数测量结果T和L可表示为；

其中T₁₁，T₁₂，T₂₁，T₂₂，以及L₁₁，L₁₂，L₂₁，L₂₂为S矩阵元素，T₁₁、T₁₂、L₁₁、L₁₂分别表示为公式26～29；

(3)根据传播常数γ和特征阻抗Z₀，以及测量结果T₁₁，T₁₂，以及L₁₁，L₁₂由公式26～公式29求得s₁₁，s₁₂，s₂₁，s₂₂，然后根据公式23分别得到从左微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Left和从右微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Right。

图11为本发明实施例扣除了Thru的传输线Line段的共面波导S参数的相位示意图，在图11中，s12_CPWLine代表复现的传输线的S₁₂的相位，由图11可见，复现相位的线性很好。

图12为本发明实施例中从微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Left和S_Right的校准结果示意图，其中(a)为S_Left(1，1)和S_Right(2，2)的模值，图中的SA11(3)、SA22(3)、SA11(4)、SA22(4)分别表示3/4号线计算结果，3号线长1800um，4号线长3200um。SA11表示S_Left(1，1)，SA22表示S_Right(2，2)；(b)为S_Left(12)和S_Right(12)的相位，图中的Φ12(3)、Φ12(3)分别表示3/4号线计算结果，3号线长1800um，4号线长3200um。由图可见，在整个40GHz频率范围内，不同线长时，校准结果一致性非常好，相位线性度也很好，而且没有传统TRL校准算法常见的奇异点，因此发明提出的校准算法的稳定性和收敛性比传统TRL校准算法有显著提高。

步骤103：采用微波探针测量标准样片的标准片上管芯，结合S_Left和S_Right进行解算校准，得到片上管芯的本征S参数。

共面波导标准样片定标装置主要由矢量网络分析仪、测试电缆及微波探针构成，标准样片具有用于校准的直通Thru、多组传输线Line，以及用于校准后验证校准效果的反射(驻波比)和衰减标准，匹配传输线兼做相位标准，图13为本发明实施例中共面波导标准样片中各标准的典型结构示意图。

对于共面波导来说，片上管芯的本征S参数包括衰减、驻波比(反射系数)、传输相位标准等。其中直通Thru、传输线Line的信号线宽、信号线与地线距离等关键几何尺寸相同，只是长度不同。反射(驻波比)和衰减标准均采用类似“平衡电桥”的结构，其中有薄膜电阻工艺。校准方法的核心是如何借助前步求得的探针同轴接口到直通Thru中间的S参数，也即S_Left和S_Right，应用到反射(驻波比)、衰减和相位标准，去嵌入得到管芯的S参数。

反射(驻波比)、衰减和相位标准的管芯的S参数计算的核心就是如何从测量结果中去嵌入探针同轴接口到直通Thru中间的S参数，也即S_Left和S_Right的影响。有以下三种具体实现方式：基于T矩阵及基于ABCD矩阵的校准方法。以下分别介绍这两种实施方案：

具体的，采用微波探针测量标准样片的标准片上管芯，结合S_Left和S_Right进行解算校准，得到片上管芯的本征S参数包括以下步骤：

(1)采用微波探针测量标准样片的标准片上管芯，得到S矩阵，将所述S矩阵变换到T矩阵空间得到T_S，所述标准片上管芯包括衰减、驻波比、传输相位；

(2)将从左微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Left和从右微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Right变换到T矩阵空间得到T_Left和T_Right；

(3)根据T_S、T_Left和T_Right，由公式30得到片上管芯的本征T矩阵

(4)将片上管芯的本征T矩阵变换回T矩阵空间，得到片上管芯的本征S参数矩阵；

采用微波探针测量标准样片的标准片上管芯，结合S_Left和S_Right进行解算校准，得到片上管芯的本征S参数还可以包括以下步骤：

(1)采用微波探针测量标准样片的标准片上管芯，得到S矩阵，将所述S矩阵变换到ABCD矩阵空间得到A_S，所述标准片上管芯包括衰减、驻波比、传输相位；

(2)将从左微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Left和从右微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Right变换到ABCD矩阵空间得到A_Left和A_Right；

(3)根据A_S、A_Left和A_Right，由公式31得到片上管芯的本征ABCD矩阵

(4)将片上管芯的本征ABCD矩阵变换回ABCD矩阵空间，得到片上管芯的本征S参数。

图14为本发明实施例中标准样片衰减标准S参数结果示意图，图中SPAD10(21)表示10dB片上衰减模块的S₂₁模值计算结果。

本发明提供了一种包括直通Thru和传输线Line单次测量，只需要依赖外部溯源探针的同轴接口和共面波导的几何量，并未引入任何其他标准样片或事先定标的微波探针S参数，就可以顺序计算出共面波导衬底电参数、微波探针S参数、片上衰减、驻波比(反射系数)、传输相位标准的S参数，整个校准过程是自洽且完备的。虽然上述主要以共面波导为例详细说明了本发明的校准方法，但是本领域的技术人员已知本发明同样也适用于其他微波二端口网络，例如同轴、波导和其他封装后器件接口的校准。

其中纯几何结构共面波导，例如直通Thru和传输线Line，可以通过同轴S参数和共面波导关键几何尺寸实现共面波导S参数S_L的定标，甚至不依赖于微波探针的校准和去嵌入。B类不确定度主要来源于同轴S参数和共面波导量传，不包括微波探针的不确定度，因此不确定度最佳，可以作为基准或最高标准，类比于无支撑空气线作为同轴阻抗基准或最高标准。

片上反射(驻波比)和衰减模块由于通常会采用薄膜电阻结构，难以直接通过几何量溯源，所以必须依赖探针S_Left和S_Right的去嵌入和传输线的S参数做量传。由于新增加了S_Left和S_Right的不确定度，因此不确定度不如片上相位标准，可以作为工作标准。

而且本发明提供的微波器件标准样片的校准方法，可以提取两端阻抗不一样网络的S参数，具有良好的适应性，可以分别针对共面波导芯片、微带线电路、微波测试夹具等不同应用情况进行优化，也即具有共面波导、微带电路、同轴传输线等多种实施方案。

采用某种编程平台，实现以上自动校准算法的软件设计。

本发明采用Matlab，但不局限于Matlab，等编程平台实现了本发明微波器件标准样片的校准方法。图15为本发明微波器件标准样片的校准方法的软件流程示意图，各模块说明如下：

(a)输入直通Thru、传输线Line测试结果。如前文，整个定标过程包括测量和校准两个部分。这里输入的是测量得到的S参数，格式可以是s2p，xls，csv等，数据输入方法可以是测量后文件输入，也可以是测量时实时输入。

(b)输入关键几何尺寸测试结果。对不同类型的关键几何尺寸不同。包括共面波导、微带电路、同轴传输线、波导等各种微波网络。对共面波导而言主要包括信号线宽、信号线与地线距离、衬底厚度、衬底相对介电常数等。对同轴传输线是内导体外径和外导体内径等。

(c)衬底电参数校准，包括有效介电常数、损耗角正切。算法如前文所述。

(d)直通、传输线及相位标准S参数复现。算法如前文所述。

(e)端口及传输线阻抗计算：Z0。算法如前文所述。

(f)微波探针校准：SA和SB。算法如前文所述。

(g)衰减、驻波比(反射系数)校准。算法如前文所述。

(h)人机界面显示。将校准得到的衰减、驻波比(反射系数)、相位标准等的S参数，以及端口阻抗、有效介电常数、损耗角正切等结果以图的形式显示。

(i)保存数据。将校准得到的衰减、驻波比(反射系数)、相位标准等的S参数，以及端口阻抗、有效介电常数、损耗角正切等结果以文件的形式保存。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。

Claims (3)

1.一种微波器件标准样片的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

将标准样片的校准端口迁移到微波探针的同轴接口，用微波探针分别测量标准样片的直通Thru和传输线Line，得到直通Thru和传输线Line的S参数，根据直通Thru和传输线Line的S参数得到标准样片的传播常数γ，所述微波探针的S参数不需要事先定标；

根据标准样片的传播常数γ和特征阻抗Z₀，调用预设的校准方法，分别得到从左微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Left和从右微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Right；

采用微波探针测量标准样片的标准片上管芯，结合S_Left和S_Right进行解算校准，得到片上管芯的本征S参数；

其中，根据直通Thru和传输线Line的S参数得到标准样片的传播常数γ具体包括以下步骤：

(1)分别将直通Thru和传输线Line的S参数转换到T矩阵空间，并表示为公式1和公式2：

Q_Thru＝T_Left.T_Right 公式1；

Q_Line＝T_Left.T_Line.T_Right 公式2；

在公式1和公式2中，T_Left和T_Right分别表示左右两边微波探针的同轴接口到直通Thru中间的T矩阵，Q_Thru表示直通Thru的同轴接口测量结果，T_Line表示扣除了Thru的传输线的本征T矩阵，Q_Line表示传输线Line的同轴接口测量结果；

由于直通Thru和传输线Line具有相同的共面波导几何结构，T_Line表示为公式3；

在公式3中，γ代表传播常数，Δl代表扣除了Thru的传输线长；

(2)根据公式1和公式2得到公式4；根据公式4得到公式5；根据公式5和公式3由矩阵在相似变换下的秩不变特性得到公式6，根据公式6得到传播常数γ；

在公式5中，eig()表示求解矩阵的秩；

其中，所述预设的校准方法包括基于ABCD矩阵空间的校准方法、基于TRL的校准方法；

其中，根据所述标准样片的传播常数γ和特征阻抗Z₀，调用基于ABCD矩阵空间的校准方法，得到从左微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Left和从右微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Right包括以下步骤：

(1)当测试直通模块时，由于ABCD矩阵具有级联性，测量结果A_Thru表示为公式14：

在公式14中，x₁～x₃是S参数向ABCD矩阵变换过程中的系数；

(2)用微波探针测量传输线Line时，测量结果A_Line表示为公式15：

在公式15中，表示扣除了Thru的传输线长Δl的本征ABCD矩阵，表示为公式16：

在公式16中，γ代表传播常数，Δl代表扣除了Thru的传输线长，Z₀代表特征阻抗；

(3)将测量结果A_Line从S参数变换到ABCD矩阵空间，表示为公式17：

在公式17中，x₄～x₆是S参数向ABCD矩阵变换过程中的系数；

(4)假设左右两端的微波探针对称，则左微波探针的ABCD矩阵A_Left和右微波探针的ABCD矩阵A_Right满足互易网络条件：

(5)将公式16、公式17、公式7带入到公式15中，得到y₁、y₂、y₃的表达式如公式18～公式20所示：

(a₀d₀+b₀)y₁+b₀d₀y₂+a₀y₃＝x₄ 公式18；

在公式18～公式20中，d₀＝x₃y₁＝ch(γΔl)，

(6)根据公式14，求解线性方程组公式18～公式20，得到c；

(7)根据所述c，利用公式22分别得到a、b、d，从而得到左微波探针的ABCD矩阵A_Left和右微波探针的ABCD矩阵A_Right；

(8)将A_Left和A_Right变换回S参数分别得到从微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Left和从右微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Right；

或者，其中，根据所述标准样片传播常数γ和特征阻抗Z₀，调用基于TRL的校准方法，得到从左微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Left和从右微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Right包括以下步骤：

(1)假设左右两端的微波探针对称，则从微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Left和S_Right表示为：

在公式23中s₁₁，s₁₂，s₂₁，s₂₂为S矩阵元素；

(2)直通Thru和传输线Line的S参数测量结果T和L可表示为；

其中T₁₁，T₁₂，T₂₁，T₂₂，以及L₁₁，L₁₂，L₂₁，L₂₂为S矩阵元素，T₁₁、T₁₂、L₁₁、L₁₂分别表示为公式26～29；

(3)根据传播常数γ和特征阻抗Z₀，以及测量结果T₁₁，T₁₂，以及L₁₁，L₁₂由公式26～公式29求得s₁₁，s₁₂，s₂₁，s₂₂，然后根据公式23分别得到从左微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Left和从右微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Right；

其中，采用微波探针测量标准样片的标准片上管芯，结合S_Left和S_Right进行解算校准，得到片上管芯的本征S参数包括以下步骤：

(1)采用微波探针测量标准样片的标准片上管芯，得到S矩阵，将所述S矩阵变换到T矩阵空间得到T_S，所述标准片上管芯包括衰减、驻波比、传输相位；

(2)将从左微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Left和从右微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Right变换到T矩阵空间得到T_Left和T_Right；

(3)根据T_S、T_Left和T_Right，由公式30得到片上管芯的本征T矩阵

(4)将片上管芯的本征T矩阵变换回T矩阵空间，得到片上管芯的本征S参数矩阵；

或者，其中采用微波探针测量标准样片的标准片上管芯，结合S_Left和S_Right进行解算校准，得到片上管芯的本征S参数包括以下步骤：

(1)采用微波探针测量标准样片的标准片上管芯，得到S矩阵，将所述S矩阵变换到ABCD矩阵空间得到A_S，所述标准片上管芯包括衰减、驻波比、传输相位；

(2)将从左微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Left和从右微波探针同轴接口到直通Thru中间的S参数S_Right变换到ABCD矩阵空间得到A_Left和A_Right；

(3)根据A_S、A_Left和A_Right，由公式31得到片上管芯的本征本征ABCD矩阵

(4)将片上管芯的本征ABCD矩阵变换回ABCD矩阵空间，得到片上管芯的本征S参数。

2.如权利要求1所述的微波器件标准样片的校准方法，其特征在于，对于微带电路，特征阻抗Z₀通过以下方法得到：

(1)测量直通Thru和传输线Line的关键几何尺寸，所述关键几何尺寸包括信号线宽和衬底厚度；

(2)根据直通Thru和传输线Line的关键几何尺寸由下述公式得到特征阻抗Z₀；

在公式12中，w表示信号线宽，h表示衬底厚度。

3.如权利要求1所述的微波器件标准样片的校准方法，其特征在于，对于同轴传输线，特征阻抗Z₀通过以下方法得到：

(1)测量直通Thru和传输线Line的关键几何尺寸，所述关键几何尺寸包括外导体内径和内导体外径；

(2)根据直通Thru和传输线Line的关键几何尺寸由下述公式得到特征阻抗Z₀；

在公式13中，r₁是外导体内径，r₂是内导体外径，ε_r表示有效介电常数。