CN109507565A - 一种毫米波放大器芯片测试腔体及其测试方法 - Google Patents

一种毫米波放大器芯片测试腔体及其测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种毫米波放大器芯片测试腔体及其测试方法。现有基于同轴接口的毫米波放大器芯片测试装置的工作频率最高只能至145GHz，不能满足更高频段毫米波放大器芯片的测试、模块实现以及在毫米波前端系统中的使用。本发明一种毫米波放大器芯片测试腔体，包括输入接口腔体、输入端微带探针匹配结构加载腔体、毫米波放大器芯片加载腔体、输出端微带探针匹配结构加载腔体、输出接口腔体、第一电容组合腔体和第二电容组合腔体。第一电容组合腔体、第二电容组合腔体分别设置在毫米波放大器芯片加载腔体的两侧。本发明中毫米波放大器芯片的偏置电压能够分别进行单独供电和电容旁路滤波，简化了测试腔体的结构并改善了电路的稳定性。

Description

一种毫米波放大器芯片测试腔体及其测试方法
技术领域
本发明属于微波及毫米波芯片电路中的测试腔体结构技术领域，具体涉及一种基于计算机辅助金属腔体加工技术实现毫米波放大器芯片的测试腔体。
背景技术
近年来，随着无线通信技术的迅速发展和各种无线终端的广泛使用，高速率的无线通信技术对更大的带宽和频谱资源提出了更高的要求。毫米波频段因其具有较宽的带宽、较大的容量、实现的系统易于小型化等特点引起了广泛的关注，在第五代以及下一代无线通信中具有广泛的应用前景。发展毫米波无线通信技术，在传统无线通信频率使用率越来越紧张，无线数字终端被广泛大量使用，数据传输速率越来越高的趋势下显得尤其重要。
毫米波放大器是毫米波前端系统中的关键模块之一，其性能直接影响整个系统的正常工作。比如毫米波低噪声放大器直接决定着毫米波信号的接收能力，而毫米波功率放大器则主导着毫米波系统的输出功率能力和通信距离。在射频系统中，由于波长相对较长，放大器芯片通常以各种封装形式(比如QFN、SMT等)直接焊接在印刷电路板上以同轴接口的方式来进行模块级的测试，并可以以此来构建射频前端系统。但是同轴接口形式的毫米波放大器芯片测试装置的工作频率最高只能至145GHz(0.8毫米接口)，不能满足高频段毫米波放大器芯片的测试、模块实现以及在毫米波前端系统中的使用。
发明内容
本发明的目的在于为解决毫米波放大器芯片的测试，同时尽可能减小测试结构引入的损耗，使其可以作为毫米波放大器模块进行应用，而提出一种毫米波放大器芯片测试腔体。
本发明一种毫米波放大器芯片测试腔体，包括输入接口腔体、输入端微带探针匹配结构加载腔体、毫米波放大器芯片加载腔体、输出端微带探针匹配结构加载腔体、输出接口腔体、第一电容组合腔体和第二电容组合腔体。所述的输入接口腔体、输入端微带探针匹配结构加载腔体、毫米波放大器芯片加载腔体、输出端微带探针匹配结构加载腔体和输出接口腔体依次连接。
所述的第一电容组合腔体、第二电容组合腔体分别设置在毫米波放大器芯片加载腔体的栅极电压侧、漏极电压侧。所述的第一电容组合腔体包括互相连通的第一芯片电容加载腔体和第一穿心电容加载腔体。第一芯片电容加载腔体与毫米波放大器芯片加载腔体的栅极电压侧连通。第二电容组合腔体包括互相连通的第二芯片电容加载腔体和第二穿心电容加载腔体。第二芯片电容加载腔体与毫米波放大器芯片加载腔体的漏极电压侧连通。
所述的第一电容组合腔体内设置有第一电容组件。第一电容组件包括通过键合线互相并联的芯片电容C1、芯片电容C2和穿心电容C3。第二电容组合腔体内设置有第二电容组件。第二电容组件包括通过键合线互相并联的芯片电容C4、芯片电容C5和穿心电容C6。
所述的输入端微带探针匹配结构加载腔体内设置有输入端微带探针匹配结构。所述的输出端微带探针匹配结构加载腔体内设置有输出端微带探针匹配结构。所述的输入端微带探针匹配结构和输出端微带探针匹配结构结构相同，均包括微带探针和微带匹配结构。微带探针与微带匹配结构的一端连接。微带匹配结构包括依次级联的n段阻抗线，2≤n≤6。输入端微带探针匹配结构内的微带探针伸入输入接口腔体。输出端微带探针匹配结构内的微带探针伸入输出接口腔体。
进一步地，所述的输入端微带探针匹配结构及输出端微带探针匹配结构均采用石英基板或化合物集成电路加工工艺实现。
进一步地，所述的芯片电容C1设置在第一芯片电容加载腔体内。所述的芯片电容C2设置在第一芯片电容加载腔体与第一穿心电容加载腔体的连接处。所述的穿心电容C3设置在第一穿心电容加载腔体内。所述穿心电容C3的一个接电线端与外部输入电压连接，另一个接电线接地。所述的芯片电容C4设置在第二芯片电容加载腔体内。所述的芯片电容C5设置在第二芯片电容加载腔体6与第二穿心电容加载腔体的连接处。所述的穿心电容C6设置在第二穿心电容加载腔体内。所述穿心电容C6的一个接电线与外部输入电压连接，另一个接电线端接地。
该毫米波放大器芯片测试腔体的测试方法具体如下：
步骤一、将被测毫米波放大器芯片放入毫米波放大器芯片加载腔体。将第一电容组件放入第一电容组合腔体内。将第二电容组件放入第二电容组合腔体内。将输入端微带探针匹配结构放入输入端微带探针匹配结构加载腔体内。将输出端微带探针匹配结构放入输出端微带探针匹配结构加载腔体内。
步骤二、用键合线连接被测毫米波放大器芯片的输入端与输入端微带探针匹配结构内最远离微带探针的阻抗线、被测毫米波放大器芯片的输出端与输出端微带探针匹配结构内最远离微带探针的阻抗线。用键合线将被测毫米波放大器芯片的栅极供电接口与芯片电容C1并联。用键合线将被测毫米波放大器芯片的漏极供电接口与芯片电容C4并联。
步骤三、在穿心电容C3、穿心电容C6上分别接入栅极供电电压、漏极供电电压，为被测毫米波放大器芯片供电。从输入接口腔体输入毫米波输入信号，并在输出接口腔体接收放大后的毫米波输出信号。根据毫米波输出信号相对于毫米波输入信号的放大倍数，判断被测毫米波放大器芯片的性能。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明采用微带探针匹配结构实现对毫米波信号在接口腔体和毫米波放大器芯片之间的宽带匹配，减小了测试结构的损耗，设计结构简单。
2、本发明采用芯片电容加载腔体和穿心电容加载腔体实现对毫米波放大器芯片栅极电压和漏极电压的供电，使得毫米波放大器芯片的偏置电压甚至正负电压能够分别进行单独供电和电容旁路滤波，简化了测试腔体的结构并改善了电路的稳定性。
3、本发明能够有效且精准地进行针对基于波导接口尤其是频率高于145GHz毫米波的毫米波放大器芯片的测试。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中隐藏第二电容组合腔体和第二电容组件的三维结构示意图；
图3为本发明中输入端微带探针匹配结构的结构示意图；
图4(a)为本发明的一种具体实例中输入端微带探针匹配结构或输出端微带探针匹配结构的插入损耗与频率的关系曲线图；
图4(b)为本发明的一种具体实例中输入端微带探针匹配结构或输出端微带探针匹配结构的回波损耗与频率的关系曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，一种毫米波放大器芯片测试腔体，包括输入接口腔体1、输入端微带探针匹配结构加载腔体2、毫米波放大器芯片加载腔体3、输出端微带探针匹配结构加载腔体4、输出接口腔体5、第一电容组合腔体和第二电容组合腔体。毫米波放大器芯片测试腔体采用计算机辅助金属腔体加工技术实现，在黄铜材料上加工得到。
所述输入接口腔体1、输入端微带探针匹配结构加载腔体2、毫米波放大器芯片加载腔体3、输出端微带探针匹配结构加载腔体4和输出接口腔体5依次连接，实现对毫米波信号的放大和输出。
第一电容组合腔体、第二电容组合腔体分别设置在毫米波放大器芯片加载腔体3的栅极电压侧、漏极电压侧。第一电容组合腔体包括互相连通的第一芯片电容加载腔体6和第一穿心电容加载腔体7。第一芯片电容加载腔体6与毫米波放大器芯片加载腔体3的栅极电压侧连通。第一电容组合腔体用以实现对毫米波放大器芯片栅极电压的单独供电和旁路滤波。第二电容组合腔体包括互相连通的第二芯片电容加载腔体8和第二穿心电容加载腔体9。第二芯片电容加载腔体8与毫米波放大器芯片加载腔体3的漏极电压侧连通。第二电容组合腔体用以实现对毫米波放大器芯片栅极电压的单独供电和旁路滤波。
第一电容组合腔体内设置有第一电容组件。第一电容组件包括通过键合线互相并联的芯片电容C1、芯片电容C2和穿心电容C3。芯片电容C1设置在第一芯片电容加载腔体6内。芯片电容C2设置在第一芯片电容加载腔体6与第一穿心电容加载腔体7的连接处。穿心电容C3设置在第一穿心电容加载腔体7内。穿心电容C3的一个接电线端与外部输入电压连接，另一个接电线接地。
第二电容组合腔体内设置有第二电容组件。第二电容组件包括通过键合线互相并联的芯片电容C4、芯片电容C5和穿心电容C6。芯片电容C4设置在第二芯片电容加载腔体8内。芯片电容C5设置在第二芯片电容加载腔体6与第二穿心电容加载腔体9的连接处。穿心电容C6设置在第二穿心电容加载腔体9内。穿心电容C6的一个接电线与外部输入电压连接，另一个接电线端接地。
如图1和3所示，输入端微带探针匹配结构加载腔体2内设置有输入端微带探针匹配结构10。输出端微带探针匹配结构加载腔体4内设置有输出端微带探针匹配结构11。
输入端微带探针匹配结构10和输出端微带探针匹配结构11结构相同，均包括微带探针10-1、微带匹配结构10-2和基板10-3。微带探针10-1、微带匹配结构10-2均设置在基板10-3上。微带探针10-1与微带匹配结构10-2的一端连接。微带匹配结构10-2包括依次级联的n段阻抗线，n＝4，用以实现微带探针与毫米波放大器芯片之间的匹配。输入端微带探针匹配结构及输出端微带探针匹配结构均采用石英基板或化合物集成电路加工工艺实现。微带探针及四段阻抗线的宽度、长度分别根据三维电磁仿真工具设计得到。输入端微带探针匹配结构10内的微带探针10-1伸入输入接口腔体1。输出端微带探针匹配结构11内的微带探针10-1伸入输出接口腔体5。
该毫米波放大器芯片测试腔体的测试方法具体如下：
步骤一、将被测毫米波放大器芯片放入毫米波放大器芯片加载腔体3。将第一电容组件放入第一电容组合腔体内。将第二电容组件放入第二电容组合腔体内。将输入端微带探针匹配结构10放入输入端微带探针匹配结构加载腔体2内。将输出端微带探针匹配结构11放入输出端微带探针匹配结构加载腔体4内。
步骤二、用键合线连接被测毫米波放大器芯片的输入端与输入端微带探针匹配结构10内最远离微带探针10-1的阻抗线、被测毫米波放大器芯片的输出端与输出端微带探针匹配结构11内最远离微带探针10-1的阻抗线。用键合线将被测毫米波放大器芯片的栅极供电接口与芯片电容C1并联。用键合线将被测毫米波放大器芯片的漏极供电接口与芯片电容C4并联。
步骤三、在穿心电容C3、穿心电容C6上分别接入栅极供电电压、漏极供电电压，为被测毫米波放大器芯片供电。从输入接口腔体1输入毫米波输入信号，并在输出接口腔体5接收放大后的毫米波输出信号。根据毫米波输出信号相对于毫米波输入信号的放大倍数，判断被测毫米波放大器芯片的性能。被测毫米波放大器芯片被判断为合格后，本发明结合装入的被测毫米波放大器芯片，能够直接作为毫米波放大模块进行使用。
以220GHz频段亚毫米波低噪声放大器芯片作为被测毫米波放大器芯片进行举例，对本发明进行描述。
实施例中被测毫米波放大器芯片采用GaAs HEMT工艺实现，工作频率220～230GHz频段。被测毫米波放大器芯片采用四级共源放大结构，毫米波输入输出采用信号-地-信号(GSG)结构，具有两个栅极电压供电焊盘(PAD)和两个漏极电压供电焊盘(PAD)，芯片面积为2150μm×1000μm，厚度为50μm。
实施例中输入接口波导和输出接口波导均为WR4规格(170～260GHz)，尺寸为1.1mm×0.55mm；输入端微带探针匹配结构加载腔2和输出端微带探针匹配结构加载腔体4的尺寸均为450μm×250μm；毫米波放大器芯片加载腔体3的尺寸为2.35mm×1.25mm。芯片电容C1及芯片电容C4的电容值均为100pF；芯片电容C2及芯片电容C5的电容值均为1000pF；穿心电容C3及穿心电容C6的电容值均为0.1μF。
实施例中输入端微带探针匹配结构10及输出端微带探针匹配结构11均采用石英基板加工工艺实现，厚度为50μm。其中，微带探针10-1的尺寸为275μm×60μm；微带匹配结构中四段高低阻抗线的宽度分别为140μm、220μm、60μm、230μm，长度分别为210μm、210μm、100μm、80μm。输入端微带探针匹配结构10及输出端微带探针匹配结构11与毫米波放大器芯片GSG PAD之间的空隙均为30μm，且均采用尽可能短的键合线进行连接。
采用HFSS三维电磁仿真工具对输入接口腔体1、输入端微带探针匹配结构10及与被测毫米波放大器芯片输入GSG PAD连接键合线构成的单边测试腔体结构进行电磁场仿真和优化，其结果如图4(a)和图4(b)所示。图4(a)中可以看出，输入端微带探针匹配结构或输出端微带探针匹配结构的插入损耗在190～236GHz频段内均小于-0.5dB。图4(b)中可以看出，输入端微带探针匹配结构或输出端微带探针匹配结构的回波损耗在196～240GHz频段内均小于-20dB。
以上内容是结合具体的实施案例对本发明作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所述技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，对本发明的各组成部件、位置关系及连接方式在不改变其功能的情况下，进行的等效变换或替代，也落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种毫米波放大器芯片测试腔体，包括输入接口腔体、输入端微带探针匹配结构加载腔体、毫米波放大器芯片加载腔体、输出端微带探针匹配结构加载腔体、输出接口腔体、第一电容组合腔体和第二电容组合腔体；其特征在于：所述的输入接口腔体、输入端微带探针匹配结构加载腔体、毫米波放大器芯片加载腔体、输出端微带探针匹配结构加载腔体和输出接口腔体依次连接；
所述的第一电容组合腔体、第二电容组合腔体分别设置在毫米波放大器芯片加载腔体的栅极电压侧、漏极电压侧；所述的第一电容组合腔体包括互相连通的第一芯片电容加载腔体和第一穿心电容加载腔体；第一芯片电容加载腔体与毫米波放大器芯片加载腔体的栅极电压侧连通；第二电容组合腔体包括互相连通的第二芯片电容加载腔体和第二穿心电容加载腔体；第二芯片电容加载腔体与毫米波放大器芯片加载腔体的漏极电压侧连通；
所述的第一电容组合腔体内设置有第一电容组件；第一电容组件包括通过键合线互相并联的芯片电容C1、芯片电容C2和穿心电容C3；第二电容组合腔体内设置有第二电容组件；第二电容组件包括通过键合线互相并联的芯片电容C4、芯片电容C5和穿心电容C6；
所述的输入端微带探针匹配结构加载腔体内设置有输入端微带探针匹配结构；所述的输出端微带探针匹配结构加载腔体内设置有输出端微带探针匹配结构；所述的输入端微带探针匹配结构和输出端微带探针匹配结构结构相同，均包括微带探针和微带匹配结构；微带探针与微带匹配结构的一端连接；微带匹配结构包括依次级联的n段阻抗线，2≤n≤6；输入端微带探针匹配结构内的微带探针伸入输入接口腔体；输出端微带探针匹配结构内的微带探针伸入输出接口腔体。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波放大器芯片测试腔体，其特征在于：所述的输入端微带探针匹配结构及输出端微带探针匹配结构均采用石英基板或化合物集成电路加工工艺实现。
3.根据权利要求1所述的一种毫米波放大器芯片测试腔体，其特征在于：所述的芯片电容C1设置在第一芯片电容加载腔体内；所述的芯片电容C2设置在第一芯片电容加载腔体与第一穿心电容加载腔体的连接处；所述的穿心电容C3设置在第一穿心电容加载腔体内；所述穿心电容C3的一个接电线端与外部输入电压连接，另一个接电线接地；所述的芯片电容C4设置在第二芯片电容加载腔体内；所述的芯片电容C5设置在第二芯片电容加载腔体6与第二穿心电容加载腔体的连接处；所述的穿心电容C6设置在第二穿心电容加载腔体内；所述穿心电容C6的一个接电线与外部输入电压连接，另一个接电线端接地。
4.如权利要求1所述的一种毫米波放大器芯片测试腔体的测试方法，其特征在于：步骤一、将被测毫米波放大器芯片放入毫米波放大器芯片加载腔体；将第一电容组件放入第一电容组合腔体内；将第二电容组件放入第二电容组合腔体内；将输入端微带探针匹配结构放入输入端微带探针匹配结构加载腔体内；将输出端微带探针匹配结构放入输出端微带探针匹配结构加载腔体内；
步骤二、用键合线连接被测毫米波放大器芯片的输入端与输入端微带探针匹配结构内最远离微带探针的阻抗线、被测毫米波放大器芯片的输出端与输出端微带探针匹配结构内最远离微带探针的阻抗线；用键合线将被测毫米波放大器芯片的栅极供电接口与芯片电容C1并联；用键合线将被测毫米波放大器芯片的漏极供电接口与芯片电容C4并联；
步骤三、在穿心电容C3、穿心电容C6上分别接入栅极供电电压、漏极供电电压，为被测毫米波放大器芯片供电；从输入接口腔体输入毫米波输入信号；并在输出接口腔体接收放大后的毫米波输出信号；根据毫米波输出信号相对于毫米波输入信号的放大倍数，判断被测毫米波放大器芯片的性能。
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