CN117031116A - 一种片上微波功率精密测量方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种片上微波功率精密测量方法及其系统，包括检测芯片，计算模块，DC源，微波信号源、探针台和电压表，所述微波信号源的输出端和所述DC源的输出端分别与所述探针台的探针连接，所述测试芯片上设置有热电偶和共面波导线，所述测试芯片包括量热芯片和短路芯片，所述探针的输出端通过所述共面波导线与所述测试芯片的输入端连接，所述测试芯片的输出端通过所述热电偶与所述电压表的信号输入端连接，所述电压表的输出端与所述计算模块连接；本发明无需测量和修正探针的插入损耗，采用量热方式直接测量探针端口的功率，避免了测量过程中带来的误差，提高功率测量的准确性。

Description

一种片上微波功率精密测量方法及其系统

技术领域

本发明涉及微波功率测量技术技术领域，尤其涉及一种片上微波功率精密测量方法及其系统。

背景技术

功率参数是功率是描述信号大小和信号通过电子系统或传输线时能量传输特性的量，是无线电应用中最广泛的一个基础参数，其中，功率是衡量信号强弱以及影响探测距离的一个重要指标；微波芯片的指标通常是在探针台上进行测试的，通过微波探针接触微波芯片的测试端口来测量微波芯片的参数指标。

传统的在片功率参数测量方法如下：首先将输入输出探针连接直通校准件，利用已在同轴端口校准好的标量或者矢量网络分析仪测量输入输出两个微波探针的插入损耗，然后移去网络分析仪，将被测功率放大器放在探针台上，信号源连接至输入探针，功率敏感器连接至输出探针，测量不同源激励下功率计的读数；最后将功率计的读数减去微波探针插损就得到器件在片输出端口处的功率值，并由此可计算1dB压缩点、增益、附加效率等与功率相关的各项参数。

这种方法存在的问题是需要通过网络分析仪测量探针的插入损耗，而探针的插入损耗精确测量有困难，主要原因：1.网络分析仪测量插入损耗由于线缆移动、系统稳定性等原因通常测量不确定度水平较大(相比功率测量来说)，通过网分测量的探针插入损耗来修正功率测量值会显著增大功率测量的不确定度，造成测量不准确；2.网分测量探针插入损耗的方法要求两个完全一样的探针通过直通线连接，这在实际中很难做到，由此会造成插入损耗测量不准，从而影响功率测量，因此需要一种片上微波功率精密测量方法及其系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以准确得到微波探针端口的功率，通过片上微波功率量热芯片来测量探针端口的微波功率，可以实现微波功率到直流功率的溯源高精度和准确度的片上微波功率精密测量的方法及其系统。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

本发明包括检测芯片，计算模块，DC源，微波信号源、探针台和电压表，所述微波信号源的输出端和所述DC源的输出端分别与所述探针台的探针连接，所述测试芯片上设置有热电偶和共面波导线，所述测试芯片包括量热芯片和短路芯片，所述探针的输出端通过所述共面波导线与所述测试芯片的输入端连接，所述测试芯片的输出端通过所述热电偶与所述电压表的信号输入端连接，所述电压表的输出端与所述计算模块连接；

所述微波信号源用于提供稳定的信号激励；

所述微波功率量热芯片用于获取负载温升的热电势信号获得芯片吸收功率值，通过交替加入微波功率和直流功率得到热电偶温度变化的关系测量量热芯片热电偶输出电压就计算得到探针端口的输出功率；

计算模块用于通过检测量热芯片热电偶输出电压就计算得到探针端口的输出功率。

进一步地，所述微波信号源的输出端和所述DC源的输出端通过手动开关分别与所述探针台的探针连接用以分别检测所述量热芯片和短路芯片，所述量热芯片用于检测射频功率实验和直流功率实验的参数，所述短路芯片用于检测检测射频功率实验的参数。

进一步地，所述射频功率实验包括将微波信号源通过功分器相连，所述功分器的一端与功率探头连接，所述功分器的另一端通过射频传输线与射频针连接，通过监测功率计实时监测信号源的输出，设置信号源输出，通过电压表可以实时测出热电偶的输出电压E_rf。

进一步地，所述直流功率实验包括将所述探针与所述DC源连接，所述DC源给所述量热芯片提供0.05mW-100mW的直流功率，通过所述电压表可以实时测出热电偶的输出电压E_dc。

在另一个方面，一种片上微波功率精密测量方法，通过量热芯片和短路量热芯片切换测量来计算芯片吸收功率，包括以下步骤：

A将检测芯片与所述探针台连接，所述检测芯片包括所述量热芯片和短路芯片；

B将所述探针台的探针与所述检测芯片的热电偶电极相连，射频针与所述检测芯片的共面波导线连接，所述量热芯片用于检测射频功率实验和直流功率实验的参数，所述短路芯片用于检测检测射频功率实验的参数。

C所述量热芯片通过交替加入微波功率和直流功率得到热电偶温度变化的关系，所述短路芯片通过射频功率实验确定芯片上传输损耗贡献系数测量量热芯片热电偶输出电压就可以计算得到探针端口的输出功率。

进一步地，所述短路芯片加入射频功率以及功分器旁臂监测加入的射频功率，测量芯片短路结构情况下热电偶的输出，从而获得传输线的热电偶响应系数K_a。

进一步地，所述量热芯片的净功率的计算公式为

其中，K_a是热电偶对传输线吸收功率的响应，K_dc为热电偶对芯片吸收直流校准功率的响应，E_rf为给芯片加入射频功率时热电偶的输出电压，|S₂₁|为共面波导线的传输系数。

本发明的有益效果是：

本发明是一种片上微波功率精密测量方法及其系统，与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

本发明无需测量和修正探针的插入损耗，采用量热方式直接测量探针端口的功率，无需测量和修正探针插损，避免了测量过程中带来的误差，提高功率测量的准确性。

附图说明

图1为本发明一种片上微波功率精密测量系统的结构示意图。

图2为本发明一种片上微波功率精密测量系统热电偶对直流功率的响应示意图；

图3为本发明一种片上微波功率精密测量系统热电偶对射频功率的响应示意图；

图4为本发明一种片上微波功率精密测量系统的短路器实验结果图；

图5为本发明一种片上微波功率精密测量系统量热芯片的测量功率示意图；

具体实施方式

下面以及具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明一种片上微波功率精密测量方法包括以下步骤：

如图1所示，本发明包括检测芯片，计算模块，DC源，微波信号源、探针台和电压表，所述微波信号源的输出端和所述DC源的输出端分别与所述探针台的探针连接，所述测试芯片上设置有热电偶和共面波导线，所述测试芯片包括量热芯片和短路芯片，所述探针的输出端通过所述共面波导线与所述测试芯片的输入端连接，所述测试芯片的输出端通过所述热电偶与所述电压表的信号输入端连接，所述电压表的输出端与所述计算模块连接；

所述微波信号源用于提供稳定的信号激励；

所述微波功率量热芯片用于获取负载温升的热电势信号获得芯片吸收功率值，通过交替加入微波功率和直流功率得到热电偶温度变化的关系测量量热芯片热电偶输出电压就计算得到探针端口的输出功率；

计算模块用于通过检测量热芯片热电偶输出电压就计算得到探针端口的输出功率。

测量装置系统如图1所示，测量系统包括微波功率量热芯片、微波信号源、探针台、电压表及电缆组成，微波信号源为系统提供稳定的信号激励，量热芯片通过芯片匹配负载温升的热电势信号获得芯片吸收功率值。通过交替加入微波功率和直流功率得到热电偶温度变化的关系，通过短路器实验确定芯片上传输损耗贡献系数，从而建立起来微波功率和直流功率的关系，也即通过测量量热芯片热电偶输出电压就可以计算得到探针端口的输出功率。

如图1所示,本发明测量原理如下：

量热芯片的稳态温升正比于量热芯片吸收的功率，因此，热电偶两端产生的热电势E与负载吸收的功率P成正比，即

E＝KP

当给量热芯片加入高频功率时，其吸收的净功率为P_gs，此时可以得到热电偶两端的热电势为

E_gs＝KP_gs

其中，K为热电偶对净功率P_gs的响应系数。

实际上P_gs是由芯片负载吸收的功率P_gL和传输线共面波导线吸收的功率P_a两部分构成。因此高频测量中

E_gs＝K₁P_gL+K_aP_a

其中K₁是热电偶对匹配负载吸收功率P_gL的响应系数，K_a是热电偶对传输线吸收功率P_a的响应系数。

同理给量热芯片加入直流校准功率P_dc时热电偶输出热电势为

E_dc＝K_dcP_dc

由于吸收负载体积极小，可以认为K₁＝K_dc，因此

E_gs＝K_dcP_gL+K_aP_a

通过测量同样长度的共面波导线的传输系数S₂₁来获得量热芯片的共面波导线传输线的S₂₁，通过效率公式就可以得到传输线损耗功率P_a

P_a＝P_gs-P_gL＝(1-|S₂₁|²)P_gs

芯片吸收的净功率为

给设计的短路量热芯片加入射频功率，功分器旁臂监测加入的射频功率，测量芯片短路结构情况下热电偶的输出，从而获得传输线的热电偶响应系数K_a。

通过以上方式可以得到公式中每个参数的值，从而可以计算得到量热芯片吸收的微波功率，从而就可以得到探针端口的微波功率。

首先将微波芯片放置在Cascade探针台上，操作探针台将直流针与芯片预留的热电偶两电极相连，射频针与芯片的共面波导线相连，然后通过导线将直流针与电压表相连用来监测热电偶的输出电压。

直流功率实验：射频针与2420源表相连，利用2420源表给芯片提供0.05mW-10mW的直流功率，通过34420电压表可以实时测出热电偶的输出电压E_dc，由此可以得到热电偶对直流功率的响应灵敏度K_dc＝0.024031mW/mV，如图2所示为本发明一种片上微波功率精密测量系统热电偶对直流功率的响应示意图；

射频功率实验：为了监测信号源的输出功率，将信号源与一分二功分器相连，功分器一端与功率探头相连，通过监测功率计实时监测信号源的输出；功分器另一端通过射频传输线与射频针相连，设置信号源输出，通过34420电压表可以实时测出热电偶的输出电压E_rf，如图3为本发明一种片上微波功率精密测量系统热电偶对射频功率的响应示意图。

短路器实验：选择负载短路的芯片，完成实验设备连接，设置信号源输出，通过34420A电压表可以实时测出热电偶的输出电压，短路器实验1GHz时热电偶的响应，计算可得不同频率下传输线的热电偶响应K_a，如图4为本发明一种片上微波功率精密测量系统的短路器实验结果图。

表格1同频率下传输线的热电偶响应K_a

根据公式，计算可得量热芯片的测量功率，如图5为本发明一种片上微波功率精密测量系统量热芯片的测量功率示意图。

芯片吸收的功率的公式及参数定义：

其中，K_a是热电偶对传输线吸收功率的响应，K_dc为热电偶对芯片吸收直流校准功率的响应，E_rf为给芯片加入射频功率时热电偶的输出电压，|S₂₁|为共面波导线的传输系数。

对芯片吸收净功率的测量不确定度分析包括了P_gs的重复性，测量不确定度分量K_a、K_dc、E_rf、|S₂₁|，分别对其不确定度进行A、B类评定后，再进行合成，得到测量不确定度为2.3％～3.4％(k＝2)。

传统测量方法主要不确定度来源包括同轴功率传感器测量值、探针的插入损耗、探针的插损不一致性、探针和传感器间失配的影响等，测量不确定度在3％～5％(k＝2)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种片上微波功率精密测量系统，其特征在于,包括检测芯片，计算模块，DC源，微波信号源、探针台和电压表，所述微波信号源的输出端和所述DC源的输出端分别与所述探针台的探针连接，所述测试芯片上设置有热电偶和共面波导线，所述测试芯片包括量热芯片和短路芯片，所述探针的输出端通过所述共面波导线与所述测试芯片的输入端连接，所述测试芯片的输出端通过所述热电偶与所述电压表的信号输入端连接，所述电压表的输出端与所述计算模块连接；

所述微波信号源用于提供稳定的信号激励；

所述微波功率量热芯片用于获取负载温升的热电势信号获得芯片吸收功率值，通过交替加入微波功率和直流功率得到热电偶温度变化的关系测量量热芯片热电偶输出电压就计算得到探针端口的输出功率；

计算模块用于通过检测量热芯片热电偶输出电压就计算得到探针端口的输出功率。

2.根据权利要求1所述一种片上微波功率精密测量方法，其特征在于，所述微波信号源的输出端和所述DC源的输出端通过手动开关分别与所述探针台的探针连接用以分别检测所述量热芯片和短路芯片，所述量热芯片用于检测射频功率实验和直流功率实验的参数，所述短路芯片用于检测检测射频功率实验的参数。

3.根据权利要求2所述一种片上微波功率精密测量方法，其特征在于，所述射频功率实验包括将微波信号源通过功分器相连，所述功分器的一端与功率探头连接，所述功分器的另一端通过射频传输线与射频针连接，通过监测功率计实时监测信号源的输出，设置信号源输出，通过电压表可以实时测出热电偶的输出电压E_rf。

4.根据权利要求2所述一种片上微波功率精密测量方法，其特征在于，所述直流功率实验包括将所述探针与所述DC源连接，所述DC源给所述量热芯片提供0.05mW-100mW的直流功率，通过所述电压表可以实时测出热电偶的输出电压E_dc。

5.一种片上微波功率精密测量方法，其特征在于，通过量热芯片和短路量热芯片切换测量来计算芯片吸收功率，包括以下步骤：

A将检测芯片与所述探针台连接，所述检测芯片包括所述量热芯片和短路芯片；

B将所述探针台的探针与所述检测芯片的热电偶电极相连，射频针与所述检测芯片的共面波导线连接，所述量热芯片用于检测射频功率实验和直流功率实验的参数，所述短路芯片用于检测检测射频功率实验的参数。

C所述量热芯片通过交替加入微波功率和直流功率得到热电偶温度变化的关系，所述短路芯片通过射频功率实验确定芯片上传输损耗贡献系数测量量热芯片热电偶输出电压就可以计算得到探针端口的输出功率。

6.根据权利要求5所述一种片上微波功率精密测量方法，其特征在于，所述短路芯片加入射频功率以及功分器旁臂监测加入的射频功率，测量芯片短路结构情况下热电偶的输出，从而获得传输线的热电偶响应系数K_a。

7.根据权利要求5所述一种片上微波功率精密测量方法，其特征在于，所述检测芯片的净功率的计算公式为

其中，K_a是热电偶对传输线吸收功率的响应，K_dc为热电偶对芯片吸收直流校准功率的响应，E_rf为给芯片加入射频功率时热电偶的输出电压，|S₂₁|为共面波导线的传输系数。