双端口器件的W波段噪声系数测试

双端口器件的W波段噪声系数测试

刘畅

(合肥鸣鸿微电子科技有限公司)

摘  要本文主要演示了在同轴与on-wafer环境下分别进行噪声系数测试的方法，以及如何在搭建基于Y因子法测试W波段噪声系数的测试系统。同时对系统中存在测测试误差如何测试与有效去除，同时对测试方法中可能还存在的误差做了进一步分析。

关键词MMIC芯片测试，NF，on-wafer，Y因子法

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1  引言

噪声系数是接收机一个非常重要的指标，在过去的几年中，我有幸参与到不同团体针对不同器件和模组或者整机的噪声系数测试的任务中，这些团体中有专业的芯片设计者，芯片工艺人员，微电子学博士，半导体从业者，从事前沿课题研发的研究员，他们都非常关心自己所做器件的噪声系数指标，这些年我清楚的感受到针对MMIC（单片微波集成电路）器件的这场电子行业的变革在悄然而迅速的蔓延：系统性能的巨大改进，硬件尺寸愈小而集成度愈高，频带变宽而频率越来越高。这种改变导致了我们的器件尺寸更小而使用的频段却越来越高。同时毫米波频段的频繁使用又对噪声系数的可靠性和准度提出了巨大的挑战。它要求我们测试必须是简单的，高精度的，可重复的，同时要求我们对不同环境和条件状况下的影响有充分认识和预判。在这些年的测试中，不止一次被很多技术卓然精深的老师傅惊艳，他们仅仅依靠输入输入功率或者信噪比就能大致判断出噪声系数的区间，这是合理的，因为噪声系数这个指标本身就是用来衡量器件信噪比的恶化情况。但是随着使用频率的上升带来的损耗急剧增加以及寄生影响，这种评估误差也变得越来越大，最后甚至导致很多误导。这样就非常需要用准确的测试来表征这个参数。以下讨论的是双端口器件的W波段噪声系数测试，以W波段为例，来对噪声测试在毫米波频段上进行说明，同理可以使用在其他波段。以下引用数据是我们的实际测试的原始数据，其中可能会引进由于操作因素等引起的随机误差。

2  毫米波下的噪声系数测试

2.1矢网校准与高低温测试

   实验室拥有目前业内最先进的Keysight N5290A矢网测试系统，其中配备了029噪声接收机和S93029A选件，其中S93029A 噪声系数应用软件能够利用是德科技独特的矢量源校正技术，对放大器、频率转换器和混频器进行高精度的噪声系数和噪声功率测量。

即便拥有如此先进的测试系统和齐全的选件，N5290A的噪声系数测试能力依然无法全面覆盖到110G，目前MMIC实验室的110G矢网测试系统可以覆盖测试（噪声系数）：

LNA等非变频器件：10MHz-50GHz

混频器等变频器件：10MHz-110GHz

从上面的测试范围来看有两个区域覆盖不到: 10MHz以下频率范围是规范死区我们不做讨论，我们关心LNA 50GHz-110GHz频段噪声系数测试。

   噪声系数是接收机一个非常重要的指标，其反应的是接收机从自由空间的噪声中提取有用信号的能力。 从测试原理上将噪声系数测试分为Y因子法和冷源法，Y因子法是根据噪声源的冷态和热态两种状态来计算噪声系数，一般噪声系数分析仪就是采用这种方法[3]。冷源法则是根据噪声源的冷态和DUT的增益进行计算。MMIC实验室的N5290A矢网测试系统用的就是冷源测试法。

2.2探针台在片噪声系数测试

片上噪声系数测试分为两部，第一步校准，第二步片上测试。

第一步校准

设置NFA参数，将噪声源直接通过波导腔体与下变频器端口连接，在NFA上选择校准选项，校准完成后的噪声系数和增益在0附近，连接波导腔体时由于是硬连接，注意波导腔体定位准确，避免因为连接不紧密、错位等带来的误差和对接口的伤害。

   校准完成后，即可进行片上测试了，在进行片上测试时，因为需要配合探针台以及探针使用，因此需要先确定NFA, EXG, 噪声源，下变频器在探针台上的相对位置和电源连线，以及确认噪声源与下变频器与探针连接、转接方式。布置好之即可确定噪声源—DUT—下变频器的连接，接着我们要先测出噪声源—DUT与DUT—下变频器之间的连线，转接头和探针的插入损耗。

   上文有提到过，波同转换接头和线缆在整个测试中有非常特殊的意义，应该给予足够重视。因为在噪声源—DUT与DUT—下变频器之间的插入损耗会极大影响噪声系数的测试，而在W波段插损会变得非常大，因此我们尽量选择性能稳定的转接头和线缆，减少转接带来的测试误差。同时还要考虑1.0mm接头极性问题，一般波同转换接口都是Female，探针的接口也是Female，因此需要两个1.0mm Male-Male的转接头，并且需要将这两个转接头的插损也考虑进去。

图1 插入损耗数据  

测试出线缆插损后，我们还需要加入探针的插损数据。

75GHz-110GHz的噪声系数测试，之所以叫做噪声测试系统，是因为无法用一台设备或者某个品牌的设备来完成此项测试。我们目前的测试方案是：

Farran Technology的W波段噪声源和下变频器+Keysight的N8976B NFA

+ Keysight的N5173B EXG

+ Keysight的W281C波同转换

+Cascade12000探针台

+TOTOKU的1.0mm线缆。

波同转换接头和线缆在整个测试中有非常特殊的意义，因此应该给予足够重视。

测试系统的原理非常简单，用75GHz-110GHz噪声源提供W频段的白噪声，通过DUT后进入下变频器，通过下变频器混频将频率降低，进入NFA进行噪声系数分析。连接框图如下：

图2  噪声测试系统连接方案

测试出线缆插损后，我们还需要加入探针的插损数据。

将两组数据求和，分别输入NFA中Loss comp菜单下的的Before DUT和After DUT的表格中。

至此，在片上测试之前的准备工作就全部做好了，可以连接DUT进行噪声系数测试了。

3  结论

噪声系数测试在实际操作中会受到环境温度影响，从其噪声温度定义中对测试的影响结果来看，低温会使插损变小，器件整体性能变好。而高温会使插损变大，这符合分子热运动规律。从Y因子法测试方法的角度来讲，整体性能变化导致校准补偿出现误差，85℃温度点的在75GHz的误差大约在0.5dB漂移，而同时由于探针针尖与芯片平面接触产生的寄生与阻抗失配，同样加剧了这种测试误差。因此，在测试之前评估自己的待测器件的噪声系数尤显重要，这一点需由设计者自己来完成，同时考虑到由于连接中波导接头失配和环境温度变化带来的测试影响，因此在长时间下噪声系数的不确定度很难保证。同时这也对一个测试工程师的测试水平有很高要求。因此，建议射频工程师将这项测试当成一件系统性工作去对待。 事实上，还会经常遇到需要on-wafer做噪声系数筛选的测试，这种多个芯片大范围的噪声测试，要在测试中严密监控测试参数，防止出现温度和补偿漂移。

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