在所有射頻和微波系統(tǒng)中幾乎都要用到放大器，放大器也是通信、雷達(dá)和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)中必不可少的單元，因此應(yīng)用非常廣泛。在平時(shí)的測量中，更多地關(guān)注放大器的線性參數(shù)，如增益和回波損耗，但當(dāng)放大器的輸入功率超過一定值后，會(huì)脫離線性增益區(qū)域使放大器接近飽和狀態(tài)（即增益壓縮），如圖1所示，相對于線性增益下降1dB的輸入（輸出）功率電平稱為1dB壓縮點(diǎn)。

圖1  放大器的輸入輸出特性

功率過大帶來的增益下降、諧波增大等問題，會(huì)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來麻煩甚至毀滅性的破壞。放大器芯片在使用時(shí)希望工作狀態(tài)在線性區(qū)，因此增益壓縮測試對獲取放大器的性能參數(shù)并指導(dǎo)設(shè)計(jì)生產(chǎn)很重要。

增益壓縮測試系統(tǒng)包括3672矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、探針臺、探針和功率計(jì)等設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)對微波放大器芯片線性參數(shù)及壓縮參數(shù)的測試。通過一次測量，即可得到全部頻點(diǎn)的壓縮點(diǎn)，將壓縮點(diǎn)的輸入功率、輸出功率及增益等信息一次顯示出來。通過壓縮參數(shù)和線性參數(shù)的對比，可以看出放大器在線性區(qū)和飽和區(qū)的工作狀態(tài)發(fā)生了哪些改變。測試的主要參數(shù)如下：

1）S21：線性增益；

2）CompIn21：壓縮點(diǎn)的輸入功率；

3）CompOut21：壓縮點(diǎn)的輸出功率；

4）CompGain21：壓縮點(diǎn)的增益；

5）CompS11：壓縮點(diǎn)的輸入匹配；

6）DeltaGain：壓縮點(diǎn)的增益-線性增益。

本文設(shè)計(jì)了On-wafer測試試驗(yàn)，搭建基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的增益壓縮測試系統(tǒng)，通過對放大器芯片的測試，介紹片上測量增益壓縮的基本步驟。

1、系統(tǒng)組成

1.1 測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)組成如圖2所示，此系統(tǒng)的主要組成為：

1）3672系列矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。型號3672D，頻段10MHz~50GHz；

2）探針臺。型號：CASCADE 12652B-6；

3）GSG探針。型號：CASCADE I67-A-GSG-150，間距150μm，2個(gè)；

4）校準(zhǔn)片。型號：CASCADE 101-190C；

5）直流探針；

6）直流電源；

7）USB功率計(jì)探頭。型號：87233連續(xù)波功率計(jì)探頭，頻率范圍50MHz~40GHz，功率范圍-60dBm~+20dBm，如圖3所示。

圖2  在片測試系統(tǒng)構(gòu)成

圖3  功率計(jì)探頭

1.2被測器件

被測器件為放大器，有源元器件，其工作頻率范圍為2.6GHz~3.8GHz，電壓+5V@42mA。

2、測試流程

2.1 測量設(shè)置

（1）開啟矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀預(yù)熱充分；

（2）根據(jù)增益壓縮測試要求及預(yù)測試分析，在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中點(diǎn)擊[響應(yīng)]→[測量]→[測量類]，選擇[增益壓縮]，如圖4所示。

圖4  建立增益壓縮測量對話框

設(shè)定增益壓縮測試頻率范圍、功率范圍及壓縮方法等，如圖5所示。其中可以設(shè)置壓縮方法，支持的壓縮方法有：

1）從線性增益壓縮  壓縮電平依據(jù)線性壓縮獲得；

2）從最大增益壓縮  壓縮電平依據(jù)最大壓縮電平測得；

3）從回退點(diǎn)壓縮  利用壓縮電平和回退點(diǎn)找出壓縮點(diǎn)；

4）X/Y壓縮  利用特定參量（X和Y）作為標(biāo)準(zhǔn)找出壓縮點(diǎn)；

5）飽和態(tài)壓縮  與最大增益壓縮相似，除了特定的壓縮電平從超出電平的最大功率測量，更適合測量非單調(diào)增益的放大器。

根據(jù)預(yù)測試的結(jié)果，設(shè)定值及設(shè)置方法如表1所示。

圖5  增益壓縮參數(shù)設(shè)置

表1 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試設(shè)置及方法

2.2 系統(tǒng)校準(zhǔn)

在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上選擇【校準(zhǔn)】→[校準(zhǔn)…]，并按向?qū)?zhǔn)完成所有校準(zhǔn)。

（1）選擇被測件的連接類型為No Gender，校準(zhǔn)件選擇已預(yù)編輯好并存矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中的“I67_GSG_150_3”，如圖6所示。

圖6  向?qū)?zhǔn)設(shè)置

（2）進(jìn)行功率校準(zhǔn)。功率校準(zhǔn)使用功率計(jì)對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的源功率進(jìn)行校準(zhǔn)，將功率計(jì)的USB接口接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上，并將其同軸接口與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的1端口相連，連接示意如圖7所示。待從矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上識別出功率計(jì)后進(jìn)行校準(zhǔn)，設(shè)置功率偏移為0dB，容差為0.2dB，最大讀取次數(shù)為5，如圖8所示。校準(zhǔn)完成如圖9所示，功率校準(zhǔn)時(shí)間相對較長。

圖7  矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與功率計(jì)的連接方式

圖8  功率校準(zhǔn)配置

圖9  功率校準(zhǔn)過程

功率校準(zhǔn)通過后，用同軸電纜將兩個(gè)探針與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的兩端口連接，并根據(jù)校準(zhǔn)向?qū)У囊龑?dǎo)進(jìn)行雙端口SOLT校準(zhǔn)，校準(zhǔn)平面為探針端面。校準(zhǔn)完成后，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可保存.cst校準(zhǔn)文件方便回調(diào)。

2.3 增益壓縮測試

校準(zhǔn)完成，將校準(zhǔn)片從載物臺取下，放上被測放大器芯片，芯片在顯微鏡下如圖10所示。開始對其測試。

圖10  被測放大器芯片

已知該低噪聲放大器芯片增益為24dB。增益壓縮測試可得到芯片的S21（線性增益）、CompGain21、DeltaGain21、CompIn21和CompOut21等參數(shù)，這些參數(shù)的測量結(jié)果分別如圖11所示。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中還支持三維顯示頻率-功率-增益曲線，更直觀地觀察增益壓縮。從測試結(jié)果可以看出，放大器的線性增益在24dB以上，1dB壓縮點(diǎn)增益在23dB以上，且曲線形狀吻合；1dB壓縮點(diǎn)輸入功率在-15dBm~-11dBm之間，輸出功率在8dBm~12dBm之間。

（a）二維增益壓縮圖

圖11  被測件S參數(shù)測試結(jié)果

3、總結(jié)

增益壓縮測試系統(tǒng)中掃描方式以及壓縮方法根據(jù)實(shí)際測試需求決定，3672矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀提供了多種靈活的選擇，滿足絕大部分用戶需求，并且經(jīng)過簡單操作后即可得到同種芯片的多種狀態(tài)參數(shù)，使用方便快捷，可應(yīng)用于放大器芯片的生產(chǎn)測試環(huán)節(jié)。（作者：李宇陽 劉森 楊保國 鄭利穎）