本發(fā)明涉及測量電變量或磁變量的方法技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種在片高低溫S參數(shù)TRL校準件的設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

近年在片高低溫測試設(shè)備的發(fā)展降低了在片高低溫S參數(shù)測量成本，提高了在片高低溫S參數(shù)的測量速度。這些優(yōu)勢使得微波功率器件復雜的熱效應建模與工作過程分析成為可能，推動了用于復雜環(huán)境下微波單片電路的發(fā)展。

針對在片高低溫S參數(shù)測量，美國CASCADE公司與TEMPTRONIC和ESPEC兩家公司合作，設(shè)計了在片高低溫S參數(shù)測試系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括探針臺、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、溫度控制單元及各種附屬設(shè)備。其中矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀用于S參數(shù)測試，探針臺用于提供同軸至單片電路的精密穩(wěn)定連接。溫度控制單元用來控制探針臺主卡盤溫度，實現(xiàn)主卡盤溫度在-65℃～200℃內(nèi)調(diào)節(jié)。測試時將DUT放置在主卡盤上，升降溫過程中DUT溫度隨著主卡盤溫度變化，穩(wěn)定后等于主卡盤的溫度，以實現(xiàn)在片高低溫S參數(shù)測試。與此同時，在主卡盤旁邊增加了與主卡盤熱隔離的兩個輔助卡盤，用于放置在片S參數(shù)校準件。

國外，研究了探針頭在不同溫度下的溫度分布情況，如圖2所示(第一測溫點溫度為110℃、第二測溫點溫度為125℃、第三測溫點溫度為105℃、第四測溫點溫度為45℃、主卡盤溫度為125℃)，探針頭隨溫度變化而引起的微波特性變化影響了在片高低溫S參數(shù)測量準確度。在片高低溫S參數(shù)測試系統(tǒng)的準確測量是建立在測量之前對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行在片高低溫準確校準基礎(chǔ)上，因此需要設(shè)計在片高低溫S參數(shù)校準件，在不同溫度下對在片高低溫S參數(shù)測試系統(tǒng)進行校準，以提高在片高低溫S參數(shù)校準與測量準確度。

高準確度S參數(shù)測試都離不開測試前對系統(tǒng)準確而完善的校準，通過校準將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與DUT之間的連接電纜、探針等對測量結(jié)果的影響去除，從而得到被測件“真實”的S參數(shù)。對于在片高低溫S參數(shù)的校準，隨著研究不斷深入，先后出現(xiàn)了以下三種校準過程：

第一種校準過程與普通在片S參數(shù)校準相同，即室溫下校準，高低溫下測量。具體校準方法可以使用SOLT、TRL、LRRM等。此方法忽略了由于溫度變化使微波探針頭和周圍微波電纜的熱效應發(fā)生物理形變，導致微波探針頭等的微波特性發(fā)生改變，使原有校準狀態(tài)發(fā)生偏離，影響在片高低溫S參數(shù)的精確測量。設(shè)備廠商在其技術(shù)文章中指出，在25℃下頻率范圍為1GHz～26.5GHz進行校準，校準后在片S參數(shù)在26.5GHz頻點上測量穩(wěn)定性為-60dB(0.1％)，但是當卡盤溫度升至200℃時仍使用室溫校準數(shù)據(jù)測量S參數(shù)，測量結(jié)果穩(wěn)定性變?yōu)?15dB(17.8％)，而且隨著頻率的升高，這種偏差變得越來越明顯。如此大的偏差在很多在片高低溫S參數(shù)測量應用中是不可接受的。

第二種校準過程是將校準件放置在高低溫卡盤上，保持校準溫度與實際測試溫度相一致，避免了微波探針頭由于溫度變化帶來的微波特性改變。由于在片負載中薄膜電阻阻值受溫度影響較大，因此具體校準方法應使用沒有負載標準的TRL進行校準，但是在片校準件襯底介電特性受到溫度影響，使TRL校準件中的傳輸線標準特征阻抗Z0偏離了其常溫下的定義值，因此這種校準過程并不完善。

設(shè)備廠商經(jīng)過大量實驗，提出一種簡單并且測量準確度在一定范圍內(nèi)滿足要求的在片高低溫S參數(shù)測試系統(tǒng)的校準過程，即首先將主卡盤溫度調(diào)整至測量溫度，將探針移動至在主卡盤上穩(wěn)定15分鐘，即“烤探針”，然后利用半自動探針臺的自動校準功能，將探針迅速移動至放有在片校準件的輔助卡盤上，在探針溫度恢復前迅速完成校準。同時指出，在片高低溫S參數(shù)測試過程中應不斷監(jiān)視測量結(jié)果的穩(wěn)定性，一旦系統(tǒng)穩(wěn)定性不滿足要求，必須重新執(zhí)行校準。圖3給出了設(shè)備廠商推薦的在片高低溫S參數(shù)測試過程。這種方法在一定程度上減小了探針溫度變化對測量結(jié)果的影響，但并不能消除，在對測量準確度要求比較高的微波器件建?；蛘哂嬃康阮I(lǐng)域，上述校準過程無法滿足高測量準確度的要求，需要根據(jù)實際測量溫度與測量頻率設(shè)計制作在片高低溫S參數(shù)校準件。

隨著微波單片電路設(shè)計與制造工藝的發(fā)展，對在片高低溫S參數(shù)測量準確度提出了越來越高的要求，例如在冷FET、夾斷FET和熱FET的溫度特性與偏置特性建模過程中，要求|S21|測量結(jié)果在8mm頻段最大測量不確定度在0.1dB以內(nèi)，利用之前簡單的校準過程難以保證高低溫下在片S參數(shù)如此高的測量準確度，因此需要尋求高低溫S參數(shù)測試的高準確度校準方法。

由于TRL校準件校準精度較高并且易于表征，只需將傳輸線標準相對于直通標準的相對長度、相速和傳輸線的特征阻抗Z₀進行定義，反射標準不需要準確定義，但需保證S₁₁＝S₂₂。經(jīng)過綜合考慮，本文選取TRL校準方法作為在片高低溫S參數(shù)校準方法，并研制在片高低溫S參數(shù)TRL校準件，分別在不同測試溫度下對各參數(shù)進行定義和校準，校準后利用檢驗件對校準效果進行驗證。

目前商用在片校準件主要分為兩大類，一類是由集總元件(Lumped elements)和傳輸線相結(jié)合制作在陶瓷襯底上的off wafer校準件(如SOLT、LRM和LRRM校準件)；另一類是采用與被測件相同襯底材料，具有與被測件相同傳輸線結(jié)構(gòu)的on wafer校準件(如TRL和Multi-TRL校準件)。off wafer校準件適用于在各種襯底上制作的被測件，制作工藝難度大，但由于忽略了校準件與被測件的襯底材料、傳輸線尺寸、探針尖過渡等影響，校準精度不夠高，主要應用于一般工業(yè)測量。on wafer校準件相比之下校準精度更高，屬于專用的校準件。目前二者所使用的傳輸線形式都為共面波導傳輸線(CPW)結(jié)構(gòu)，但均在常溫下使用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種在片高低溫S參數(shù)TRL校準件的設(shè)計方法，所述方法提出了高低溫下準確表征TRL校準件特征阻抗的定義方法，解決了在片高低溫S參數(shù)測試系統(tǒng)的精確校準和測量問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：一種在片高低溫S參數(shù)TRL校準件的設(shè)計方法，其特征在于包括以下步驟：

1)在片S參數(shù)校準件的設(shè)計

針對不同的校準溫度，采用共面波導傳輸線結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計不同溫度的在片S參數(shù)TRL校準件；在片高低溫S參數(shù)校準件包括直通標準件T、反射標準件R、傳輸線標準件L，使用8項誤差模型；

其中，直通標準件T使用零長度直通，校準參考平面在直通標準件的中央，在校準參考平面處左右直接相連，保證直通標準件在校準參考平面上的損耗為0，直通標準件T的S參數(shù)S₁₂＝S₂₁＝1∠0°，反射系數(shù)為0；

反射標準件R在校準參考平面處為開路與短路，反射系數(shù)的幅值接近1，兩個端口的反射系數(shù)相等；

傳輸線標準件L是在直通標準件的基礎(chǔ)上，在校準參考平面處插入一段插入相位介于30°～150°的傳輸線，傳輸線的特征阻抗是校準后系統(tǒng)的參考阻抗，傳輸線的特征阻抗設(shè)計為50Ω；

2)在片終端電阻的設(shè)計。

進一步的技術(shù)方案在于，在設(shè)計所述標準件時需要對以下參數(shù)進行設(shè)計：

襯底的相對介電常數(shù)ε_r、金屬導體電導率k、地線寬度W_g、中心導體的寬度w、中心導體和地線間距g，金屬層厚度T、邊界條件和襯底厚度H。

進一步的技術(shù)方案在于，所述的襯底相對介電常數(shù)ε_r的選取方法如下：

在片高低溫S參數(shù)TRL校準件的襯底材料采用GaAs，不同溫度下襯底的相對介電常數(shù)ε_r使用諧振腔體法測量，獲得高低溫下的襯底的相對介電常數(shù)ε_r，諧振腔體法的是將材料樣品放入封閉或者開放的諧振腔體中，諧振腔體具有很高的Q因子，并且在特定的頻率發(fā)生諧振，根據(jù)放入前后其諧振頻率和品質(zhì)因子Q值的變化來確定樣品介電常數(shù)，通常是將樣品置于諧振腔中電場最小磁場最大處測量樣品的介電常數(shù)。

進一步的技術(shù)方案在于，所述的金屬導體電導率k的選取方法如下：

金屬導體電導率k與溫度T有線性關(guān)系，公式如下所示，其中k₁為溫度T₁的電導率，k₂為溫度T₂的電導率，α為金屬導體電導率的溫度系數(shù)；

當已知一種金屬材料在某一溫度下電導率以及溫度系數(shù)時，通過上述公式計算出另一溫度下該金屬導體的電導率。

進一步的技術(shù)方案在于，所述的襯底厚度H的選取方法如下：

根據(jù)不同GaAs襯底厚度的共面波導傳輸線的測試對比實驗，繪制測試曲線，根據(jù)測試曲線，將曲線中色散、輻射和表面波影響最小的襯底厚度作為所述校準件中襯底的厚度。

進一步的技術(shù)方案在于，所述的中心導體的寬度w以及中心導體和地線間距g的計算方法如下：

利用蒙特卡洛方法對各個影響量對傳輸線特性阻抗的貢獻量進行分析，確定在微波頻段，對傳輸線特性阻抗的影響最大的參數(shù)是中心導線與地線間距g，其次為中心導體寬度w；在相同阻抗的情況下，選擇w、g大的設(shè)計值；且w大于探針中心針尖的寬度，(w+2g)小于探針針尖的總寬度。

進一步的技術(shù)方案在于，所述的地線寬度W_g的選取方法如下：

地線寬度W_g為(w+2g)的2倍以上，其中w為中心導體的寬度，g為中心導體和地線間距。

進一步的技術(shù)方案在于，所述的金屬層厚度T的選取方法如下：金屬層厚度T小于趨膚深度。

進一步的技術(shù)方案在于，所述的邊界條件的選取方法如下：常溫情況校準時，將所述校準件放在金屬卡盤的微波吸收材料或者玻璃片上；高、低溫情況校準時，將所述校準件放在微波吸收材料上。

進一步的技術(shù)方案在于，所述的在片終端電阻的設(shè)計方法如下：

在片終端電阻用于校準件共面波導傳輸線的特性阻抗的定標，是在TRL校準件中的傳輸線標準一端內(nèi)嵌一負載電阻，即左面與傳輸線尺寸一致，右面在傳輸線終端和地線間增加一負載電阻，阻值略偏離50歐姆。

采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：本發(fā)明完成了在片高低溫S參數(shù)校準件的設(shè)計與制作，完成在片校準件在不同溫度下的表征，實現(xiàn)了不同溫度下在片高低溫S參數(shù)測試系統(tǒng)的有效校準，確保在片高低溫S參數(shù)測量結(jié)果準確一致，且所述方法操作簡單，校準準確度高。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中在片高低溫S參數(shù)測試系統(tǒng)原理圖；

圖2是現(xiàn)有技術(shù)中主卡盤溫度為125℃時探針頭各部位溫度分布圖；

圖3是現(xiàn)有技術(shù)中CASCADE推薦在片高低溫S參數(shù)測試流程圖；

圖4是共面波導傳輸線結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是諧振腔體法測量原理圖；

圖6是不同GaAs襯底厚度的共面波導傳輸線的測試曲線對比圖；

圖7是相同GaAs襯底厚度、不同邊界條件共面波導傳輸線的測試曲線對比圖；

圖8是在片終端電阻版圖；

圖9a-9c為CPW傳輸線的仿真結(jié)果圖；

圖10a-10b為WinCal標準件定義圖；

圖11a-11b為3dB在片衰減器不同溫度下的測量值與標準值；

圖12a-12b為駐波比1.5在片失配器不同溫度下的測量值與標準值；

圖13為在片高低溫S參數(shù)TRL校準件制作工藝流程圖；

圖14為在片高低溫S參數(shù)TRL校準件的CPW線結(jié)構(gòu)圖；

圖15為在片高低溫S參數(shù)TRL校準件的電阻結(jié)構(gòu)圖；

其中：1、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 2、溫控探針臺 3、計算機 4、溫度控制單元 5、第一測溫點 6、第二測溫點 7、第三測溫點 8、第四測溫點 9、探針頭 10、主卡盤 11、地平面 12、中心導體 13、砷化鎵介質(zhì) 14、傳輸線 15、負載電阻 16、地線 17、金屬層 18、SiN沉積層 19、GaAs襯底 20、電阻層。

具體實施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來實施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施例的限制。

本發(fā)明公開了一種在片高低溫S參數(shù)TRL校準件的設(shè)計方法，所述方法包括如下步驟：

在片高低溫S參數(shù)TRL校準件包括在片S參數(shù)校準件和在片終端電阻。

在片S參數(shù)校準件的設(shè)計：

所述方法針對不同的校準溫度(例如：-55℃、23℃和125℃)，分別設(shè)計在片高低溫TRL校準件。在片S參數(shù)校準件，采用TRL形式，包括T(Thru)、R(Reflect)、L(Line)微帶傳輸線三類標準。針對各類標準件，設(shè)計時考慮因素如下：

1、直通標準件T(Thru)：使用零長度直通，校準參考平面在直通標準件的中央，在校準參考平面處左右直接相連，保證直通標準件在校準參考平面上損耗為0，S₁₂＝S₂₁＝1∠0°，反射系數(shù)為0；

2、反射標準件R(Reflect)：在校準參考平面處為開路與短路，反射系數(shù)的幅值接近1，兩個端口的反射系數(shù)相等；

3、L(Line)：是在直通標準件的基礎(chǔ)上，在校準參考平面處插入一段的特征阻抗為50Ω、插入相位介于30°～150°(越接近90°越好)的傳輸線，其特征阻抗是校準后系統(tǒng)的參考阻抗，因此傳輸線的特征阻抗(或者單位長度線電容值)必須精確得知。

在片高低溫S參數(shù)TRL校準件采用共面波導(CPW)傳輸線結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖4所示。其中心導體的寬度w，中心導體和地線間距g，襯底的相對介電常數(shù)ε_r，金屬層厚度T和金屬導體電導率k，襯底厚度H。

TRL校準方法采用8項誤差模型，在定義校準件時反射標準不需要精確定義，只需定義其校準端面偏移，并且保證所有端口上的反射系數(shù)相同即可。因此TRL校準件的設(shè)計工作主要是對共面波導傳輸線特性阻抗的設(shè)計。

共面波導傳輸線特性阻抗的電特性與傳輸線的基本參量相關(guān)，其中影響共面波導傳輸線特性的主要參量分為材料特性和幾何尺寸特性兩類。材料特性參量包括襯底的相對介電常數(shù)ε_r、介質(zhì)損耗正切角和金屬導體電導率k，主要與選擇的襯底材料、導體金屬相關(guān)；幾何尺寸特性參量包括地線寬度W_g、中心導體的寬度w，中心導體和地線間距g，金屬層厚度T和襯底厚度H，與制造過程中采用的工藝相關(guān)。

變溫條件下，材料屬性參數(shù)的設(shè)計：

在高低溫下，襯底材料的相對介電常數(shù)ε_r和金屬導體電導率k會隨溫度會發(fā)生明顯的變化，成為共面波導傳輸線特性變化的主要影響參量。

襯底相對介電常數(shù)ε_r的選?。?/p>

在片高低溫S參數(shù)TRL校準件的襯底材料為GaAs，其相對介電常數(shù)ε_r隨著溫度的改變而變化，溫度升高，ε_r增加，溫度降低，ε_r減小，需要通過測量確定不同溫度下的介電常數(shù)。

介電常數(shù)的測試方法有多種，主要分為傳輸反射法和諧振腔體法。其中傳射反射法實質(zhì)是利用所測出的樣品的反射和傳射系數(shù)得到復介電常數(shù)或復磁導率，根據(jù)所用夾具的不同，又分為同軸空氣線法、波導法、自由空間法和同軸探頭法。各種方法各有優(yōu)點，采用哪種方法主要取決于頻率范圍、介電常數(shù)的大概值、所需的測量精度、材料特性和形狀、樣品的大小、溫度、是否具有破壞性、是否接觸等條件。

諧振腔體法的原理是將材料樣品放入封閉或者開放的諧振腔體中，諧振腔體通常具有很高的Q因子，并且在特定的頻率發(fā)生諧振，根據(jù)放入前后其諧振頻率和品質(zhì)因子Q值的變化來確定樣品復介電常數(shù)，通常是將樣品置于諧振腔中電場最小磁場最大處測量樣品的復介電常數(shù)。諧振腔體法的測量原理如圖5所示。這種方法目前具有最高的測量精度，尤其適合于低損耗物質(zhì)的測量。因此本發(fā)明采用諧振腔體法，測量了GaAs不同溫度下的介電常數(shù)。測量結(jié)果為，-55℃下，GaAs的介電常數(shù)為12.76；125℃下，GaAs的介電常數(shù)為13.23。

a)電導率k的選取：

金屬導體電導率與溫度T有線性關(guān)系，公式如下所示，其中k₁為溫度T₁的電導率，k₂為溫度T₂的電導率，α為金屬導體電導率的溫度系數(shù)。

TRL校準件的傳輸線表面為金，金的20℃的電導率為4.1×10⁷，金電導率的溫度系數(shù)為0.0037/℃，通過計算可以得到不同溫度下的電導率。

變溫條件下，幾何尺寸屬性的設(shè)計：

在高低溫下，共面波導傳輸線的幾何尺寸特性變化中，主要影響因素是襯底材料和傳輸線表層金屬材料的形變。根據(jù)資料顯示，襯底材料GaAs的線膨脹系數(shù)為6.8×10^-6/℃，傳輸線表層金屬材料Au的線膨脹系數(shù)為14.2×10^-6/℃，根據(jù)對于60μm線寬，溫度變化100℃引起的變化量小于0.1μm，小于工藝公差和幾何測試精度的影響，對應Z₀的變化小于0.02Ω，可以忽略。

另外，共面波導傳輸線特性的主要影響因素包括色散、輻射、表面波和諧振，互相之間也有影響，其中色散和表面波主要影響頻段為25GHz～50GHz，通過幾何尺寸特性參量的選取，可以有效減少和消除這些不良影響。

襯底厚度H的選取

隨著頻率的升高，共面波導傳輸線除了準TEM波的傳輸模式，還產(chǎn)生了類表面波模式，出現(xiàn)色散和輻射現(xiàn)象，為了抑制高次模，減小色散、輻射和表面波交互作用，根據(jù)不同GaAs襯底厚度的共面波導傳輸線的測試對比實驗，測試曲線如圖6所示，確定襯底厚度在400μm～500μm之間，各種不良影響最小。

中心導體的寬度w，中心導體和地線間距g的選?。?/p>

利用蒙特卡洛方法對各個影響量對傳輸線特性阻抗的貢獻量進行分析，確定在微波頻段，對傳輸線特性阻抗的影響最大的參數(shù)是中心導線與地線間距g，其次為中心導體寬度w。在相同阻抗的情況下，優(yōu)先選擇w、g大的設(shè)計值。w大于探針中心針尖的寬度，(w+2g)應小于探針針尖的總寬度。

地線寬度W_g的選?。?/p>

地線寬度W_g為(w+2g)的2倍以上。

線長L的選取：

已知傳輸線的等效介電常數(shù)ε_eff與光在真空中的速度c，可知電磁波在微帶線中的傳播速度v_p：

式中ε_eff為等效介電常數(shù)，它考慮了電磁波一部分在介質(zhì)中傳播，一部分在空氣中傳播的這一情況，ε_eff可以用軟件計算得到。那么長度為l的傳輸線相對延遲時間t_delay為：

頻率為f的微波信號在該傳輸線中傳輸，那么經(jīng)過傳輸線以后，微波信號相對相位變化ΔP_degree可用以下公式計算：

為了保證傳輸線相對于直通的插入相位在整個頻段內(nèi)能得到30°～150°的覆蓋，需要分頻段制作不同長度的傳輸線，在每個頻段內(nèi)傳輸線的長度可利用以上公式計算得到。表1為所制作的5組不同長度的傳輸線長度在插入相位為30°～150°所能夠使用的頻段。

表1：Line傳輸特性計算表

金屬層厚度T的選取

諧振現(xiàn)象是共面波導傳輸線的固有特性，只能盡量減弱諧振強度，無法根本消除。諧振主要包括諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)兩個指標。諧振頻率與它的材料和幾何尺寸有關(guān)，主要是線長、介電常數(shù)。對于TRL校準件中的長線，諧振頻率小，幾乎不可避免。品質(zhì)因數(shù)與傳輸損耗密切相關(guān)，增大傳輸損耗，可以減小Q值，降低諧振峰值。

因此，在CPW的設(shè)計中需要注意兩點：(1)在設(shè)計線長時，盡量避免諧振點出現(xiàn)在需要頻率；(2)設(shè)計共面波導的幾何尺寸時，增加傳輸損耗，減小諧振峰值。

通過電磁仿真計算，金屬層厚度T小于趨膚深度，可以有效降低諧振峰值。以8mm頻段為例，計算的趨膚深度為350nm～550nm之間，T的選取小于300nm。制造過程中采用蒸發(fā)工藝制作金屬結(jié)構(gòu)，其表面非常光滑，邊界輪廓幾乎完美，工藝偏差小，容易控制金屬層厚度。

邊界條件：

由于TRL校準件的襯底邊界條件與CPW的表面波耦合的臨界頻率有關(guān)，可以減少表面波耦合效應。根據(jù)相同GaAs襯底厚度、不同邊界條件共面波導傳輸線的測試對比實驗，測試曲線如圖7所示，確定常溫可以采用微波吸收材料或者玻璃材料，高低溫采用吸收材料，可以減少表面波耦合效應。具體方法為將TRL校準件放在金屬卡盤的微波吸收材料或者玻璃片上。

傳輸線特征阻抗值Z₀設(shè)計值等于50Ω。在高低溫下，利用不同溫度下的材料特性參量，通過軟件計算，可確定各溫度下TRL校準件共面波導傳輸線幾何尺寸參數(shù)設(shè)計值。

通過以上方法，設(shè)計的頻率范圍覆蓋26.5GHz～40GHz的傳輸線標準件的設(shè)計尺寸為，砷化鎵襯底的介電常數(shù)為12.9，厚度400μm～500μm，金屬導體的厚度為0.2μm～0.3μm，計算得到25℃下，傳輸線的寬度為64μm，傳輸線長度為1600μm～2000μm。

在片終端電阻的設(shè)計：

在片終端電阻用于校準件CPW傳輸線的特性阻抗的定標，是在TRL校準件中的傳輸線標準上內(nèi)嵌一負載電阻，版圖如圖8所示，即左面與傳輸線尺寸一致，右面在傳輸線終端和地線間增加一負載電阻，阻值略偏離50歐姆。

本發(fā)明將上述設(shè)計方法得到的在片S參數(shù)校準件的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，代入仿真軟件進行計算仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果返回進行再設(shè)計優(yōu)化，最終得到在片校準件最佳優(yōu)化的設(shè)計值，并用最佳優(yōu)化的設(shè)計參數(shù)進行流片，CPW傳輸線的仿真結(jié)果如圖9a-9c所示。

TRL校準件的表征：

根據(jù)傳輸線理論，電磁波在傳輸線上傳播時，遵循式(5)與式(6)的關(guān)系：

γZ₀＝j(luò)ωL+R (6)

其中R、G、L和C分別表示傳輸線單位長度的電阻、電導、電感和電容，γ與Z₀表示傳輸線的傳播常數(shù)與特征阻抗。

由于系統(tǒng)執(zhí)行TRL校準后參考阻抗來源于TRL校準件中傳輸線標準的特征阻抗Z₀，因此需要在不同溫度下準確定義TRL校準件中傳輸線標準的特征阻抗Z₀。對于低損耗傳輸線，有G<<C，因此Z₀與C的關(guān)系可以近似表示為式(7)，其中傳播常數(shù)γ可以由TRL校準算法確定。因此只要已知傳輸線單位電容值，也就得到了可得到傳輸線的特征阻抗。

不同溫度下對TRL校準件傳輸線單位長度的電容值定義，通過在片終端電阻的集總參數(shù)計算得到。

在低頻下，負載的集總參數(shù)存在式(8)的近似關(guān)系：

其中，Z為系統(tǒng)阻抗，在TRL校準完成后，如果沒有進行阻抗變換，則系統(tǒng)阻抗就被定義為傳輸線標準的特征阻抗Z₀；Г_load為負載在參考阻抗值為Z下的反射系數(shù)，R_load,DC為負載的直流電阻值。

將式(8)代入式(5)，得到：

利用式(9)兩邊的實部、虛部分別相等，即可求解C和G。

在片高低溫S參數(shù)TRL校準件需要在不同溫度下使用，因此需要在不同溫度下進行表征，即在在不同溫度下測量直流電阻和Г_load。具體方法如下：

直流電阻的測量：通過直流探針采用四線電阻法在校準溫度下進行測量，得到此溫度下在片終端電阻的直流電阻。四線電阻法有效地解決了直流探針和直流電阻的接觸表面變化對測量結(jié)果的影響。

Г_load的測量：使用自制在片高低溫TRL校準件，在校準溫度下進行矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀TRL校準，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的系統(tǒng)阻抗為自制在片高低溫TRL校準件的阻抗，通過反射測量，即可得到在片終端電阻的Г_load。

通過不同校準溫度下測量得到在片終端電阻的直流電阻和反射系數(shù)，即可計算得到不同校準溫度下的特征阻抗Z₀。

TRL校準件的定義與使用

在WinCal軟件中定義零直通TRL校準件，將傳輸線的長度與頻率范圍輸入至軟件中，圖10a-10b為WinCal標準件定義圖。

在片高低溫TRL校準件的實驗驗證

使用在片高低溫TRL校準件校準后，利用標稱值為3dB的在片衰減器和標稱駐波比為1.5的在片失配器對系統(tǒng)進行驗證，將對驗證件的測量結(jié)果與其標準值比較，兩者相差越小，說明系統(tǒng)測量準確度越高。驗證時使用的主要儀器設(shè)備包括探針臺，微波探針，卡盤高低溫控制系統(tǒng)，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。測量溫度選擇常溫23℃，低溫-55℃和高溫125℃三個溫度點。

圖11a-11b為3dB在片衰減器不同溫度下的測量值與標準值，對比兩圖可以看出，驗證件衰減量在不同溫度下的變化趨勢與標準值在不同溫度下的變化趨勢相同。在26.5GHz～40GHz頻率范圍內(nèi)，溫度23℃、-55℃和125℃時測量值與標準值最大偏差分別為0.07dB、0.12dB和0.08dB；圖12a-12b為駐波比1.5在片失配器不同溫度下的測量值與標準值，在高低溫下，駐波測量值出現(xiàn)了比較大的抖動，但整體變化趨勢與標準的變化趨勢值相一致，在26.5GHz～40GHz頻率范圍內(nèi)，溫度23℃、-55℃和125℃時駐波比與標準值最大偏差分別為0.01、0.02和0.01。

在片高低溫S參數(shù)TRL校準件結(jié)構(gòu)與加工工藝：

在片高低溫S參數(shù)TRL校準件采用GaAs單片制作工藝，詳細的工藝流程如圖13所示，與版圖設(shè)計一一對應，主要分為10個部分：(1)制備厚度為625μm的GaAs單晶襯底；(2)、(3)通過光刻、金屬化工藝完成NiCr電阻的制作；(4)、(5)通過光刻、蒸發(fā)工藝完成規(guī)定厚度的金屬層制作，金屬為NiCrAu；(6)、(7)、(8)通過淀積、光刻、刻蝕工藝完成鈍化層和劃片道的制作，在沒有金層覆蓋的表面沉積一層SiN薄膜；(9)將GaAs襯底減薄到所要求的厚度(400μm～500μm)；(10)完成劃片工藝，將芯片分開，完成在片高低溫S參數(shù)TRL校準件的制作。形成最終產(chǎn)品。最終加工成的在片高低溫S參數(shù)TRL校準件結(jié)構(gòu)如圖14和15所示。

綜上，所述方法具有以下特點：

1.分別開發(fā)了26.5GHz～40GHz的高溫(125攝氏度)、常溫(23攝氏度)、低溫(-55攝氏度)的TRL校準件；

2.提出了材料特性參量的確定方法，即采用諧振腔法測量高溫和低溫下襯底材料的介電常數(shù)，通過溫度系數(shù)理論計算金屬電導率。

3.分析高低溫下校準件的幾何尺寸參數(shù)的變化規(guī)律，根據(jù)高低溫下TRL校準件的材料特性參數(shù)，通過電磁場仿真和實驗測試，確定高低溫校準件的幾何尺寸參數(shù)；

4.提出了準確表征在片高低溫S參數(shù)TRL校準件特征阻抗的定義方法，即通過在相應溫度下測量在片終端電阻的直流電阻和反射系數(shù)，并經(jīng)理論公式推導計算TRL校準件傳輸線單位長度的線電容，從而得到其特征阻抗；

5.為了減小色散、輻射和表面波效應，在片高低溫校準件的襯底邊界采用吸收材料或者玻璃材料，常溫可以采用吸收材料或者玻璃材料，高低溫采用吸收材料；

6.在片高低溫TRL校準件，采用共面波導傳輸線(CPW)結(jié)構(gòu)，襯底材料為GaAs。為了抑制高次模，減小色散、輻射和表面波交互作用，襯底厚度在400μm～500μm之間；為了減小諧振，金屬層厚度T小于趨膚深度，表面金屬層采用半導體蒸發(fā)工藝；地線寬度W_g為(w+2g)的2倍以上；直通線與傳輸線之間的插入相位在30°～150°以內(nèi)。

本發(fā)明完成了在片高低溫S參數(shù)校準件的設(shè)計與制作，完成在片校準件在不同溫度下的表征，實現(xiàn)了不同溫度下在片高低溫S參數(shù)測試系統(tǒng)的有效校準，確保在片高低溫S參數(shù)測量結(jié)果準確一致，且所述方法操作簡單，校準準確度高。