射频集成电路测试技术研究

摘要:射频集成电路(RFIC)是无线通信、雷达等电子系统中非常关键的器件,由于其高频特点,准确评估RFIC的性能具有相当的难度。本文以射频低噪声放大器(LNA)为例,运用微波理论,分析了RFIC典型参数,如S参数、带宽、P1dB、OIP3以及噪声系数等的测试原理和测试方法,并对影响RFIC性能测试的主要因素进行了分析。最后,给出了一种LNA电路的测试结果。

关键词:射频集成电路;低噪声放大器;微带线;阻抗匹配;集成电路测试

引言

射频集成电路(RF IC)已广泛应用于无线通信、雷达等电子系统中的发射机和接收机中。由于RF IC工作频率高,对RF IC的性能进行准确的评估,具有相当的难度。它要求工程师不但要具备专业的高频电子线路知识,更重要的是,还必须具有丰富的高频调试经验。目前,国外已有成熟的RF IC测试仪器和测试设备,但是,在国内基本上还是一片空白。因此,对RF IC的测试理论和测试方法,以及测试中的影响因素进行研究,具有重要的实践意义。本文以一种LNA电路为例,研究了RF IC典型参数的测试原理和测试方法,并分析了影响RF IC测试的主要因素。

表征RF IC的典型参数

表征RF IC的典型参数有:增益G(S₂₁)、增益带宽、回波损耗S₁₁和S₂₂、反向隔离S₁₂、1dB压缩点P1dB，输出三阶互调节点OIP3和噪声系数NF等。其中,S参数(S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂)表征该RF IC的增益和匹配情况;P1dB和OIP3表征RF IC的线性度;NF表征RF IC的抗干扰能力。在实际测试中,不同类别的RF IC可能还有一些其他表征参数,但其测试基本相同,本文不再赘述。

PCB布线理论

根据微波理论,在频率进入RF频段以后,传输线用微带线比较容易实现。为了使器件具有最大的功率输出,要求输入、输出必须共轭匹配。即输入必须是50欧姆微带线与信号源匹配,输出是50欧姆与输出负载匹配,这样能达到最佳的传输效果。在实际的测试系统中,电源的偏置部分要注意电容滤波和电感值的选取。

微带线由介质基片一边的导体带和基片另一边的接地板构成。图1是一种微带线结构。图中,h表示基板的厚度,t是铜铂的厚度,E_r为基板的介电常数。微带线的厚度t与基板厚度h相比可以忽略(t/h<01005)。

图1微带线结构

在微带线中,传输的主模是准TEM波。其高次波型是波导波型和表面波型。由于介质基片有吸引磁场的能力,故电磁场在介质表面以外随微带高度h呈指数规律很快衰减。为了抑制微带线的高次波,应适当选择微带的尺寸和材料,同时,避免和表面波产生强耦合。另外,为了减小场的衰减,应使用介电常数大而合适的介质基板。微带线的计算如下:
当w/h<1时,特性阻抗Z₀:

式中,

当w/h>1时,特性阻抗Z₀:

式中,

假定微带线无限薄,如果w/h≤2,那么

式中,

由此,可以反算出50Ω微带线的准确宽度。
如果w/h≥2,那么

在实际的工程中,假设微带线的厚度为0是不正确的,因此,必须对前面的微带线宽度进行修正。铜带非零厚度的影响近似为导体有效宽度w_eff的增加,因此,将有更多的边缘场产生。w_eff近似为微带线的有效宽度。

式中,t是导体的实际厚度,如果
由此,可以计算出微带线的真正阻抗值,在工程中也是可以实现的。

PCB布线过程中,根据不同的截止频率,其微带线的宽度略有差异,需根据实际要求选取。另外,在PCB焊接过程中,要注意焊锡的控制,不要让其他的介质附着在微带线上,以免影响其性能。

典型参数测试原理及测试方法

S参数
在射频和微波频段用得最多的就是S参数。S参数也称散射参数,表示事物分散为不同的分量,散参数就是描述其分散的程度和分量的大小。在电子系统中,它有两个分量:入射波和反射波,因此,S参数是基于入射波和反射波之间关系的参数。S参数在射频段很容易测量,特别适合于微波段的系统设计和测量。

图2是RF IC的S参数测试方案。通过网络分析仪的双端口,将RF IC的输入、输出联系起来,直接通过网络分析仪,读取该器件的S参数以及器件的带宽。在实际测试以前,应当注意网络分析仪的扫频范围,输入功率的衰减是否正确。然后,用直通、开路、短路和50Ω负载校准。

图2S参数测试方法

P1dB压缩点
P1dB压缩点表征了RFIC在线性工作区的最大输出功率。P1dB的测试方法同S参数测试方法(图2),同样使用网络分析仪进行测试。通过功率校准以后,固定几个频率点,在设置的功率范围类扫描功率。放大器的增益比其小信号增益小1dB时的输出功率就是P1dB。

OIP3三阶截取点

OIP3定义为三阶互调功率达到和基波功率相等的点,此点对应的输入功率表示为IIP3,对应的输出功率表示为OIP3(一般在放大器中常用OIP3做参考,在混频器中常用IIP3做参考),通过它们来说明三阶互调失真的程度。测试方法如下:
用2个靠得比较近的射频或微波频率作为输入,表示为
Vi(t)=Acos(2Pf1)+Acos(2Pf2)(1)
当两个或多个正弦频率正好落在放大器的带宽内,并通过一个非线性放大时,其输出信号将包括各种频率分量。三阶交调分量2F1-F2、2F2-F1是非线性中三次方项产生的,由于落在带宽内,是我们主要关注的非线性产物,如图3所示。

图3三阶互调产生过程

OIP3不是直接测试出来的,它是通过计算得出的。OIP3的测试和计算方法如图4所示。

图4OIP3测试及计算方法

图5是OIP3的测试原理图。需要注意的是,输出到频谱分析仪的信号功率不能太高,避免由频谱分析仪产生的非线性失真。为此,要求射频信号源的输出功率要小。由图4可以看出,三阶交调输出功率比一阶交调输出功率要小很多倍,因此,测量的频谱分析仪需要有较高的动态范围。

图5OIP3测试原理框图

噪声系数
噪声系数NF是系统的输入信噪功率比(SNR)_i= P_i/N_i 与输出信噪功率比(SNR )₀= P₀/N₀的比值:

可见,噪声系数表征了信号通过系统后,系统内部噪声造成信噪比恶化的程度。噪声系数常用分贝表示:
NF(dB)=10lgF
NF的具体测试及连接如图6所示。

图6噪声系数NF的测试

测试结果

根据上述测试理论和方法,测试了一种LNA电路,使用的PCB板材是聚四氟乙烯,介电常数2.95,板厚0.80mm。计算出微带线的宽度是1.84mm。测试原理和PCB板示意图如图7和图8所示。

图7EC1019测试原理图

图8EC1019测试PCB示意图

图9EC1019从DC至6GHz带宽下的增益曲线图

图9是所测试的LNA电路从DC至6GHz带宽下的增益曲线图。实际测试结果如下:增益带宽DC～6GHz;
f=1GHz时,P1dB=1819dBm,G=1815dB;
f=2GHz时,P1dB=1913dBm,G=1615dB;
f=3GHz时,P1dB=17dBm,G=1414dB;
f=1GHz时,OIP3=33dBm;
f=2GHz,NF=517dB。
厂家指标如下:
增益带宽DC～6GHz;
f=1GHz时,P1dB=19dBm,G=1815dB;
f=2GHz时,P1dB=1915dBm,G=1615dB;
f=3GHz时,P1dB=1715dBm,G=1415dB;
f=1GHz时,OIP3=34dBm;
f=2GHz,NF=515dB。
测试结果表明,所采用的测试方法是可行的。

结论

本文运用微波理论,分析了RF IC典型参数的测试原理和测试方法,并分析了PCB布线中的重要影响因素。根据RF IC测试原理和测试方法,测试了一种LNA电路。结果表明,所采用的测试方法是可行的。RF IC种类较多,其典型参数的测试原理和测试方法基本相似。但RF IC中各个类别,如LNA、混频器、MOD等,其表征参数并不完全相同,在测试分析时必须加以注意。另外,本文仅仅作了一种研究测试,对于RF IC而言,其生产测试也是业界面临的挑战。