一种使用未知直通校准件的四端口射频探针校准方法

本发明属于晶圆级射频微波测量的一种四端口射频探针校准方法，尤其涉及一种使用未知直通校准件的四端口射频探针校准方法。

背景技术：

1、随着射频微波产业的不断升级，射频微波器件尺寸逐渐变小，差分信号也被广泛地应用于这些器件中，这使得晶圆级的四端口s参数测量技术变得日益重要。晶圆级的s参数测量需要使用射频探针作为夹具对被测件进行固定和测量，因此为获得被测件真实的s参数，需要用校准方法把射频探针的影响进行去除。

2、对于高频的晶圆级s参数测量，如果忽略射频探针之间的串扰会极大影响校准精度。传统的四端口射频探针校准方法是将四个射频探针两两进行校准，非常繁琐耗时，效率低下。并且传统方法还没有考虑射频探针之间的串扰，导致在高频时校准精度不够。

3、目前可用于四端口射频探针校准的方法有多模trl和2×-thru，这两种方法虽然考虑了探针之间串扰，但是这两种方法对直通校准件的设计要求比较高，并且这两种方法校准后的参考平面不能移动到针尖所在的位置，这使得使用射频探针测量被测件时有很多不便。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是针对现有四端口射频探针校准方法的局限性，提供一种使用未知直通校准件的四端口射频探针的校准方法，用于晶圆级的四端口s参数测量。

2、本发明方法分为四个步骤：根据四端口射频探针结构的对称性，简化它们的混合模s矩阵；分别将射频探针连接开路，短路，负载和直通校准件，求解射频探针的混合模s矩阵中的部分未知数；根据射频探针四个端口之间串扰系数小于传输系数的特性和四端口射频探针结构的对称性，求解剩余的未知数；当求出射频探针全部的未知数后，通过被测件测量的混合模t矩阵计算被测件真实的混合模t矩阵。

3、本发明的具体技术方案是：

4、s1：根据四端口射频探针结构的对称性简化四端口射频探针的原始混合模s矩阵，获得简化混合模s矩阵；

5、s2：四端口射频探针依次连接开路、短路、负载和直通校准件，再结合四端口射频探针的特性求解简化混合模s矩阵，获得原始混合模s矩阵对应的混合模t矩阵；

6、s3：使用当前四端口射频探针测量待测件的混合模t矩阵，获得待测件的测量混合模t矩阵，根据当前四端口射频探针的混合模t矩阵以及待测件的测量混合模t矩阵计算获得待测件的真实混合模t矩阵。

7、所述s1具体为：

8、首先，根据四端口射频探针结构的对称性，将位于一侧的两个单端口射频探针作为整体并记为第一组射频探针，另一侧的两个单端口射频探针作为整体并记为第二组射频探针，第一组射频探针的射频特性用第一简化混合模s矩阵se1进行表示，第二组射频探针的射频特性用第二简化混合模s矩阵se2进行表示，公式如下：

9、

10、

11、其中，表示第一组射频探针中第一端口的差模反射系数，表示第一组射频探针中第二端口到第一端口的差模传输系数，表示第一组射频探针中第一端口的共模反射系数，表示第一组射频探针中第二端口到第一端口的共模传输系数，表示第一组射频探针中第一端口到第二端口的差模传输系数，表示第一组射频探针中第二端口的差模反射系数，表示第一组射频探针中第一端口到第二端口的共模传输系数，表示第一组射频探针中第二端口的共模反射系数，表示第二组射频探针中第一端口的差模反射系数，表示第二组射频探针中第二端口到第一端口的差模传输系数，表示第二组射频探针中第一端口的共模反射系数，表示第二组射频探针中第二端口到第一端口的共模传输系数，表示第二组射频探针中第一端口到第二端口的差模传输系数，表示第二组射频探针中第二端口的差模反射系数，表示第二组射频探针中第一端口到第二端口的共模传输系数，表示第二组射频探针中第二端口的共模反射系数。

12、所述s2具体为：

13、s21：四端口射频探针依次开路、短路和连接负载校准件后获得对应的测量数据，根据当前测量数据构建以下公式的三元一次方程组，利用三元一次方程组求解简化混合模s矩阵中的第一简化混合模s矩阵se1和第二简化混合模s矩阵se2对应的第一端口差模反射系数、第二端口差模反射系数、第一端口共模反射系数、第二端口共模反射系数、差模传输系数积以及共模传输系数积，公式如下：

14、

15、

16、其中，是第一组射频探针测量得到的差模反射系数，是负载校准件本身的差模反射系数，是由第一组射频探针测量得到的共模反射系数，是负载校准件本身的共模反射系数；表示第一简化混合模s矩阵se1的差模传输系数积，表示第一简化混合模s矩阵se1的共模传输系数积；

17、s22：根据第一简化混合模s矩阵se1和第二简化混合模s矩阵se2对应的差模传输系数积、共模传输系数积，再结合四端口射频探针连接直通校准件后计算获得的直通校准件的差模传输系数，计算获得组间差模传输系数积和组间共模传输系数积

18、s23：根据第一简化混合模s矩阵se1和第二简化混合模s矩阵se2对应的差模传输系数积、共模传输系数积，计算获得第一简化混合模s矩阵se1和第二简化混合模s矩阵se2对应的差-共模传输系数交叉积；

19、s24：根据第一简化混合模s矩阵se1和第二简化混合模s矩阵se2对应的差-共模传输系数交叉积以及第一组射频探针与第二组射频探针的结构对称性，计算获得第一组间差-共模传输系数积和第二组间差-共模传输系数积

20、s25：根据s21-24的计算结果处理获得第一简化混合模s矩阵se1和第二简化混合模s矩阵se2对应的混合模t矩阵。

21、所述s22具体为：

22、根据第一简化混合模s矩阵se1和第二简化混合模s矩阵se2对应的差模传输系数积、共模传输系数积构建组间差模传输系数积与组间共模传输系数积的计算公式：

23、

24、

25、其中，为四端口射频探针连接直通校准件后测量得到的差模t矩阵，表示四端口射频探针连接直通校准件后测量得到的共模t矩阵，||表示计算矩阵的行列式；

26、对于组间差模传输系数积的计算公式，根据取正号的组间差模传输系数积的计算公式，计算直通校准件的差模传输系数记为第一差模传输系数x；再根据取负号的组间差模传输系数积的计算公式，计算直通校准件的差模传输系数记为第二差模传输系数y；如果第一差模传输系数x的相位相比第二差模传输系数y的相位更接近直通校准件已知的差模传输系数，则组间差模传输系数积的计算公式取正号；否则组间差模传输系数积的计算公式取正号，从而获得组间差模传输系数积

27、对于组间共模传输系数积的计算公式，根据取正号的组间共模传输系数积的计算公式，计算直通校准件的共模传输系数记为第一共模传输系数x；再根据取负号的组间共模传输系数积的计算公式，计算直通校准件的共模传输系数记为第二共模传输系数y；如果第一共模传输系数x的相位相比第二共模传输系数y的相位更接近直通校准件已知的共模传输系数，则组间共模传输系数积的计算公式取正号；否则组间共模传输系数积的计算公式取正号，从而获得组间共模传输系数积

28、所述s23具体为：

29、基于第一简化混合模s矩阵se1和第二简化混合模s矩阵se2对应的差模传输系数积、共模传输系数积，再根据射频探针四个端口之间串扰系数小于传输系数的特性构建和求解第一简化混合模s矩阵se1和第二简化混合模s矩阵se2对应的差-共模传输系数交叉积，其中第一简化混合模s矩阵se1的差-共模传输系数交叉积计算和求解方法如下：

30、首先基于第一简化混合模s矩阵se1的差模传输系数积和共模传输系数积构建传输-串扰系数方程，公式如下：

31、

32、

33、其中，a为第一组射频探针的传输系数，b为第一组射频探针的串扰系数；

34、如果第一组射频探针的传输系数的平方a2的幅值大于第一组射频探针的串扰系数平方b2的幅值时，则第一简化混合模s矩阵se1的差-共模传输系数交叉积等于第一组射频探针的传输系数的平方a2减去第一组射频探针的串扰系数平方b2；

35、否则，则利用以下公式重新计算第一组射频探针的传输系数的平方a2，进而更新第一组射频探针的串扰系数平方b2：

36、

37、将重新计算获得的第一组射频探针的传输系数的平方a2减去更新的第一组射频探针的串扰系数平方b2后的值作为第一简化混合模s矩阵se1的差-共模传输系数交叉积

38、所述s24中，第一组间差-共模传输系数积等于第二简化混合模s矩阵se2的差共模传输系数交叉积第二组间差-共模传输系数积等于第一简化混合模s矩阵se1的差共模传输系数交叉积公式如下：

39、

40、

41、所述s3中，未知直通校准件的真实混合模t矩阵的计算公式如下：

42、

43、其中，为待测件的真实混合模t矩阵，为待测件的测量混合模t矩阵，te1为第一组射频探针的混合模t矩阵，te2为第二组射频探针的混合模t矩阵。

44、本发明的有益效果是：

45、本发明可以考虑同侧射频探针之间的串扰系数，提高了校准的精度。本发明只需要连接四次校准件，显著减少了四端口射频探针在校准过程中的测量次数。并且本发明只需要一种类型的未知直通校准件，即只用粗略地计算直通校准件的相移，降低了对直通校准件定义的精度要求。