如何实现和提高太赫兹测量精确性

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随着诸如无创光谱检测、安保监控、近距车载雷达和5G通信等新兴的太赫兹（THz）应用的迅速发展，准确、可靠和可重复的测量是非常关键的。尤其是对于器件的研发、集成电路和满足太赫兹应用需求的新产品模块来说至关重要。本文讨论了太赫兹频率晶圆级校准和测量的解决方案。对于测量仪器的选择、频繁的系统重新设置问题、影响校准的准确性和可重复性的操作技巧和计量分析测试数据的需求等提出了解决方案。

测试集成
次太赫兹频率的测量为了切换频段通常需要重复和繁琐的系统重新设置。例如，探头系统和矢量网络分析仪（VNA）需要重新设置和重新校准6次才能测量到750GHz（图1）。对待测器件（DUT）进行宽频测量已经成为极其耗时的工作。将次太赫兹VNA频率拓展组件集成到探头系统上的传统方法需要抬起夹具和显微镜，这会降低系统机械稳定性。同时，提高测试频率需要极其精准地将射频探头定位在待测器件和标准校准件的焊盘上。因此系统校准的准确性和可重复性随频率的升高呈指数型下降，待测器件的测定成为一项非常有挑战性的工作。

图1：使用MSG测量太赫兹晶体管，实现95%置信精度；测量频率达到750GHz需要重置六次系统。数据由NIST的Dylan Williams提供。
如MPI公司TS150-THZ手动测试系统集成了许多功能，以便解决太赫兹频率晶圆级测量遇到的挑战。这些功能包括无缝集成任何种类、任何频点的VNA频率拓展组件，以提供最大的测量动态范围和测量可重复性（图2a）。这可通过直接在低剖面Z平面稳定夹具表面安装加脊探头台板的方法实现。这个方法可以使太赫兹射频晶圆探头直接安装在VNA频率拓展组件的波导输出口（图2b），以最大化测量动态范围。一个专用的楔形VNA拓展组件固定平台用于方便更替这些组件（图2c）。不必将固定平台从拓展组件上拆卸下来：由于其底部扁平，固定平台和VNA拓展组件可以作为一个整体处理，放在实验室架子上或在柜子里供以后使用。

图2：MPI公司TS150-THZ可测试330GHz的集成探头系统和R&S公司ZVA系列VNA (a)。直接贴合在毫米波ZVA转换器输出端口的GGB波导探头(b)。R&S ZVA-Z75的楔型接口和R&S ZVA-Z220频率变换器(c)。图片由罗德与施瓦茨公司提供。

为什么选择多线TRL方法
美国国家标准与技术研究院(NIST)开发的多线直通-反射-传输线（TRL）射频校准方法已经成为专注于晶圆级别射频测量的计量学和工业界实验室的标准方法。和其它校准方法相比，其关键优势是校准参考阻抗的计算，即ZREF，是通过测量沿校准标准微带线传播的行波得出的。行波是由传输线种类和设计决定的纯物理现象，和射频探头的形状与设计无关。多线TRL算法可以准确提取校准传输线的传输系数γ。因此多线TRL可以将测试参考平面精确地设置到任何一点。多线TRL校准件可以使用和待测器件相同的设计和半导体处理制造工艺。在晶圆上定制的多线TRL校准件可以免去从器件接触焊盘的寄生阻抗中剥离待测器件测试结果的麻烦。由于这些优势，多线TRL是110GHz以上唯一能得到可信校准结果的校准方法。
为了覆盖较宽的频率范围，校准时需要用三根或更多根不同长度的传输线。算上直通标准件和反射标准件，多线校准工具箱包括多于五个元件。为了实现可重复性测量，使用这种校准工具箱需要重复调整测微定位器和重复地将探头放在接触焊盘上。通常在毫米波段依靠手动探头系统难以获得准确且可重复的多线TRL校准，尤其是由几个经验水平不同的用户操作。TS150-THZ系统提供了集成数字测微尺的方案，可以简化校准过程。TRL算法通常将标准直通件视为0长度传输线。每个其它的传输线的有效长度，∆l，根据标准传输件的长度进行定义（图3a）。操作者在标准直通件上最初调整好探头后，简单地将数字测微尺置零（图3b）。下一步，射频探头之间的距离被重新设置为需要的∆l值（表1），其精度误差小于1 µm。因此，此系统提升了校准的准确性和可重复性的同时降低了设置的时间，甚至可以由没有经验的操作者使用。

图3：标准传输线∆l的TRL定义(a)。MP80-DX测微定位器和X轴上的数字测微计(b)。
表1：使用CS15氧化铝校准基材的共面波导传输线

StatistiCAL™ Plus是NIST开发的软件包，用于实现传统的多线TRL测量和基于正交距离回归的校准。此算法由NIST和德国联邦物理技术研究院（PTB）共同开发。此算法的独特之处是能够估计由随机误差导致的自身测试结果的不确定性。StatistiCAL Plus算法的特点是具有高度的健壮性，即使根据较差的最初估计也能得出计算结果。NIST微波不确定性框架在StatistiCAL Plus软件基础上进行了扩展，增加了根据不同模型计算和传输相关数据等后处理功能。此框架包括的后处理模块，可以将测量得到的S参数中的不确定性传播到晶体管增益、功率、材料参数和其它导出的测量结果和指标中。公司为计量学家和微波测试专家开发了两种软件包，用于离线后处理测试数据，即无需连接VNA、探头系统和器件测试软件。他们将典型的工业界或学术界测量实验室的应用，集成为一个通用的自动化测量流程，需要大量的编程和丰富的微波计量的经验。
目前，StatistiCAL Plus软件中NIST的多线TRL计量VNA校准方法可以通过MPI公司的QAlibria®软件获得。两种软件包联手处理系统校准和数据流分析的工作（图4）：QAlibria负责和VNA、探头系统和操作者交互。与此同时StatistiCAL Plus在后台运行，计算校准误差和不确定性。通过QAlibria的多点触摸和多语言用户图像交互界面，设置错误的可能被降至最低，即使无经验的用户也能获得准确的校准结果。

图4：系统校准数据流图。
计算多线TRL误差需要关于校准标准件的初始信息，例如标准反射件的种类（即开路、短路或强反射）、标准传输线的物理长度和有效介电常数的初始估计。StatistiCAL算法需要最初的误差估计和一些NIST ODRPACK计算引擎的特殊设置。
这些定义由QAlibria自动完成，并作为StatistiCAL Plus的校准目录文件QAlibriaMenuNIST.scm存储在本地件夹中：\MPI\QAlibria\Data\StatistiCAL\。这个文件夹也包含由QAlibria测得的标准件原始数据(在\_input\目录下)和由StatistiCAL计算出的校准矢量结果，自动存储为\_output\目录下Solution.txt文件。等StatistiCAL Plus完成计算，QAlibria调用矢量结果，并且将误差值发送给VNA。此系统无需用户操作便可完成全部校准工作。

重复性和可复现性
目前市场上MPI手动系统的共同之处包括：一个空气轴承平台，一个由三个分立定位仪支撑的高可重复性平台，和自动接触的功能。后者的功能对于改进待测器件测量数据的接触可重复性和可复现性来说尤为重要，且和操作者的专业性无关。图5是使用GGB工业公司CS15商业氧化铝校准基材和波导射频探头，进行集总传输线-反射-匹配（LRM）校准的重复性和多线TRL校准的重复性对比。LRM方法由同一个经验丰富的操作者连续校准两次。使用校准比较方法计算这两次校准的区别。因为这两次校准是连续进行的，系统漂移被降到了最低，校准比较方法给出的结果主要是反映了LRM校准的重复性误差。下一步，进行四次多线TRL校准，两次是由有经验的操作者校准，另外两次由无经验的操作者校准。每次数字测微尺都被用于测定表1中每条校准线的∆l。由两个操作者进行的多线TRL校准最大可重复性误差明显小于由一个操作者进行的LRM校准误差。

图5：集总LRM校准可重复性和在TS150-THZ搭配MP80-DX组件进行多线TRL校准的操作误差对比。
多线TRL可以准确提取校准传输线的传播系数γ，也易于计算有效介电常数εeff。NIST的StatistiCAL Plus可以将每条传输线的εeff实部和虚部绘成图表并计算其平均值（图6）。这个功能对于迅速确认和调试校准结果非常有帮助。如有需要，校准数据可以图表或数据的方式导出，以便进一步分析。另外一种迅速检查校准是否成功的方法是对校准所用的标准传输线和标准反射件的修正后的S参数进行确认（图7和8）。

图6：StatistiCAL Plus（调试模式）计算和显示的有效介电常数εeff的实部和虚部。

图7：CS15校准基材上的标准共面波导，探头由GGB工业公司提供。直通(a)、短路(b)、传输线2 (c)和传输线3 (d)

图8：CS15共面波导标准传输线(a)和标准短路件(b)修正后结果。
在需要对待测器件的测试数据、校准和测试不确定性误差进行进一步分析时，StatistiCAL Plus矢量解法可以直接安装到NIST不确定性框架的Calibrate DUT Plus工具里面（图9）。可以用于计算待测器件的参数，包括95%置信精度的标准不确定性。校准不确定性协方差矩阵也可以由StatistiCAL Plus菜单栏导出（图10）。

图9：NIST不确定性框架包提供的Calibrate DUT Plus工具

图10：从StatistiCAL Plus中导出校准残余误差协方差矩阵。

结论
为了证明此系统的能力，测量了夫琅禾费研究所应用固态物理学实验室开发的一个四级325GHz毫米波单片集成低噪声放大器（MMIC LNA）（图11）。|S21|参数的测量结果具有±95%置信精度。晶圆级别频率高达太赫兹的测量对系统集成、校准、操作和数据分析提出了新的需求。由底层设计的晶圆探针系统整合了许多新功能，以便简化系统操作和重新设置系统，并且可以最大化测量动态范围和可复现性。

图11：夫琅和费研究所325GHz四级单片微波集成电路低噪声放大器(a)和±95%置信精度的S21测试结果(b)。
通过集成NIST的StatistiCAL Plus软件和NIST的不确定性框架，首次实现了高精度计量系统的校准简化、器件测量和数据分析。模块化的热力和非热力夹具、高级射频配件（例如射频测微定位器、射频线缆、校准基材和射频探头）、新的校准技术和近距离将VNA集成到探针系统，组成了一个完整的测试解决方案，满足了太赫兹探索中复杂性和准确性的需求。（ACT 于斌）

国内进展：中国电科41所研发出成套太赫兹测试解决方案

有这样一个团队，十年磨一剑，稳扎稳打，将太赫兹测试频率发展到500GHz，研制的4种仪器和3种测试系统，全部覆盖了50GHz~500GHz频率范围，填补了国内空白，中国电子科技集团公司第41研究所成为世界上唯一能够提供成套测试解决方案的供应商。在“毫米波与太赫兹测量系统”项目第一完成人、中国电子科技集团公司测试仪器首席科学家年夫顺的带领下，该课题取得了“2018年度国家进步奖二等奖”的不菲成绩。
那么，究竟什么是太赫兹波呢？
太赫兹波又称远红外波，曾被评为“改变未来世界的十大技术”之一，它是电磁波段中最后一段未被人类充分认识和应用波段。由于频率高、脉冲短、穿透性强，且能量很小，对物质与人体的破坏较小，所以与X射线相比，太赫兹成像技术和波谱技术更具优势，在空间探测、医学成像、安全检查、宽带通信等方面具有广阔的前景。
2006年，刚刚从事太赫兹测试技术研究时，年夫顺带领团队把太赫兹技术研究常用的4种测试仪器和3种测试系统作为研制重点，并且提出了测试频率从50GHz开始，向更高频率逐步整体推进的发展思路。

毫米波与太赫兹4种测试仪器和3种测试系统部分产品照片

十年如一日，创新团队稳扎稳打，逐步提高测试频率。团队开展了太赫兹核心芯片研究，解决了太赫兹器件问题，研制了50GHz~500GHz四种测量仪器和三种测量系统，填补了国内空白，实现了核心器件、部件、仪器到测试系统全产业链自主可控。“经过2017年和2018年的持续发展，目前测试频率已经可以到750GHz。”年夫顺对记者说。
仪器，是开展毫米波与太赫兹测试技术发展的基本工具和手段。从事相关技术研究和产品开发的高等院校、研究机构以及相关企业，都离不开测试仪器。年夫顺表示，团队开发研制了人体安检设备的核心部件，先进太赫兹检测技术提升了国产人体安检仪的检测灵敏度，同时也满足了空间通信、5G移动通信毫米波天线等设备的测试需求。
然而，年夫顺认为，太赫兹技术尚处于发展阶段，大多数仍处于关键技术攻关和技术熟化的过程，离大范围应用还有较大差距。
他提出，对于太赫兹技术的未来应用，应理性分析，对于关系到国家重大命脉的应用，可以不计成本，集中资金重点突破。对于太赫兹科学研究和工业应用，则要注重市场分析，支持能够工业化的太赫兹技术发展，把微波毫米波频段已经取得的成功经验和研究成果，转移到太赫兹波段，构建小型化、低成本、物美价廉的太赫兹系统。
边科研，边宣传，边推广应用，到2016年底，毫米波与太赫兹测试系统已用于国家“核高基”和“宽带移动通信”等重大专项，“风云”卫星、空中和天基通讯平台、成像雷达、新型人体安检仪等重点项目，用户超过200家，并远销海外。
“一旦毫米波与太赫兹技术成熟，大面积推广应用，项目科研成果将走出实验室进入生产线，不仅可以促进毫米波与太赫兹科学研究工作，而且还能够支撑毫米波与太赫兹产业发展。”尽管研制难度很大，但在年夫顺的带领下，团队创新的步伐始终没有停止，正以更高的激情、更饱满的热情，攀登更高的科技高峰，以实际行动为太赫兹技术研究和工程应用提供强有力支撑。
随着现代电子信息技术快速发展，微波频段电磁信号密度越来越高。我国雷达、通讯、安全检测、无损探测、生物医学、气象遥感、空间探测等领域相继采用了毫米波与太赫兹体制，激发了毫米波与太赫兹技术创造热情，促进了毫米波与太赫兹技术创新发展。
年夫顺指出，目前，750GHz测试仪器和测试系统已基本具备推广应用条件，即将投放市场，同时，团队正在开展1.1THz测试仪器和测试系统研制工作。
“此次获得国家奖，是对我们十几年工作的肯定，大大增强了我们的自信心，激励我们向更高的目标迈进，更重要的是提高了国产仪器的知名度，提高了国内广大用户使用国产仪器的信心，特别有利于国产仪器的进一步推广应用，必将带来更显著的经济效益和社会效益。”年夫顺说。

产品综述
364X系列S参数测试模块，通过外接网络分析仪扩频控制机，将网络分析仪的测试频率扩展至500GHz。主要用于毫米波定向耦合器、滤波器、功分器等无源部件S参数测试，以及毫米波混频器和放大器等有源部件测试。毫米波矢量网络分析仪能够同时获得被测毫米波网络的幅度信息、相位信息和群时延特性，能够同时满足宽频带、大动态范围和快速实时测试的要求，是开发毫米波相控阵雷达、通信、电子侦察等设备的必备测试仪器。毫米波矢量网络分析仪通过更换不同频段的S参数测试模块，可实现40GHz-500GHz的无缝覆盖，具有系统配置灵活、主机兼容性强、动态范围大和测量精度高等特点。

功能特点
频率覆盖40GHz～500GHz
Windows 7 操作系统，中文菜单，兼备英文菜单选项
具有频响、单端口、响应隔离、全双端口、TRL等多种校准方式
适应不同型号矢量网络分析仪主机
通过3640A实现两端口矢量网络分析仪扩频测量
不同频段统一小型化、倾斜面板设计，
通用平台，便于操作，可提高测试效率

364X系列S参数测试模块，配备毫米波扩频控制机，可将矢量网络分析仪的测试频段扩展至40GHz~500GHz，满足不同频段的S参数测试需要。
较大的动态范围
364X系列S参数测试模块具有较高的端口输出功率和接收机灵敏度，能够满足天线、RCS及滤波器等大动态范围的测试需求。

出色的测试重复性
364X 系列S参数测试模块充分考虑了部件及模块的各项漂移特性，具有较高的测试一致性，能够满足用户长时、高精度的测试要求。

灵活的系统配置

不同频段的S参数测试模块具有统一的结构和使用平台，同时兼容不同的网络分析仪主机。

典型应用
毫米波部件传输参数测试：364X系列S参数测试模块可实现40GHz～500GHz频率无缝覆盖，测试重复性好，可对定向耦合器、隔离器、衰减器等部件进行传输特性测试。
毫米波天线、RCS和材料测试：364X系列矢量网络分析仪具有较大动态范围，可构建天线、RCS和材料测试系统，实现天线方向图、增益、目标雷达散射截面和材料介电常数等测试。