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、雷達和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)中必不可少的單元，因此應用非常廣泛。在平時的測量中，更多地關注放大器的線性參數(shù)，如增益和回波損耗，但當放大器的輸入功率超過一定值后，會脫離線性增益區(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。
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，會給系統(tǒng)的設計帶來麻煩甚至毀滅性的破壞。放大器芯片在使用時希望工作狀態(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)并指導設計生產(chǎn)很重要。
增益壓縮測試系統(tǒng)包括3672矢量網(wǎng)絡分析儀、探針臺、探針和功率計等設備，可實現(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，即可得到全部頻點的壓縮點，將壓縮點的輸入功率、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：壓縮點的輸入功率；
3）CompOut21：壓縮點的輸出功率；
4）CompGain21：壓縮點的增益；
5）CompS11：壓縮點的輸入匹配；
6）DeltaGain：壓縮點的增益-線性增益。
本文設計了On-wafer測試試驗，搭建基于矢量網(wǎng)絡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；
4）校準片。型號：CASCADE 101-190C；
5）直流探針；
6）直流電源；
7）USB功率計探頭。型號：87233連續(xù)波功率計探頭，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)構成
圖3 功率計探頭
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 測量設置
（1）開啟矢量網(wǎng)絡分析儀預熱充分；
（2）根據(jù)增益壓縮測試要求及預測試分析，在矢量網(wǎng)絡分析儀中點擊[響應]→[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）從回退點壓縮 利用壓縮電平和回退點找出壓縮點；
4）X/Y壓縮 利用特定參量（X和Y）作為標準找出壓縮點；
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)預測試的結果，設定值及設置方法如表1所示。
圖5 增益壓縮參數(shù)設置
表1 矢量網(wǎng)絡分析儀測試設置及方法
2.2 系統(tǒng)校準
在矢量網(wǎng)絡分析儀上選擇【校準】→[校準…]，并按向?qū)释瓿伤行省?
（1）選擇被測件的連接類型為No Gender，校準件選擇已預編輯好并存矢量網(wǎng)絡分析儀中的“I67_GSG_150_3”，如圖6所示。
圖6 向?qū)试O置
（2）進行功率校準。功率校準使用功率計對矢量網(wǎng)絡分析儀的源功率進行校準，將功率計的USB接口接到矢量網(wǎng)絡分析儀上，并將其同軸接口與矢量網(wǎng)絡分析儀的1端口相連，連接示意如圖7所示。待從矢量網(wǎng)絡分析儀上識別出功率計后進行校準，設置功率偏移為0dB，容差為0.2dB，最大讀取次數(shù)為5，如圖8所示。校準完成如圖9所示，功率校準時間相對較長。
圖7 矢量網(wǎng)絡分析儀與功率計的連接方式
圖8 功率校準配置
圖9 功率校準過程
功率校準通過后，用同軸電纜將兩個探針與矢量網(wǎng)絡分析儀的兩端口連接，并根據(jù)校準向?qū)У囊龑нM行雙端口SOLT校準，校準平面為探針端面。校準完成后，矢量網(wǎng)絡分析儀可保存.cst校準文件方便回調(diào)。
2.3 增益壓縮測試
校準完成，將校準片從載物臺取下，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)的測量結果分別如圖11所示。矢量網(wǎng)絡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。從測試結果可以看出，放大器的線性增益在24dB以上，1dB壓縮點增益在23dB以上，且曲線形狀吻合；1dB壓縮點輸入功率在-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)測試結果
3、總結
增益壓縮測試系統(tǒng)中掃描方式以及壓縮方法根據(jù)實際測試需求決定，3672矢量網(wǎng)絡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）
