本文是一篇工程论文，本文主要围绕16项误差模型及其差分网络拓展的校准件展开研究，基于全波仿真和实际测试对所研究的内容进行了验证，取得了一些具有创新性和应用价值的研究成果，解决了特定场景下的实际工程问题。
第1章绪论
1.1研究背景
随着移动通信速率的提升以及云计算和超大规模数据中心对更高带宽网络设备需求的增加，电子设备中用于计算和通信功能的集成电路（Integrated Circuits，IC）的工作频率正面临快速提升。图1.1展示了2014-2025年交换机SERDES（串行器与解串器）芯片的信息传输量和接口速率的发展趋势[1]。从该图中可以看出，近年来SERDES芯片的主流接口速率正在由25Gbps向50Gbps乃至100Gbps转变，随之而来的是信息传输总量的巨大提升。同时芯片的外围接口电路及连接器等组件也面临着不断增长的高速需求。
不断增长的传输带宽和信号频率则带来了愈发严重的信号完整性（Signal In-tegrity，SI）问题，信号完整性问题指的是在高速产品中由互连线引起信号传输质量下降的问题，且信号频率越高，信号完整性问题也就越严重。因此，对于工作在微波频段（300MHz-300GHz）的高频器件而言，确保信号的传输质量良好对于器件的正常工作十分重要。
1.2研究意义
在片测试系统中的误差项来源主要是微波探针、微波线缆以及VNA内部的器件。但对于同样的测试环境，误差项也不是固定不变的，而是测试带宽有关。随着信号频率的上升，探针、校准件等测试系统自身的信号完整性问题也会变得更加严重。一方面是频率的上升带来了更严重的寄生参数问题，另一方面是在高频下一些新的误差项开始显现，使得传统校准方法的校准精度下降。因此，开发一套用于在片测试的高精度校准方法对于在片测试的准确性十分重要。
本文所研究的内容来源于企业提出的工程问题和研发需求，本文从实际的工程需要出发，研究在片校准的相关理论方法与工程应用。本文的选题和研究具有以下几点意义：
1.解决企业所面临的实际工程问题。当前世界范围内仅有少数企业从事在片测试校准方案的商业开发，因而相关企业在进行在片测试校准时通常使用外购的商业校准方案。但目前的商业校准方案在测试大带宽差分DUT时误差较大，无法满足企业生产研发的需要。本文针对差分探针的大带宽测试校准问题进行了相应的研究，基本实现了企业所设立的预期目标。
2.补充国内在该领域的研究不足。在片测试校准技术具有产业规模小，技术含量高的特点。目前在片测试校准领域的商业化解决方案均由国外企业和研究单位开发，国内对此研究投入较少。在当前国际形势风云变幻、世界不确定性显著增多的背景下，我国单位在集成电路相关的领域采购国外方案的风险明显上升。为了满足集成电路和网络通信行业对高速信号的测试需求，有必要开发一套我国自主可控的在片测试校准方案。本文的研究内容有助于我国在该领域研究的进一步发展。
第2章在片校准方法基础理论
2.2校准技术中的微波理论
2.2.1二端口网络及其网络参数
在电子学和微波工程领域，有一种广为人知的理论分析方法：黑盒（Black box）理论。这一理论最早由控制论创始人诺伯特·维纳（Norbert Wiener）提出[34]。黑盒理论不关注研究对象的内部结构和工作原理，而是只关注研究对象的输入输出关系，黑盒与外部交互的接口称为端口。
二端口网络是一种经典的黑盒模型，它具有两个外部端口，如图2.1(a)所示。其中一个端口作为信号输入，另一个端口作为信号输出。此时的信号以电压或电流的形式存在。当信号频率来到微波频段，信号更多地体现为电磁波的形式。因此在微波工程概念中，通常会将每个输入或输出端口进一步区分为信号路径和返回路径，返回路径也即集总参数意义下的“地”。此时二端口网络的模型如图2.1(b)所示。其中a1、b1分别表示端口1的入射波和反射波，a2、b2分别表示端口2的入射波和反射波。
2.2.2差分网络及其网络参数
2.2.2.1差分信号与共模信号
二端口网络的输入或输出端都只存在单个信号通道，因此在二端口网络上传输的信号也被称为单端信号。而差分信号是指运行在相互耦合的一对传输线上的两个信号之间的差值。相比于单端信号，差分信号具有抗干扰性能更强、鲁棒性更好、传输距离更远等优点[39]，因此更适合于高速应用。
第3章单端网络校准技术研究.........................42
3.1引言.............................42
3.2十六项误差模型方法的校准件选取问题....................42
第4章差分网络校准技术研究.........................62
4.1引言...........................62
4.2差分网络在片校准件设计.....................62
第5章总结与展望.................................84
5.1工作总结............................84
5.2未来工作展望................................85
第4章差分网络校准技术研究
4.1引言
在上一章中GSG探针的16项误差模型单端校准进行了改进研究，并基于全波仿真进行了验证。本文所介绍研究的GSG单端校准主要是为了由简入深熟悉校准方法和校准思想，并引入将16项误差模型方程拓展用于GSSG差分校准，因此实测验证过程在GSSG差分校准中进行。与GSG单端网络的16项误差模型校准相同地，GSSG差分校准也需要设计相应地专用校准件。并且由于差分校准误差项更多，且差分信号间存在耦合，加之需要对校准件进行定值，因此差分校准件的设计相对要求更高，实现高精度校准难度也更大。
本章主要介绍GSSG差分校准件的设计与应用，并将所设计的校准件用于16项误差模型在差分网络中的拓展校准。首先介绍了差分校准件的设计方法与设计过程，其次介绍了基于等效电路模型的差分校准件定值方法，再次基于全波仿真对所设计的差分校准件进行了仿真验证，最后基于实物测试对所设计的差分校准件进行了验证。
第5章总结与展望
5.1工作总结
随着在片测试频率的不断提升，探针之间的串扰误差开始影响在片校准技术的准确性。目前在片测试领域所广泛使用的TRL和SOLT方法均无法对探针串扰误差进行修正。近年来学界出现了一种包含串扰修正的16项误差模型校准方法。本文从16项误差模型校准方法出发展开研究，主要研究工作与创新点总结如下：
（1）16项误差模型校准方法使用Open、Short和Load三种电路结构最多可组合成6种校准件，包括直通在内共7种校准件。根据16项误差模型算法的要求，使用5种及以上的校准件即可完成校准，因此选择何种校准件组合进行校准存在不确定性。针对这一问题本文提出了一种比较条件数的校准件选取方法。通过对16项误差模型算法中校准方程的系数矩阵求解条件数，可以判断方程解的稳定性，从而判断校准结果的准确性。通过对比不同校准件组合的条件数在全频段的大小关系，选择校准结果准确性最高的校准件组合。并基于16项误差模型的全波仿真应用得到了不同组合校准件的校准结果，验证了更小的条件数和更高的校准结果准确性之间存在相关性。过高的条件数会导致校准误差增大，要得到最小的校准误差需要保证条件数处于较低水平。
（2）在片测试的过程需要将探针针尖从上到下落在校准件上表面，实现探针与校准件的良好接触，目前的校准理论均认为探针与校准件之间为理论连接，表现为T参数矩阵的直接级联。本文通过建立探针和校准件的全波仿真模型，将探针和校准件接触后的整体仿真S参数与分别仿真再理想级联的S参数进行比较，验证了二者存在无法忽略的差异，表明将探针与校准件的接触视为理想级联存在一定误差。针对这一问题，本文提出了一种结构内嵌的改进型校准件设计方法。通过将16项误差模型校准件的开路、短路与负载结构进行内嵌，而在与探针接触的边缘区域均保留一段一定长度的传输线结构，使得探针与校准件之间因耦合效应产生的寄生参数保持基本一致，将这一效应导致的误差固化入既有误差盒内，提高校准的准确性。本文基于16项误差模型的全波仿真应用分别得到了结构改进前与结构改进后的校准结果，验证了这一结构内嵌的改进型校准件设计可以有效提高16项误差模型校准方法的准确性。
参考文献（略）
