2. 毫米波在片测试系统架构
毫米波在片测试系统并不是“把矢网接到探针上”这么简单。当频率进入 50 GHz 以上，同轴电缆的损耗急剧上升，普通同轴接口的截止频率和模式纯度都不再满足要求，因此系统必须在某个节点从同轴过渡到波导，再通过扩频模块把信号搬移到毫米波频段，最后经探针把信号“压”到芯片的焊盘上。理解这条链路上每一段的角色、接口形式和损耗来源，是判断测试结果是否可信的前提。
一、系统由哪些部分组成
一套典型的毫米波在片 S 参数测试系统包含以下核心单元：
- 矢量网络分析仪（VNA）：系统的“心脏”，负责产生激励信号、接收反射与传输信号，并完成比值测量与误差修正。它工作在较低的中频/射频段，通常提供 10 MHz～几十 GHz 的测试端口。
- 毫米波扩频模块（Test Set / Extender）：把 VNA 的射频信号上变频到毫米波频段，同时把被测件的毫米波响应下变频回 VNA 可接收的中频。每个频段通常成对使用（如 67～110 GHz 的 WR-10 模块）。
- 探针台（Probe Station）：提供稳定的机械平台、精密位移机构和显微镜/相机，用于把探针精确扎到芯片焊盘上。毫米波探针台还需具备低振动、低热漂移特性。
- 毫米波探针（Probe）：把波导中的信号过渡到共面波导（CPW）或微带探针尖端，直接接触芯片焊盘。常见为 GSG（地-信号-地）结构，节距 50～150 μm。
- 校准片（Calibration Substrate）：提供短路、开路、负载、直通等标准件，用于把参考面从 VNA 端口移到探针尖端。
- 电缆与波导：连接 VNA 与扩频模块、扩频模块与探针。低频段用稳幅稳相电缆，毫米波段用矩形金属波导（如 WR-10、WR-12）。
二、完整信号链路
以 67～110 GHz（WR-10 频段）在片测试为例，信号从 VNA 端口出发，经同轴电缆进入扩频模块，在模块内完成上变频和功率放大，再通过波导法兰输出到探针，探针把信号耦合到芯片焊盘。被测件的反射信号沿原路返回，传输信号则从另一侧探针经波导、扩频模块下变频后回到 VNA 的第二个端口。整条链路可以概括为：
VNA Port1 → 同轴电缆 → 扩频模块(上变频) → 波导 → 探针 → 芯片焊盘
↓
VNA Port2 ← 同轴电缆 ← 扩频模块(下变频) ← 波导 ← 探针 ← 芯片焊盘下面用一张信号链路图把各单元、接口形式和关键损耗/失配节点标出来。
三、关键损耗与失配节点
链路中每一段都会引入损耗或反射，其中影响最大的是以下几处：
同轴电缆损耗。在 40 GHz 以上，同轴电缆的介质损耗和导体损耗随频率近似以 √f 增长。一根 1 m 的稳幅稳相电缆在 50 GHz 处插损可能达到 3～5 dB。这部分损耗虽然可以通过校准扣除，但会压缩动态范围，使高反射测量（如回波损耗 > 30 dB）的信噪比变差。
同轴-波导过渡。扩频模块的输入端通常是一个同轴接头，内部通过探针或脊波导过渡到矩形波导。这个过渡在带内可能引入 0.5～1.5 dB 的插损和 15～20 dB 的回波损耗。如果过渡设计不佳，会在频带边缘产生明显驻波，表现为 S11 曲线上的周期性纹波。
波导法兰与扭波导。WR-10 波导法兰的平面度、销钉对准和螺钉紧固力矩都会影响接触。法兰面有氧化层或微小毛刺时，接触电阻增大，等效为串联阻抗，在 100 GHz 附近可能引入 0.3～1 dB 的额外损耗。使用扭波导改变极化方向时，若扭转角度不精确，还会激励起高次模。
探针-焊盘界面。这是整条链路中最“脆弱”的一环。探针尖端的接触压力、焊盘表面的氧化层、探针的过度下压（overdrive）都会改变接触电阻和寄生电容。典型毫米波探针的插入损耗约 1～2 dB，回波损耗约 10～15 dB。若探针扎偏或下压过深，S21 会整体下降，S11 纹波加剧。
四、校准参考面的确定
系统搭建完成后，必须通过校准把测量参考面从 VNA 端口移到探针尖端。常用方法是在校准片上依次测量短路、开路、负载和直通（SOLT），或使用直通-反射-线（TRL）方法。校准完成后，探针尖端的参考阻抗应为 50 Ω，系统残余误差通常要求：
| 指标 | 典型要求 | 观察方法 |
|---|---|---|
| 校准后 S11 幅度 | < -35 dB（全频段） | 测量校准片上的负载标准件 |
| 校准后 S21 幅度 | 0 ± 0.2 dB（直通） | 测量直通标准件 |
| 相位线性度 | 偏离线性 < 2° | 观察直通相位随频率变化 |
| 纹波峰峰值 | < 0.3 dB | 观察 S21 曲线周期性起伏 |
如果校准后直通的 S21 在带内出现超过 0.5 dB 的周期性纹波，通常说明波导法兰或探针接触存在失配；如果 S11 在某个频点突然恶化，应检查该频点是否对应波导高次模截止或扩频模块内部滤波器的边缘。
五、系统搭建的检查顺序
建议按以下顺序逐级确认，避免“一上来就测芯片”导致误判：
- 确认 VNA 端口输出功率和接收带宽设置正确，中频带宽不宜过宽（建议 100 Hz～1 kHz），以降低噪声。
- 连接同轴电缆与扩频模块，先不接波导和探针，测量扩频模块输入端的回波损耗，确认模块本身无故障。
- 接入波导和探针，在空气中测量“探针悬空”状态，观察 S11 是否在合理范围（通常 -10～-20 dB）。
- 放上校准片，执行 SOLT 或 TRL 校准，并检查校准后的直通和负载结果。
- 将探针移至芯片焊盘，先在小信号下观察 S21 量级，确认接触良好后再进行全频段扫描。
整条链路的损耗预算可以用一句话概括：VNA 端口到探针尖端的损耗 = 电缆损耗 + 扩频模块插损 + 波导损耗 + 过渡损耗。在 67～110 GHz 频段，这个总损耗典型值为 6～12 dB。测量前先估算这个值，有助于判断测到的 S21 是否合理——如果测得的 S21 比预期低了 10 dB 以上，问题多半出在探针接触或波导连接，而不是芯片本身。