國產芯片自動測試系統射頻測試模塊設計

(北京航天測控技術有限公司，北京 100041)

0 引言

集成電路產業分為設計、制造、封裝、測試4個環節，集成電路測試技術是發展集成電路產業的三大支撐技術之一，因為它是保證集成電路性能和質量的關鍵環節。集成電路測試成本十分昂貴，高成本的測試技術制約了集成電路產業的發展。目前集成電路測試成本在整個產業成本中超過50%，未來甚至能超過80%[1]。以上現象最主要的原因是隨著工作頻率的不斷提高，射頻集成電路的測試成本不斷增加。因此，為了促進集成電路測試技術快速發展，降低測試設備成本和縮短測試時間成為節約測試成本的主要途徑[2]。因此高效率射頻集成電路測試系統和高性能射頻集成電路測試設備研制成為集成電路產業升級的關鍵技術。

國外研究人員主要通過提高射頻測試設備綜合性能及性價比和采用高效率的自動化并行測試來節約射頻芯片測試成本。在自動化并行測試設備設計中，尤其在芯片量產過程中采用的測試設備在性價比、功能覆蓋度和功能匹配度等方面具有較高的需求[3]。當前量產測試主要采用自動化測試設備ATE(automatic test equipment)[4]。業界比較知名的集成射頻模塊的ATE測試系統有美國泰瑞達公司的ULTRAFLEX測試系統、日本愛德萬公司的T2000及V93000測試系統[5]。而在提升射頻測試儀器綜合性能方面的代表有美國NI公司發布的射頻矢量收發儀系列模塊為組成核心的芯片測試系統STS。

國內在芯片自動化測試系統這一領域基礎較弱，多數自動化測試都基于國外引進測試設備開展研究[6-8]。當前國內集成電路產業恰處于快速發展的機遇期[9]，射頻芯片測試需求和測試成本不斷對測試設備提出新的要求。因此，國產射頻芯片自動化測試系統開發成為促進產業發展的當務之急。本文重點開展國產射頻芯片自動測試系統開發與設計。如圖1所示，國產芯片自動測試系統中包含模擬測試模塊、數字測試模塊、射頻測試模塊、時鐘測試模塊和電源管理測試模塊等，測試中電源管理測試模塊、數字測試模塊、時鐘測試模塊等配合射頻測試模塊對射頻芯片及綜合性的多功能芯片進行自動化測試。

圖1 國產芯片自動測試系統架構示意圖

本文主要針對50 M-12 GHz國產芯片自動測試系統射頻測試模塊開展研究與設計。針對WIFI、藍牙等多款商用芯片的射頻測試需求，并結合5G通信技術協議中主要射頻指標，本文中射頻測試模塊能夠完成矢量信號收發、矢量信號頻譜分析、雙音信號產生、S參數測量，噪聲系數測量等多種功能。這套自主研制系統覆蓋當前和未來主流射頻芯片的測試指標，并填補國內射頻芯片自動測試模塊設計的技術空白。

1 系統結構及原理

射頻測試模塊可單獨作為一個子系統進行設計，系統結構如圖2所示，該系統包含兩個部分：矢量信號收發模塊、射頻前端模塊。每個部分都由兩個相同的模塊來構成整個系統，該系統具有4個射頻通道，16個射頻測試端口。

圖2 射頻測試模塊硬件結構框圖

從系統功能上來說：

1)矢量信號收發模塊：在發射信號狀態下，模塊產生50 M-6 GHz矢量信號并輸出到后級，信號帶寬最大為1 GHz；在接收信號狀態下，模塊對接收的50 M-6 GHz矢量信號進行幅度和相位分析，信號帶寬最大為1 GHz。同時具備雙音信號產生功能。

2)射頻前端模塊：射頻前端模塊由變頻單元和射頻開關單元構成。變頻單元對矢量收發信號進行變頻操作，實現50 MHz-12 GHz矢量信號生成和分析功能，矢量信號帶寬最大為1 GHz。射頻開關單元主要由路徑選擇電路和增益調整電路構成，可以完成S參數測量、噪聲系數測量等功能。射頻單元包含16路射頻信號輸入輸出端口，各端口工作頻率范圍為50 M～12 GHz，信號帶寬最大為1 GHz。

射頻前端模塊可以根據未來芯片工作頻段拓寬進行同步更新設計，可以直接將頻率由6 GHz擴展至18 GHz或更高的頻率，因而使整個測試系統具有更好的擴展性，方便技術升級。

射頻開關單元包含4個射頻通道，每個射頻通道有4個射頻端口，4個射頻通道工作頻率范圍為50 M～12 GHz，信號帶寬最大為1 GHz。它主要由路徑選擇單元和增益調整單元構成，射頻開關單元可以完成S參數測量、噪聲系數測量等功能。

綜上，本系統具有矢量信號發生器、矢量信號分析儀、頻譜分析儀、噪聲系數分析儀、矢量網絡分析儀的S參數測量等功能。能夠完成50 M～12 GHz矢量信號收發、50 M～6 GHz雙音信號產生、50 M～6 GHz的S參數測量，50 M～12 GHz噪聲系數測量等，功能基本覆蓋常用射頻芯片的線性度、增益、輸出功率、效率、反射系數、噪聲系數等性能。

2 系統硬件設計

2.1 矢量信號收發模塊

矢量信號收發模塊功能如圖3所示。它由超寬帶低相噪頻率合成子模塊、IQ基帶調制解調子模塊、寬帶調理劑功率放大單元和寬帶濾波及功率控制單元組成。

圖3 矢量信號收發模塊功能框圖

在發射狀態下，數字模擬信號轉換器(DAC)產生數字信號并將數字信號轉換為模擬信號，由DAC產生的模擬信號經過IQ基帶調制解調子模塊進行信號調制，在FPGA內進行自適應脈沖成型濾波處理，得出自適應脈沖成型濾波器的最優化參數，參數更新后對數字濾波器可調參數進行控制，對輸出信號頻譜點進行適量延時補償，與原信號進行矢量合成輸出。

在接收狀態下，接收的射頻信號首先進入寬帶濾波及功率控制單元進行濾波和功率調整，之后信號進入IQ基帶調制解調子模塊進行解調，解調后的信號進入模擬數字信號轉換器(ADC)進行模數轉換，在FPGA中對高速ADC數據進行并行寬帶實時信號處理，將高速ADC數據降速為4路時序間插信號，然后輸入數據降速處理模塊，數據降速處理模塊將4路時間間插信號轉換為4段時間連續信號，以實現多信號處理通道并行執行，而信號處理通道內則采用流水線作業。每個通道間，數字信號首先和正交的兩路數字本振實現數字下變頻，將信號混到零頻，然后進入多級抽取濾波器組進行降速率和濾波處理。濾波器可以根據不同帶寬需求進行配置一實現在測試過程中帶寬改變，濾波后的數字信號在FPGA中完成FFT、檢波等工作。

為解決矢量信號收發模塊體積過大的技術難題，設計中采用小型化設計作為關鍵技術。設計中首先借鑒軟件無線電發展成果，能用數字方式解決技術難題都用數字方式來解決，降低變頻單元的設計難度；射頻模塊的設計方案中選用盡小體積器件和簡潔的方案，可以采用微機電器件和體積小的濾波器等小型化的微波芯片和單片電路，同時對于寬帶射頻微波電路，要在設計中采用基于微波芯片的二次混合集成PCB設計方法，所有的器件全部設計在一張完整的PCB上，從而盡可能的縮減模塊電路體積。

2.2 射頻前端模塊

2.2.1 變頻單元

變頻單元主要對測試矢量信號頻率進行變換，主要包含上下變頻模塊。上變頻的電路原理如圖4所示，其中主要包含本振信號鏈路和上變頻鏈路，本振信號鏈路主要為上變頻模塊提供穩定的頻率源；上變頻鏈路主要對變頻前后的信號進行濾波和增益調整。下變頻電路的設計思路和上變頻信號類似，工作原理不再贅述，其電路如圖5所示。

圖4 上變頻電路示意圖

圖5 下變頻電路示意圖

2.2.2 射頻開關單元

射頻開關單元中的多路選擇通道設計是實現高效率、多功能并行測試的關鍵技術。它的電路原理如圖6所示，根據功能要求合理設計多路選擇開關和增益調理模塊組成的射頻通道。開關矩陣所包含的每個通道中信號發射路徑和信號接收路徑是分離的，每個通道的最大信號帶寬均為1 GHz。同時設計中以提高測試效率為指導原則，盡可能多的增加射頻鏈路的復用率，通過并行分配信號來實現多功能和高效率測試。同時射頻開關單元能夠輔助系統完成S參數測量、噪聲系數測量等功能。

圖6 多路射頻開關單元中多路選擇通道設計

在射頻前端模塊設計中采用復雜整體腔體屏蔽技術，在模塊射頻電路設計中，為增強整體腔體屏蔽能力，除了增加濾波器和射頻開關外，在結構設計上也需要注意。將每個混頻器電路和鎖相電路都盡量設計在獨立腔體中，設計中各個腔體均采用內嵌式蓋板結構，各腔體間不能有縫隙，腔體蓋板上安裝孔的間距為四分之一波長，腔體與蓋板間采用凹槽并填充導電材料的方式增加屏蔽效果。

3 系統軟件設計

3.1 軟件設計思路

應用軟件從實現功能上主要分為以下5個套件：矢量信號生成軟件、矢量信號分析軟件、S參數測量軟件、噪聲系數測量軟件、測試流程下載軟件。下面簡述各個軟件功能：

1)矢量信號生成軟件能夠完成多達16路50 MHz～12 GHz連續波或PSK、FSK、MSK、16QAM等矢量調制信號產生和傳輸。軟件能夠產生2路獨立矢量信號并生成雙音信號，可以完成信號頻率、功率、帶寬和調制類型等參數設置。

2)矢量信號分析軟件能夠接收和測量多個無線信號，提供可視化和射頻分析功能，方便同時查看各個信號主要頻率信息、調制IQ星座圖和EVM。還可以實現矢量信號的頻譜分析功能。

3)S參數測量軟件為射頻芯片提供S參數測量功能，軟件控制矢量信號收發單元與射頻前端模塊的通道選擇，最終提供可視化分析功能，可以查看反射系數、 駐波比等多個參數。

4)噪聲系數測量軟件控制噪聲源輸出，并通過對控制信號接收通路完成噪聲信號采集，最后通過調用噪聲系數算法包進行噪聲系數處理，最終提供可視化數據顯示噪聲系數。

5)測試流程設置下載軟件完成測試流程參數的編輯與程序燒寫，測試時集成電路測試系統軟件選擇測試流程，本軟件進行參數編寫并完成程序下載，為了節省不必要的硬件開銷，軟件每一次下載更改參數，對于沒有更改的參數，默認原始值。

軟件設計中根據每個測試功能的實際測試流程，在軟件中配置了相應的校準流程、測試步驟、測試數據自動存儲流程和圖形化顯示。同時在每個軟件功能模塊中設置測試性能的合格指標及指標不合格時被測件編號和指標報警信息界面。

3.2 軟件功能框圖

系統軟件設計一個總工作界面，工作界面中包含各個子功能單元，每個子功能單元都具有獨立子界面，每個子界面都包含相應的控件，用來控制測試過程中相關硬件參數的設置和硬件系統的配置。

在應用程序啟動參數配置好以后，可以在任意時刻啟動應用程序。應用程序功能如圖7所示。

圖7 應用程序功能框圖

在用戶輸入參數后，應用程序將改變的參數設置到接口(算法)層，接口層在接收到參數改變時，先將已改變的參數緩存起來，然后終止當前測量，等待應用啟動下一次測量。應用發起下一次測量時，接口層將先配置已經改變的參數，然后啟動數據采集，在數據采集完成后執行相應的對齊算法，在完成對齊后反饋數據到應用層，應用層根據當前所處測量類型完成相應測量并更新顯示。

4 系統指標與分析

4.1 系統指標

為覆蓋當前射頻芯片的主要測試指標，同時能夠準確把握射頻芯片測試指標未來的發展趨勢，設計中通過對當前主流射頻芯片的功能指標和對當前主流測試設備性能指標進行詳細調研，最終確定射頻測試模塊中各個測試功能模塊的指標如表1所示。

4.2 系統結構

圖8為國產芯片自動測試系統示意圖，將本文設計的射頻系統板卡插入到圖8中系統的機箱中，同時在整個測試系統的軟件功能接口調用射頻系統的軟件界面就可以進行射頻芯片測試。測試中首先利用校準板對系統進行校準，

表1 射頻測試模塊功能指標

然后將被測芯片所在的測試板與自動化測試系統的測試頭轉接板相連，通過在軟件中設計配置測試系統硬件參數即可完成射頻芯片的自動化測試以及綜合性能芯片中射頻電路性能的測試。

圖8 國產芯片自動測試系統實物圖

5 結束語

本文主要介紹國產芯片自動測試系統射頻測試模塊的研究與設計。射頻測試模塊采用模塊化、可配置化的設計思路將系統分為矢量信號收發模塊和射頻前端模塊。射頻測試模塊設計中采用16個射頻端口來提高測試效率，并通過系統設計來完成噪聲系數測量、S參數測量、合成雙音信號等多個射頻參數測試。同時通過應用軟件的設計來使整個系統的自動化測試更加方便和快捷。國產芯片自動測試系統射頻測試模塊測試頻率為50～12 GHz，最高測試帶

寬為1 GHz，基本滿足當前WIFI、藍牙、4G射頻芯片的測試需求，同時符合當前5G射頻芯片測試指標要求。該射頻芯片自動測試系統具有自主可控的知識產權，為國內射頻集成電路產業的發展起到有效的推動作用。