技术文章 | 射频探针简史和类型

Anritsu 英铂科学仪器 昨天
在射频探针出现之前,由于没有一种能够在无需安装或贴合状态下对单片微波集成电路(MMIC)装置进行测试的简便方法,因此测试过程常常使得电路完整性遭到破坏,引发各种问题。

期的射频探针使用的是共面陶瓷材料,而陶瓷不能太弯曲,因而压触的弹性范围并不 大,同时支持的射频频率也较低,第一个探针仅覆盖到18 GHz。


在仅仅三十年的时间里,射频探针技术便取得了长足的进步,从低频测量到适用多种应用场合的商用方案:如在110GHz高频和高温环境进行阻抗匹配,多端口,差分和混合信号的测量装置,连续波模式中直到60W的高功率测量,以及直到1.1 THz的太赫兹应用,都能见到射频探针的身影。


80年代初,Tektronix发布了第一款商用的射频探针TMP9600和蓝宝石衬底校准件CAL96;随后,Eric Strid和Reed Gleason离开Tektronix,并于1983年创立Cascade Microtech。在随后的数年间,两家公司不断地推出类似性能的射频探针,直至Tektronix公司于90年代初最终退出了圆晶片探针这个业务。至此,Cascade Microtech也凭借着与Hewlett Packard良好的关系,奠定了行业领导地位。

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图1(a) 第一款商用的蓝宝石衬底校准件CAL96

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图1(b) Tektronix公司的RF探针TMP9600

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图1(c) Cascade Microtech公司的WPH探针

1988年,GGB公司申请了基于微同轴电缆的射频探针专利技术,从此,开始了与Cascade Microtech在射频探针领域的竞争。随后于1993年在IEEE IMS发布了W波段的射频探针;在1999年,它们的探针达到了220GHz,在2006年又进一步扩展到325GHz,在2012年又达到了500GHz。加上与供应商的密切合作,如Karl Suss(后来的SUSS MicroTech),GGB工业公司成为全世界射频市场上最有影响力的公司之一。


在2009-2011年间,两个新成员进入了成熟的探针市场:带有微机械加工的探针厂家DMPI 瞄准的是新兴的亚太赫兹(sub-THz)市场。来自中国台湾的Allstron公司为110GHz以下的应用提供了并不昂贵的探针。

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图2 GGB公司的Picoprobe型探针

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图3 SUSS-Rosenberger公司的首款|Z|型探针

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图4 CascadeMicrotech公司的ACP型探针

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图5 Cascade Microtech公司的Infinity型探针


探针种类


为了探测电路性能,需要把信号传导到某类传输线上,这意味着需要至少两个导体,即“信号导体”和“地导体”。

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图6 GSG型探针示意图:
(a) 100um间距的Picoprobe型探针,
(b) 125um间距的ACP型探针,
(c) 100um间距的Allstron公司探针,
(d) 125um间距的Infinity型探针,
(e) 125um间距的|Z|型探针

除了基本的GSG, GS, SG类型的探针,还有各种组合,如GSGSG,GSSG,SGS等等。探针本身需要很好的匹配内部不同传输媒介的特征阻抗,要求保证在不同传输模式下电磁能量的高效传输。一个传统的射频探针包括了以下几个部分:
  1. 测试仪器接口(同轴或是波导)
  2. 从测试接口到微同轴电缆的转接
  3. 微同轴电缆到平面波导(CPW/MS等)转接
  4. 共面接口到DUT部分即针尖


一般65 GHz以下用同轴头,从50 GHz到110 GHz同轴和波导都有用。一般一些覆盖DC~110 GHz的宽带测试系统,如果希望一次扫描测试,一般用1mm的同轴接口。110 GHz以上的探针一般都采用波导形式。

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图7(a) 安立公司的VectorStar ME7838G矢量网络分析仪,覆盖70 kHz 至220 GHz


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图7(b) 安立公司的MA24500A系列毫米波混频器与MPI Titan系列探针


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图7(c) MPI Titan系列探针


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图7(d) 安立公司的VectorStar ME7838G矢量网络分析仪测量动态

探针相比同轴的优势


  1. 容易探测测试没有任何焊接过的电路板信号
  2. 探针的使用寿命更加长久
  3. 较少测试时间


探针主要应用场景


  1. 射频和微波模块信号插入,检测和测量输出;
  2. 高频电路板电气性能分析;
  3. 高速数字电路分析。
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