Multiport-Breitbandkomponenten bis zu 145 GHz mit einem VNA testen

Bild 1: Für HF-Messungen an kleinen Wafer-Strukturen lässt sich der Messbereich eines Vektornetzwerkanalysators durch vorgeschaltete Zusatzmodule erweitern. Labor IMEP-LaHC Grenoble

Vektornetzwerkanalysatoren (VNA) können zwar Signale bei sehr hohen Frequenzen von einigen Gigahertz bis in den Terahertz-Bereich hinein erfassen, eine häufige Anforderung besteht jedoch auch darin, eine Bandbreite von 70 kHz bis 145 GHz mit einem einzigen Sweep erfassen zu können, was eine Reihe von Herausforderungen mit sich bringt. Um Signale vom Niederfrequenz- bis in den Millimeterwellenbereich hinein messen zu können, müssen mehrere verschiedene Messeinheiten im Verbund zusammenwirken. Für die Prüfung kleiner Wafer-Strukturen muss ein entsprechender VNA mit bis zu vier Ports ausgerüstet sein und an einem Wafer-Adapter anschließbar sein. Im Prüfaufbau in Bild 1 erweitern die im Prüfadapter dicht am Prüfling integrierten Minimessmodule die Messbandbreite des VNA; Bild 5 zeigt den Prüfadapter im Detail.

Es gibt zahlreiche Anwendungsgebiete für diese Art von Netzwerkanalysatoren mit gekoppelten Messstufen. Dazu gehört insbesondere die Telekommunikationsbranche, wo die Bitraten derzeit von mehreren 10 bis 400 Gb/s betragen können – Tendenz steigend. Mit dem Schritt in Richtung 5. Generation (5G) entsteht in der Branche eine Nachfrage nach Hochfrequenz-Funkübertragungen im Bereich von bis zu 100 GHz. Solche Netzwerkanalysatoren finden auch mehr und mehr im industriellen Bereich Verwendung, wie zum Beispiel für Millimeterwellen-Messungen im Rahmen von Untersuchung der Materialeigenschaften neuer Werkstoffe, in der Meteorologie, wo Radarsysteme zum Messen elektromagnetischer Wellen genutzt werden, oder zum Messen extrem hoher Frequenzen bei bildgebenden Anwendungsverfahren in der Medizin, der Sicherheitsbranche und in der Verteidigungsindustrie.

Breitbandige Signale schneller messen

Grundsätzlich erfasst der VNA bei einer Reflektions- oder Transmissionsmessung Amplitude und Phase zwischen ein- und ausgehender Welle der Übertragungsstrecke. Von dieser Messung lassen sich weitere ableiten, darunter Leistungs-, Intermodulations- und Rauschfaktormessungen sowie Messungen von differenziellen S-Parametern. Bild 2 zeigt eine vereinfachte Darstellung der Konfiguration eines 4-Port-VNA. Da jeder Testport zur Signalerzeugung, aber auch zum Messen von Reflexion und Übertragung imstande ist, muss der VNA mit Anschlüssen ausgestattet sein, die Breitbandfrequenzen unterstützen.

Bild 2: Funktionsschema eines 4-Port-VNA im Blockbild. Anritsu

Hohlleiterbasierende Übertragungsmedien sind wegen ihrer begrenzten Bandbreite ungeeignet. Aus diesem Grund wird ein Koaxialanschluss mit einem 0,8 mm-Verbinder eingesetzt, der auf bis zu 145 GHz ausgelegt und bis zu 150 GHz verwendbar ist. Die geringe Baugröße des filigranen Anschlusses erfordert einen vorsichtigen Umgang, der innerer Kontaktstift ist jedoch robust konstruiert und gut vor Beschädigung geschützt. Bei diesem Verbinder handelt es sich um einen Industriestandard, der von verschiedenen Herstellern in Adaptern, Kabeln und Prüfsonden (Einzel- oder Dual-Prüfsonden) verwendet wird.

Erweiterung des Analysators

Obwohl der VNA über einen großen Frequenzbereich hinweg arbeitet, sind bestimmten im Analysator verwendeten Schlüsselbaugruppen wie beispielsweise Koppler und Oszillatoren technische Grenzen gesetzt, die sie in ihrem Frequenzband eingeschränken. Um die volle Bandbreite abzudecken ist der VNA aus drei Messeinheiten zusammengestzt, deren Analysatoren unterschiedliche Messtechnologien enthalten um Frequenzbänder von 40 kHz bis 2,5 GHz, 2,5 bis 30 GHz und 30 bis 150 GHz erfassen zu können (Bild 3).

Bild 3: Das dem Messport vorgeschaltete Millimetermodul erweitert den VNA MS4647B mit seinen zwei internen Analysatoreinheiten auf eine Gesamtmessbandbreite von 40 kHz bis 150 GHz. Anritsu

Die ersten beiden Frequenzbänder werden vom Vector-Star MS4647B abgedeckt. Hierbei handelt es sich um einen standardmäßigen VNA, der Nieder- und Hochfrequenzsignale misst und der neben verschiedenen Kopplern, Signalquellen und Samplern zwei Analysatoren in einem Gehäuse vereint. Die verschiedenen Funktionen sind intern miteinander verknüpft und erscheinen auf dem Bildschirm des VNAs als ein Gerät.

Das Frequenzband 30 bis 150 GHz wird durch den Einsatz eines zusätzlichen externen Millimeterwellenmoduls abgedeckt, das in Reihe zur Messleitung des Vector-Star geschaltet wird. Dieses Modul ist aus zweierlei Gründen separat vom Gehäuse untergebracht: erstens kann der Messabgriff dicht am Messobjekt (DUT) erfolgen, was auch die Verluste der Hochfrequenzkabel minimiert, zweitens wird ein höheres Maß an Modularität möglich.

Ein wichtiges Merkmal des Anritsu-VNAs ist die Verwendung nichtlinearer Übertragungswege (Shockline-Technologie), welche es erlauben, sehr hohe Frequenzen mit hohen Amplitudenpegeln zu übertragen mit dem Ziel, Quell- und Lokaloszillator-Signale erzeugen zu können aber auch Sampler im VNA verwendbar zu machen. Infolgedessen kann der Analysator Messungen mit einem hohen Dynamikbereich über ein breites Frequenzspektrum hinweg ausführen. Eine Miniaturisierung dieser Technologie erlaubt eine Realisierung als kleine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC).

Bild 4: Das 270 g leichte mmW-Modul MA25300A erweitert den VNA im Hochfrequenzband bis 145 GHz und lässt sich dicht am Prüfling platzieren. Anritsu

Testkonfigurationen

In Multiport-Konfigurationen stellen Wafer-Messungen eine Herausforderung dar, weil vier Millimeterwellenmodule auf der Prüfstation befestigt und mit der Sonde verbunden werden müssen. Eine Montage von großen Messmodulen auf der Grundplatte des Waferprobers gestaltet sich als schwierig bis unmöglich. Daher hat Anritsu alle Schlüsselbaugruppen, einschließlich Sampler und Koppler, miniaturisiert und mit dem Shockline-ASIC verbunden. Daraus gehen neue Millimeterwellenmodule für 110 und 145 GHz-Messungen hervor, die eine Größe von gerade einmal 55 × 54 × 22 mm³ aufweisen. Für mehr Modularität besitzen die 110 GHz-Module Adapter für Hohlleiter.

Die Installation von Testkonfigurationen auf einem Prüfadapter erfordert viel Zeit und Sorgfalt. Sie wird durch die Verfügbarkeit verschiedener Modelle von Prüfsonden erschwert, wobei unterschiedliche Hersteller unterschiedliche Positionierer und Halterungen für die Millimeterwellenmodule anbieten. Dank der geringen Größe der von Anritsu gefertigten Module kann der Anwender glücklicherweise verschiedene Testkonfigurationen problemlos einrichten, selbst mit einer Befestigung in Nord-Süd- und Ost-West-Richtung. Mithilfe verschiedener Montageoptionen kann der Spalt zwischen den Sondenspitzen und dem Modul überbrückt werden, entweder indirekt, unter Verwendung eines Koaxialkabels, oder über einen Hohlleiter.

Bild 5: Die kleinen Millimeterwellen-Module lassen sich kompakt im Prüfadapter installieren. Labor IMEP-LaHC Grenoble

Zur Durchführung von Messungen an Endgeräten mit Koaxial- oder Hohlleiterverbindern werden die Module direkt oder über ein Kabel an die Baugruppen angeschlossen, ohne dass eine Proberstation eingesetzt wird. Aufgrund der Beweglichkeit, Größe und geringen Masse der Module besteht die Möglichkeit, Letztere näher am Messobjekt (DUT) zu platzieren.

Eigenschaften des Netzwerkanalysators

Die gängigsten Tests, die mit einem Vektornetzwerkanalysator durchgeführt werden, sind Streuparameter-Messungen. Mit dem neuen VNA Vector-Star ist es möglich, eine Vielzahl zusätzlicher Messungen durchzuführen, selbst im Bereich der Breitbandfrequenzen, darunter Leistungstests, die Bestimmung des Kompressionspunktes, Intermodulationsmessungen, Impulsmessungen, Messungen der Frequenzverschiebung zwischen Empfänger und Signalquelle und Rauschfaktormessungen. Mithilfe der Multiportkonfiguration sind verschiedene Betriebsmodi darstellbar, darunter der Modus mit unabhängigen Ports, der Gleichtakt- oder der Differenzialmodus. Dieser VNA kann einen hohen Dynamikbereich, eine hohe Genauigkeit und Stabilität gewährleisten und ist in der Lage, breitbandig zu messen. Im Bereich von 2 MHz bis 145 GHz ist die Empfindlichkeit größer -100 dBm. Bei kleinen Signalpegeln ist die Energiequelle bei einer Frequenz von 145 GHz zwischen -6 dBm und -50 dBm einstellbar. Die entsprechende 24-Stunden-Stabilität beträgt zwischen 0,04 dB (für die Magnitude und Phase) und 0,3° für die Phase. Bild 6 zeigt die Messkurven für Dynamiksystem und Pegel-Sweep.

Bild 6: Das linke Spektrum zeigt die Dynamik des kombinierten Messsystems aus Modul und VNA, rechts ist ein Pegel-Sweep bei 145 GHz dargestellt.
Anritsu

Wie bei jedem VNA ist vor Beginn der Messung eine Kalibrierung erforderlich. Dafür stehen zahlreiche Support-Tools zur Verfügung. Ein Hybridmodus erlaubt zudem die Anwendung verschiedener Verfahren im Mix. Es gibt außerdem Netzwerk-Extraktionswerkzeuge, die zum Entfernen von Elementen aus der Messkette (De-Embedding) oder zum Hinzufügen von Elementen (Embedding) genutzt werden können. Das sind beispielsweise Sondenspitzen, Kabel oder Adapter.

Große Bandbreite, hohe Performance

Schlussendlich sind die Hochfrequenzmessungen über einen breiten Frequenzbereich essenziell für die Charakterisierung von Breitbandbaugruppen. Hierfür eignet sich auch ein Vektornetzwerkanalysator wie der VNA Vektor-Star. Die für diese Tests geforderten Spezifikationen werden strenger und ihre Umsetzung auf Prüfstationen zunehmend komplexer. Der hier vorgestellte Vektornetzwerkanalysator bietet für Messkonfigurationen mit bis zu vier Ports eine hohe Performance und eine unkomplizierte Einführung über einen sehr großen Frequenzbereich.

(jwa)