Multiport-Testlösungen für komplexe HF-Bauteile

Um die Testkosten zu senken, sind mehr Komponenten in kürzerer Zeit zu testen. Die Testzeit lässt sich durch konsequentes Automatisieren verkürzen. Schwieriger ist das Steigern des Testvolumens, da höhere Anschlusszahlen und mehr Funktionen der Baugruppen auch das Testen komplexer machen. Beispiele dafür sind HF-Frontend-Module für den Multiband-Betrieb von Smartphones, Antennen mit mehreren Ein- und Ausgängen sowie passive Komponenten wie HF-Steckverbinder oder Verkabelungen für schnelle Digitalsysteme.

Bild 1: Schaltschema eines Zweiport-VNA mit einfachem schalterbasierenden Testset für 24 Messstellen mit 1x2-Schaltern, die auf 1x6-Schalter für jeden VNA-Port verzweigen. Keysight Technologies

Hersteller von Vektor-Netzwerkanalysatoren reagierten darauf mit der Erweiterung von zwei auf vier Eingänge sowie mit Multiport-Konzepten für Bauteile, die mehr als vier Messstellen für die Netzwerkanalyse benötigen. Solche Lösungen sollen die Kosten für die Messungen an Multiport-Komponenten in der Großserienfertigung reduzieren. Von einfachen Schalterboxen bis zu vollwertigen Prüfplätzen für schnelle Multiport-Messungen – zur Auswahl stehen inzwischen Lösungen für viele unterschiedliche Leistungs-, Durchsatz- und Budgetvorgaben.

Einfaches schalterbasierendes Testset

Einfache Messstellen-Umschalter, Multiplexer oder Schaltmatrizen nutzen jeweils zwei Tor-Messungen ausgehend von einem gemeinsamen Messtor. Ein Zweiport-Vektor-Netzwerkanalysator mit einem fixen und einem umschaltbaren Signalpfad kann so alle gewünschten Messungen durchführen. Ein einfaches schalterbasierendes Testset enthält ausschließlich HF-Schalter in Matrixanordnung, um die benötigten Signalpfade bereitzustellen. Mit einem Schaltaufbau für 24 Messstellen (Bild 1) kann jeder der beiden VNA-Eingänge nur zwölf Signalpfade messen, obwohl 24 Ports verfügbar sind. Denn es gibt keine Möglichkeit Pfade zwischen den zwölf Ports zu messen, die an dasselbe Tor des VNA angeschlossen sind. Dieser Schaltaufbau kann deshalb nur 144 Signalpfade anstelle der rechnerisch möglichen 276 Pfade vermessen.

Die Leistungsfähigkeit des Testsets ergibt sich aus der Art der verwendeten Schaltelemente. Halbleiterschalter bieten kurze Schaltzeiten sowie lange Lebensdauer und eignen sich damit für schnelle Testsysteme in Großserien-Anwendungen. Elektromechanische Schalter kommen bei Leistungen über 1 W zum Einsatz, der üblichen Grenze für HF-Halbleiterschalter.

Bild 3: Schaltschema eines Vierport-VNA mit Zwölfport-Extension-Testset. Für jede Messstelle ist ein Testportkoppler erforderlich. Keysight Technologies

VNA mit Schaltermatrix kombinieren

Ein Full-Cross-Bar-Testset bietet Messmöglichkeiten zwischen zwei beliebigen Ports. In Bild 2 verwendet es 1xN-Schaltmatrizen verbunden mit 1×2-Schaltern an jedem Port und ermöglicht Messungen über jeden gewünschten Signalpfad. Ungenutzte Ports müssen entweder an den 1xN- oder den 1×2-Schaltern mit Lasten abgeschlossen werden. Die Leistungsfähigkeit ist gleichfalls von den Schaltertypen sowie von Verlusten durch Fehlanpassung in jedem Pfad bestimmt.

Durch die Kombination von VNA und Schaltmatrix liefert die Full-Cross-Bar-Konfiguration eine kostengünstige Testoption. Allerdings ist das Verhalten jedes Signalpfades durch die Lasten an jedem anderen Port beeinflusst. Um die Fehlanpassung an allen Ports zu korrigieren, ist eine volle NxN-Port-Kalibrierung erforderlich. Das gestaltet sich schwierig, weil sich der Wert der Abschlusslast an jedem Port abhängig von der Beschaltung anderer Ports ändert.

Die Kombination eines VNA mit Schaltern ist zwar eine preiswerte Lösung, um die Anzahl der Messstellen zu erhöhen. Allerdings beeinträchtigen die Verluste, die in den Schaltern hinter dem Richtkoppler der VNA-Eingänge entstehen, die Systemleistung. Dynamikbereich, Rauschen oder Temperaturstabilität sind schlechter als bei einem VNA alleine. Diese Einflüsse wirken sich besonders bei Frequenzen oberhalb von 10 GHz aus.

Erweiternde Testsets

Ein besseres Design für vollständig kalibrierte NxN-Messungen bieten Extension-Testsets, die Schalter ebenso wie Richtkoppler beinhalten. Schaltmatrizen sowohl für die Signalquellen als auch für die Empfänger erweitern den VNA um zusätzliche Ausgänge und Testports. Für jede Messstelle ist ein Testportkoppler erforderlich (Bild 3).

Bild 2: Schaltschema eines Zweiport-VNA mit Full-Cross-Bar-Testset. Die Konfiguration kombiniert einen VNA mit einer Schaltmatrix. Keysight Technologies

Bild 5: Verglichen mit schalterbasierenden Testkonfigurationen ermöglichen echte Multiport-Lösungen schnellere Messungen mit weniger Messzyklen. Keysight Technologies

Stabilität und Qualität der Messungen mit den Extension-Testsets sind besser als bei den vorherigen Konfigurationen, weil alle Schaltvorgänge hinter dem Testportkoppler stattfinden und die Vektorfehlerkorrektur dort systembedingte Fehlerquellen eliminiert. Durch Aneinanderreihen mehrererTestsets lassen sich alle gewünschten Testportzahlen umsetzen. Der Dynamikbereich bleibt jedoch weiterhin durch die Schalterverluste limitiert.

Echte Multiport-Lösungen

Echte Multiport-Lösungen dagegen erfordern keine externen Schalter oder zusätzlichen Koppler für Multiport-Messungen. Ein Beispiel für eine echte PXI-Multiport-Lösung ist der Zweiport-PXIe-VNA M937xA von Keysight (Bild 4). Bis zu 16 Module lassen sich in einem PXI-Chassis konfigurieren und ermöglichen voll korrigierte Messungen an Prüflingen (DUT, Device Under Test) mit 32 Ports bei Frequenzen von bis zu 26,5 GHz. Jedes PXI-VNA-Modul verfügt über eine unabhängige Signalquelle und jeder Testport weist unabhängige Referenz- und Testempfänger auf. Die Empfänger können gleichzeitig die S-Parameter-Daten aller Messpfade erfassen. Da es keine Signalabschwächung zwischen Prüfling und Empfängern gibt, sind die Messungen hochgenau und stabil.

Bild 6: Beispiele unterschiedlicher Multi-Site-Testkonfigurationen mit PXI-VNAs, die mehrere Kanäle gleichzeitig testen. Keysight Technologies

Da das Multiport-PXI-VNA-System Daten mit mehreren Empfängern – einen für jeden Testport – erfasst, lassen sich im Vergleich zu schalterbasierenden Lösungen die Messungen viel schneller und mit wesentlich weniger Messzyklen durchführen (Bild 5). Echte Multiport-Lösungen bieten also einen klaren Vorteil bei der Optimierung von Testzeit und Durchsatz.

Multi-Site ermöglicht Multi-User

Multi-Site-Testlösungen können mehrere Messungen gleichzeitig vornehmen und steigern so den Durchsatz. Solche Systeme bestehen aus mehreren VNAs in unterschiedlichen Konfigurationen, die mehrere Kanäle eines einzelnen Bauteils oder mehrere Komponenten gleichzeitig testen (Bild 6). Eine Multi-Site-Testlösung nutzt einen einzelnen PC-Controller mit individuellen Software-Instanzen für jeden VNA. Jedes Messinstrument ist unabhängig konfigurier- und steuerbar und kooperiert simultan mit anderen VNAs des Testsystems. Der Testaufbau bewährt sich auch in Produktionsumgebungen mit mehreren Prüftechnikern. Im Beispiel aus Bild 7 sind vier Vierport-VNAs in einer Fertigungslinie für abstimmbare Filter so konfiguriert, dass vier Testpersonen gleichzeitig damit arbeiten können.

Bild 7: Multi-Site-Fähigkeiten ermöglichen Multi-User-Testsysteme. In dieser Konfiguration können vier Testpersonen gleichzeitig arbeiten. Keysight Technologies

Auch die Leistungsfähigkeit des Steuerungs-PCs, die ZF-Bandbreite (IFBW) der VNAs und die interne Kommunikation des Systems können den Durchsatz eines Multi-Site-Testsystems beeinflussen. Im Interesse der Testgeschwindigkeit sollte die Anzahl der PC-Prozessorkerne deshalb jener der VNAs entsprechen. Während niedrigere ZF-Bandbreiten keine Auswirkung auf den Systemdurchsatz haben, können IFBW von 100 kHz und höher den Testdurchsatz insgesamt verringern. Ein schnelles internes Kommunikationssystem schließlich stellt sicher, dass der Datenverkehr zwischen den einzelnen VNAs und dem Steuer-PC die Testgeschwindigkeit des Systems nicht negativ beeinflusst. Dazu trägt auch eine schnelle Backplane des PXI-Chassis bei.

Productronica 2017: Halle A1, Stand 576

(mou)