Phase Phasenmessung

(Bild: Maxim_Kazmin @ AdobeStock)

Da sich kommerzielle, luft-/raumfahrttechnische und andere Kommunikationsdesigns in das Millimeterwellenspektrum (mmWave) ausdehnen, müssen Entwickler ihre Testverfahren anpassen und höhere Anforderungen an Instrumente wie Vektornetzwerkanalysatoren (VNAs) stellen. Kürzere Wellenlängen in Verbindung mit mmWave-Frequenzen machen Phasenmessungen wichtiger, fordern aber auch eine korrekte Kalibrierung.

Phasenmessungen sind bereits ein wichtiger Faktor bei der Messung von passiven Bauelemente geworden. Die Phasenunterschiede können je nach Material sehr gering sein, sodass ein VNA selbst kleinste Abweichungen messen muss. Dies erfolgt durch den Vergleich des anliegenden Signals, das den Analyzer verlässt, entweder mit dem Signal, das durch das zu prüfende Bauteil (DUT; Device Under Test) übertragen wird, oder mit dem Signal, das von seinem Eingang reflektiert wird.

mmWave-Designs überprüfen

Die Phase ist zu einer wichtigen Messgröße bei der Verifizierung neuer Designs geworden, die mmWave-Frequenzen und kleiner Formfaktor kombinieren. Um wiederholbare und stabile Messungen zu gewährleisten, müssen geeignete Kalibriertechniken zum Einsatz kommen, um Zeit zu sparen und das Vertrauen in das Design zu erhöhen.

Zunahme von mmWave-Designs

Das mmWave-Band ist definiert von 30 – 300 GHz mit einer Wellenlänge zwischen 1 und 10 mm in Luft. Seine Eigenschaften, wie das Durchdringen von Nebel/Regen/Wolken, zahlen sich in vielen Anwendungen aus. Die große Bandbreite des mmWave-Bands macht es auch für die schnelle Mobilfunk- und Satellitenkommunikation interessant. Bild 1 beschreibt gängige Anwendungen und zugehörige Frequenzen. Durch immer kleinere Bauelemente und Systeme gewinnt auch die Phasenmessung in modernen Designs immer mehr an Bedeutung.

HF-Frequenzen
Bild 1: Gängige HF-Techniken und zugehörige Frequenzen. (Bild: Anritsu)

Einschränkungen bei Hohlleitern

Die Kalibrierung von VNAs ist wichtig, um Designs, die diese Techniken verwenden, genau zu überprüfen. Dies ist besonders relevant, wenn mmWave-Messungen Over-the-Air (OTA) durchgeführt werden müssen. Eine genaue Bauteilcharakterisierung muss von Gleichstrom bis weit über die harmonischen Frequenzen hinausgehen, um genaue Modelle bereitzustellen. Früher kamen verschiedene Hohlleiterbänder für HF-Messungen zum Einsatz. Sie werden für Leistungsanwendungen bevorzugt, haben aber für HF-Designs einige Nachteile. Ein Nachteil ist die Möglichkeit, Flansche ungenau zu verbinden, was sich negativ auf die Wiederholbarkeit auswirkt. HF-Leckagen und eine bandbegrenzte Zeitbereichsanalyse sind ebenfalls problematisch.

Der vielleicht größte Nachteil bei HF-Designs ist, dass Hohlleiter bandbegrenzt sind. Entwickler müssen daher die Messungen bei der Überprüfung ihrer mmWave-Produkte zusammenfügen. Dies ist zeitaufwändig und verringert die Genauigkeit und Wiederholbarkeit. Ein Breitband-VNA-System kann Hohlleiter erübrigen, indem es Sweeps über den gesamten Bereich durchführt und so eine zuverlässigere Modellierung ermöglicht.

Messtechnik Prüfling
Bild 2: mmWave-Module können nicht direkt am Prüfling (DUT) platziert werden. (Bild: Anritsu)

Kalibriertechnik

Das Testen bei mmWave-Frequenzen bringt neue und andere Messherausforderungen mit sich. Bei der Entwicklung dieser neuen Techniken ist minimale Messunsicherheit von entscheidender Bedeutung. Kalibrierung ist eine Möglichkeit, dies zu erreichen.

Die Kalibrierung ist aufgrund des internen Aufbaus eines VNA sowie aufgrund externer Faktoren wie Kabel, Halterungen und Module notwendig. Diese weisen Verhaltenseigenschaften wie z. B. Fehlanpassungen auf, die korrigiert werden müssen, um genaue Messungen zu erzielen. Die Kalibrierung muss am DUT-Ende der Kabel durchgeführt werden, um bestmögliche Ergebnisse zu erzielen.

Entwickler müssen langwierige Kalibrierungsroutinen durchführen, um die Amplituden- und Phaseneffekte der hinzugefügten Kabel und Hohlleiter aus den mmWave-S-Parameter-Messungen zu entfernen. Deshalb sollten Kabel bei höheren Frequenzen vermieden werden, da sie eine Herausforderung für die Kalibrierung darstellen. Zum Glück stehen mmWave-Module bereit, die keine Kabel benötigen (Bild 2) und die Wiederholbarkeit sowie Stabilität verbessern, da die Kalibrierung der Kabel entfällt. Sie reduzieren auch die Kosten, die sonst mit teuren Kabeln einhergehen.

Kalibrieralgorithmen
Bild 3: Gängige Kalibrieralgorithmen (Bild: Anritsu)

HF-Kalibrieroptionen

Der übliche Kalibrierungsansatz besteht darin, einen bekannten Standard wie SOLT (Short Open Load Through) oder SSST (Short Short Short Through) zu verwenden. Standards kompensieren interne Verluste und ermöglichen die Messung der Bauteileigenschaften. Bild 3 beschreibt die Kalibrieralgorithmen sowie deren Vor- und Nachteile.

Bei Kalibrierverfahren treten viele Unsicherheiten auf, die zu berücksichtigen sind. Dazu gehören Grund-, Trace-Rauschen und Restkalibrierungsfehler. Die beiden wichtigsten Faktoren bei hohen Frequenzen im mmWave-Bereich sind jedoch Drift und Wiederholbarkeit.

SOLT/SOLR werden meist nicht für höhere Frequenzen empfohlen, da es schwierig ist, einen vernünftigen Leerlauf (Open) jenseits von 65 GHz zu etablieren. Ein offener Hohlleiterflansch strahlt recht effektiv ab. Die Folge sind Instabilität und eine hohe Rückflussdämpfung, weshalb ein koaxialer Leerlauf einen geschlossenen Ansatz verwenden muss. Am offenen Ende des Innenleiters bildet sich eine frequenzabhängige Streukapazität. Selbst wenn ein offener Standard physikalisch mit einer Länge von Null konstruiert würde, tritt eine Streukapazität auf. Ein Koax-Kurzschluss kann mit nahezu idealen Eigenschaften konstruiert werden, um eine Totalreflexion der einfallenden Energie zu ermöglichen. Innerhalb des Kurzschlusses tritt ein kleiner Längenversatz auf. Bei Koaxkabeln weisen ein Kurzschluss mit der Länge Null und eine perfekt abgeschirmte offene Leitung einen Phasenunterschied von 180° auf, während eine angepasste Last eine Differenz von 40 bis 50 dB zum Kurzschluss und der offenen Leitung bewirkt.

Für Hohlleiter wird bei höheren Frequenzen der SSST/SSSR-Ansatz empfohlen, da kein Laststandard erforderlich ist. Die genaue Kenntnis der kurzen Offset-Längen ist ebenfalls entscheidend.

Für mmWave-Designs entwickelten Hersteller neue Kalibriermethoden entwickelt. Bisher hatten Entwickler nur Zugriff auf die CCF-Dateien (Kalibrierkoeffizienten). Diese enthielten Induktivitäts- und Kapazitätswerte für Leerlauf und Kurzschluß des Kalibrierungskits sowie deren Offset-Längen. Da es sich ausschließlich um modellierte Daten handelte, waren die Restfehler entsprechend hoch.

Eine neue Form von Kalibrierkits, die allgemein als Databased-Kalibrierkit bezeichnet wird, enthält die genauen S-Parameter über dem Frequenzgang jedes Bauteils im Kalibrierkit. Das Ergebnis sind kleinere Restfehler in den Berechnungen sowie eine höhere Gesamtgenauigkeit der Kalibrieralgorithmen. Anstelle der Kalibrierkoeffizienten wird der S-Parameter über der Frequenz bereitgestellt. Dies kann durch elektromagnetische (EM) Simulation oder durch Transfer-/Realmessungen beim Hersteller erfolgen. Eine geringere Restwelligkeit ist ebenfalls erstrebenswert, da dies zu qualitativ höheren Messungen beiträgt. Ein Beispiel für die Eingaben des Datenbank-Kalibrierkits ist in Bild 5 dargestellt.

Diese Kalibriertechniken eignen sich für koaxiale Leiter, Hohlleiter oder On-Wafer durchgeführt.

Kalibrierung
Bild 4: Standardinformationen bei der traditionellen Kalibrierung (Bild: Anritsu)

Breitband-Kalibrierungen

Die Liste der Kalibrier-Algorithmen ist lang. Einige beliebte On-Wafer-/Freiraum-Breitband-Algorithmen, die auf der Charakteristik von Übertragungsleitungen und dem Delta zwischen zwei oder mehreren gleichen Typen basieren, werden nachfolgend beschrieben. Sie beruhen auf idealen Übertragungsleitungen, da die verschiedenen Leitungen die gleichen

Ausbreitungseigenschaften, Anschlussschnittstellen und die gleiche Impedanz aufweisen müssen. Hier die Verfahren im Detail:

  • Line-Reflect-Line (LRL) – Dieser Algorithmus, der manchmal auch als TRL bezeichnet wird, hat den Vorteil, dass er höchste Genauigkeit bietet und eine minimale Standarddefinition benötigt. Er erfordert jedoch sehr gute Übertragungsleitungen und mehr Sorgfalt, da er weniger Redundanz aufweist. Zudem ist er bandbegrenzt.
  • Multiline TRL (mTRL) – Ein sehr genauer Algorithmus mit ebenfalls minimaler Standarddefinition. Ein Nachteil ist, dass er hochwertige Übertragungsleitungen erfordert. Er verwendet auch bis zu 10 Leitungen, und alle Leitungen werden bei jeder Frequenz im Sinne der kleinsten Quadrate mit Bandbegrenzungen verwendet. Der Algorithmus erfordert mehr Leitungen als LRL, um optimale Leistungsfähigkeit zu erzielen.
Datenbank Kalibrierung
Bild 5: Beispiel für die Eingaben des Datenbank-Kalibrierkits (Bild: Anritsu)

Betrags- und Phasenstabilität

Bei Breitband- und mmWave-Messungen ist Stabilität von Interesse, da lange Messaufgaben oder längere Kalibrierintervalle möglich sind. Eine lang Gültigkeit der Kalibrierung, die das Risiko ungenauer Messungen und die Gesamtzeit für die anfängliche Kalibrierung verringert, ist zu bevorzugen.

Der modulare BB-Ansatz hilft dabei. Hier werden die Hochfrequenzkoppler am 1 mm- (oder 0,8 mm-) Anschluss platziert, um die Beeinträchtigung der Richtschärfe zu minimieren. Weitere Vorteile sind ein kleines integriertes Gehäuse, um Temperaturgradienten zu vermeiden und ein eng integriertes Steuerungssystem. Damit ergibt sich eine gute Stabilität in Sachen Reflexion und Übertragung über der Zeit (Bild 6). (prm)

 

Phasenmessung Kalibrierung
Bild 6: Stabilität von Betrag und Phase über 24 Stunden (nach BB-Ansatz). (Bild: Anritsu)

Navneet Kataria

Product Marketing Engineer bei Anritsu

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