Frequenzen bis 220 GHz Breitband-VNA charakterisiert Bauelemente für Millimeterwellen

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Mobilfunk, Radar oder Hochfrequenz-Bildgebung: Komponenten und deren Subsysteme arbeiten mit Millimeterwellen. Vektor-Netzwerkanalysatoren müssen mit den steigenden Bandbreiten Schritt halten. Hersteller wie Anritsu bieten Bandbreiten bis 220 GHz für die Entwicklung an.

Für die Entwicklung neuer Komponenten und Subsysteme im höheren Millimeterwellen- und Frequenzbereich ist eine genaue Modellierung der Komponenten unerlässlich. Ein entscheidender Faktor für die Qualität eines Modells ist die Genauigkeit der gemessenen S-Parameter. Die dafür notwendigen breitbandigen VNAs (Vector Network Analyzer) sind derzeit auf 120 GHz begrenzt, was für viele neue und zukünftige Technologien nicht mehr ausreicht. Der folgende Beitrag stellt einen VNA mit einer Bandbreite von 220 GHz vor und erläutert, wie S-Parameter-Messungen auf einem Wafer-Prober einfacher und besser erfolgen können.

Halbleiter- und Schaltungsdesigns bei hohen Frequenzen

Geschwindigkeit und Datendurchsatz sind wichtige Leistungsmerkmale eines modernen Kommunikationssystems. Selbst mit modernen und effizienten Modulationsverfahren sind dafür große Frequenzbandbreiten erforderlich. Diese sind jedoch eine begrenzte und teure Ressource, und die Frequenzbänder bis 40 GHz sind bereits durch Funkdienste belegt. Das Ausweichen auf höhere Frequenzen wie das D-Band mit 110 bis 170 GHz ist ein Ausweg aus diesem Dilemma. Allerdings wird das Halbleiter- und Schaltungsdesign bei den hohen Frequenzen zur Herausforderung.

Vorbei sind die Zeiten, in denen ein Entwickler mit ein paar Berechnungen, einem Blatt Papier und einem Lötkolben sein Design begann. Die heutige Schaltungsentwicklung basiert auf dem Einsatz von Simulationssoftware. Obwohl diese selbst bei Frequenzen über 100 GHz hervorragende Arbeit leistet, benötigen die Entwickler genaue Modelle der im Design verwendeten aktiven und passiven Bauelemente. Fehlen diese Modelle, sind unnötige und teure Iterationen im Entwicklungsprozess notwendig.

Ein Breitband-VNA für eine Frequenz von 220 GHz

Für gute Simulationsergebnisse sind Bauteilmodelle über einen breiten Frequenzbereich erforderlich, auch wenn das endgültige Bauteil nur in einem begrenzten Frequenzbereich eingesetzt wird. Es ist wichtig, die Simulation in einem viel breiteren Frequenzbereich vorzunehmen, insbesondere um die Stabilität eines Entwurfs zu bewerten.

Aus regulatorischen Gründen müssen auch Emissionen außerhalb des Arbeitsbereichs, einschließlich Oberschwingungen, geprüft werden. Der herkömmliche Ansatz besteht darin, die Messergebnisse mehrerer schmalbandiger Geräte miteinander zu verknüpfen und die Daten zu kombinieren. Ein Nachteil dieses Ansatzes ist, dass Probleme wie unterschiedliche Unsicherheiten, Drift und Kalibrierverfahren für jede bandbegrenzte Messung auftreten können. Außerdem ist die Verwendung verschiedener Messsysteme wesentlich zeitaufwendiger als die Verwendung eines einzigen Instruments für alle Messungen.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, bietet Anritsu den ME7838G an, einen Breitband-VNA für 220 GHz. Als führender Anbieter von Breitband-VNAs bietet Anritsu ein skalierbares Konzept für HF-Tests bis zu mehreren hundert GHz. Dieser Prozess begann mit der Einführung eines Breitband-VNA bei 110 GHz vor zehn Jahren, gefolgt von der Einführung eines Systems bei 145 GHz.

Nun wurde die nächste Hürde genommen: 220 GHz in einem Single-Sweep-VNA. Basierend auf der NLTL-Technologie (Non Linear Transmission Line, nichtlineare Übertragungsleitung) war die Technologie für 220 GHz bereits im Forschungszentrum von Anritsu verfügbar. Die größte Schwierigkeit bestand darin, eine geeignete Verbindung zwischen dem VNA und dem Prüfling (Device Under Test) herzustellen.

Eine Lösung war die Entwicklung eines völlig neuen koaxialen Steckverbinders, zum Beispiel eines 0,5 mm Steckverbinders. Die Standardisierung eines neuen Steckerdesigns ist immer eine sehr teure und zeitaufwändige Aufgabe. Da kein Endgerät bei diesen Frequenzen jemals einen Koaxialstecker als Schnittstelle zu anderen Komponenten verwenden wird, ist diese Option wenig sinnvoll.

Kontinuierlicher Frequenzsweep von 70 kHz bis 226 GHz

Eine breitbandige Schnittstelle zwischen dem VNA und der On-Wafer-Prüfspitze ist erforderlich, da der 220 GHz VNA nur für die Charakterisierung von On-Wafer-Bauelementen verwendet wird. Um die Anforderung an die erforderliche Breitbandigkeit zu erfüllen, kann nur ein Koaxialstecker verwendet werden. Da dieser Stecker jedoch nur als Schnittstelle zwischen VNA und Sonde verwendet wird, ist ein konventionelles Stecker/Buchse Koaxdesign mit Gewinde und Überwurfmutter nicht unbedingt erforderlich.

Die Verbindung muss robust, einfach herzustellen und wiederholbar sein. Die Kombination einer koaxialen Schnittstelle mit der Robustheit und mechanischen Stabilität eines Hohlleiterflansches ist die ideale Lösung für diese Herausforderung. Aus diesem Grund hat Anritsu in Zusammenarbeit mit MPI eine Koaxialflanschschnittstelle entwickelt, die mit dem VNA ME7838G einen kontinuierlichen Frequenzsweep von 70 kHz bis 226 GHz ermöglicht.

Test- und Referenzsignale zwischen 30 GHz und 226 GHz

Die NLTL-Technologie bietet eine hervorragende Konversionseffizienz und eine niedrige Rauschschwelle für eine optimale Systemdynamik im Millimeterwellenband. Das Modul ist in ein kleines Gehäuse integriert, das hohe Stabilität und Leistung gewährleistet. Innerhalb des Moduls sind die Generatoren über Substratkoppler an die Hauptübertragungsleitung gekoppelt.

NLTL-Oberwellenabtaster wandeln Test- und Referenzsignale zwischen 30 GHz und 226 GHz in eine Zwischenfrequenz um und sind so nah wie möglich am DUT-Port angeordnet. Eine elektronische ALC-Steuerung (Automatic Level Control) ermöglicht die Regelung des Leistungspegels um bis zu 50 dB. Diese ALC ist wichtig für Messungen an einzelnen Transistoren und LNAs, die generell sehr niedrige Ansteuerpegel erfordern.

Ein weiterer Aspekt ist, dass die DC-Vorspannung (Bias) wie gewohnt über den rückseitigen Anschluss des Moduls zugeführt werden kann, wodurch ein breitbandiger Bias-T entfällt. Der Hauptsignalpfad des Moduls ist für einen sehr geringen Gleichstromwiderstand ausgelegt, so dass ein Kelvin-Bias-T, der 4-Punkt-Gleichstrommessungen ermöglicht, keine nennenswerten Fehler verursacht.

Die HF-Schnittstelle

Herkömmliche Koaxialsteckverbinder mit Gewinde können nicht für die Übertragung im TE11-Modus bei 220 GHz skaliert werden. Die Skalierung von Standard-Koaxialsteckverbindern ist bei Steckverbindern mit einem Innendurchmesser des Außenleiters von weniger als 0,8 mm nicht praktikabel. Das liegt daran, dass die erforderliche Bearbeitungsgenauigkeit von Mittel- und Außenleiter einfach nicht gegeben ist.

Für den Betrieb bei 220 GHz wird eine koaxiale Schnittstelle mit einem Außendurchmesser von 0,6 mm benötigt, was alternative Ansätze für den Aufbau der Steckerschnittstelle erfordert. Darüber hinaus erfordert die zusätzliche Möglichkeit, relativ schwere Hohlleiterkomponenten zu montieren, die oberhalb von 110 GHz zu Kalibrier- und Verifikationszwecken eingesetzt werden. Dabei verbiegt sich deren Außenleiter unter Last nicht entlang der Steckerachse.

Ein UG-387/UM-Hohlleiterflansch sorgt für die präzise Ausrichtung der 0,6-mm-Koax-Stecker-/Buchsenverbindung, was einen Gewindeanschluss erübrigt. Ein zusätzlicher Vorteil ist die Kompatibilität mit einer Standard-Hohlleiterschnittstelle. Dies lässt sich mit einem Inline-Koaxial-Hohlleiter-Übergang umsetzen. Echte Hohlleiteranwendungen sind zwar nicht die normalen Anwendungsfälle für einen solchen VNA, aber fehlende Kalibriergeräte (wie ein Leistungsmessgerät) erfordern dennoch eine solche Schnittstelle für die routinemäßige Verifikation oberhalb von 110 GHz.

Geräteanbindung mit breitbandiger Frequenzantwort

Eine HF-Prüfspitze stellt die Verbindung zwischen der koaxialen Schnittstelle eines VNA und dem Prüfling auf einem Wafer her. Diese Testspitze benötigt eine breitbandige Frequenzantwort mit geringer Einfügedämpfung und guter Rückflussdämpfung bis 220 GHz. Die TITAN-Tastköpfe von MPI wurden für den Einsatz mit dem VNA ME7838G von Anritsu entwickelt. Sie sind mit MEMS Kontaktspitzen von 50 Ohm ausgestattet, passen direkt auf die MA25400A-Module und bieten eine Wiederholbarkeit und Lebensdauer.

Der Hauptvorteil des Systems ist die direkte Verbindung zwischen dem Tastkopf und dem VNA, was eine optimale Richtcharakteristik und Messstabilität gewährleistet. Darüber hinaus bietet MPI das notwendige Kalibriersubstrat, das den Einsatz moderner Kalibrierverfahren wie LRRM, ALRM und MultiLine TRL unterstützt.

Zusätzlich zu den zahlreichen integrierten Kalibrierverfahren wird der ME7838G von QAlibria, der Kalibriersoftware von MPI, unterstützt. QAlibria vereinfacht den gesamten On-Wafer-Kalibrierprozess und garantiert höchste Messgenauigkeit.

Ein weiterer wesentlicher Punkt für jeden VNA ist die Drift und das erforderliche Rekalibrierungsintervall. Die fest integrierten NLTL-Module bieten eine hervorragende Langzeitstabilität. Dies ist auch deshalb wichtig, weil das De-Embedding, das zur Verschiebung der Referenzebenen von den Tastspitzen zum Bauteil erforderlich ist, auf Stabilität angewiesen ist.

Ein Fazit des Breitband VNA

Ein breitbandiges integriertes VNA-System für 220 GHz ist eine vielseitige und elegante Lösung für die aktuellen Herausforderungen bei On-Wafer-Messungen. In Kombination mit einer leistungsstarken Prüfspitze bietet ein integrierter VNA mit 220 GHz hohe Genauigkeit, große Flexibilität und verkürzt den Entwicklungsprozess von Millimeterwellen-Bauelementen – auch über 120 GHz hinaus.

* Nach seinem Studium der Elektrotechnik und Nachrichtentechnik war er in verschiedenen Positionen tätig: als Entwicklungsingenieur, Service Manager, Vertriebs- und Applikationsingenieur und derzeit als Teamleiter des HF- und Mikrowellentechnik-Teams. Christian ist seit 1995 für Anritsu tätig. Neben verschiedenen Positionen in Deutschland war er drei Jahre als Strategic Marketing Manager für Anritsu Japan tätig.

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