Test Fixtures per misure con Vector Network Analyser

L’odierna tecnologia, in rapida evoluzione, è caratterizzata da frequenze operative più elevate e larghezze di banda più ampie, oltre a riduzioni drastiche delle dimensioni e del peso dei componenti. Queste tendenze rappresentano nuove sfide per le apparecchiature di test e misura necessarie per una precisa caratterizzazione dei dispositivi che incorporano queste parti in miniatura. La situazione è aggravata dal fatto che in molti casi è necessario testare dispositivi “non in connessione”, il che significa che non vi è alcuna possibilità di utilizzare facilmente strumenti di misura commerciali che incorporano connettori coassiali standard come interfacce chiave dei device under test (DUT).

In tali casi, il dispositivo sotto test (su un substrato o wafer) deve essere collegato allo strumento di misura tramite una interfaccia che fornisca sia la connessione meccanica che quella elettrica. Questa interfaccia assume generalmente la forma di una struttura basata su una probe, nota come “test fixture”, che va da una connessione di base fissa (avvitata o saldata) ad un approccio “universale” che fornisce flessibilità, efficienza e qualità delle misure. Esiste anche un grande gruppo di sistemi complessi basati su probe stations che hanno una propria sfera di applicazioni dedicate (che può facilmente sovrapporsi a quella delle apparecchiature di prova), tuttavia la maggior parte comporta complessità e costi elevati.

La complessità della caratterizzazione e l’alta qualità delle misure di questi DUT richiedono generalmente l’uso di un analizzatore di rete vettoriale (VNA), che fornisce risultati di misura nella forma di metriche vettoriali di parametri-S per ampiezza e fase. Tipicamente, un sistema di misura completo incorpora un dispositivo di prova, un analizzatore di rete vettoriale ed un kit di calibrazione del “substrato” (per la calibrazione “in-fixture”).

Il termine “universale”, nel contesto dei dispositivi di prova, proviene dal loro supporto per un’ampia varietà di forme e dimensioni di DUT, ampia copertura di frequenza, ripetibilità della connessione, supporto di funzionalità aggiuntive come capacità di bias e test di dispositivi multiporta, oltre alla facilità di utilizzo, ottima affidabilità e prestazioni complessive (compresi return loss e insertion loss del dispositivo stesso). L’apparecchiatura mostrata in Fig.1, ad esempio, consente transizioni precise ripetibili da coassiale a microstrip o da coassiale a coplanar waveguide (CPW), offrendo la capacità di misura del substrato per la progettazione di componenti e  dispositivi.

Fig. 1a – 3680V UTF DC to 60 GHz with bias probe                                    Fig. 1b – 3680V UTF DC to 60 GHz  with MIMI attachment 

Figura 1 – Universal test fixtures

Un ulteriore vantaggio di questo tipo di dispositivo di prova è che offre agli ingegneri un grado di manutenzione in-situ, fornendo così una estesa flessibilità. Se l’apparecchio viene danneggiato accidentalmente, ad esempio, è possibile sostituire le parti principali mentre questo è in posizione, risparmiando tempo e denaro, non dovendosi fermare nel mezzo di una suite di misure.

Una situazione ideale per una test fixture, che disponga di un’interfaccia di corrispondenza tra un DUT ed uno strumento di misura (VNA), sarebbe una connessione completamente “trasparente” con zero insertion loss e return loss infinita (assenza di mismatch), risposta in frequenza piatta e nota, con fase lineare, e nessuna perdita tra le porte (isolamento infinito) che, naturalmente, non è una condizione possibile. Molti fattori contribuiscono alla qualità delle misure: poiché è coinvolto un sistema di misura, tutte le parti (VNA con i suoi componenti, cavi, adattatori e apparecchiature) aggiungeranno errori, aumentando l’incertezza delle misure. Inoltre, le prestazioni del DUT contribuiscono anche all’accuratezza complessiva della misura. Tuttavia, è possibile rimuovere la maggior parte degli errori di misura utilizzando le tecniche di correzione degli errori vettoriali VNA come parte del processo di calibrazione, che si basa su standard di calibrazione di alta qualità ben definiti come elementi di riferimento.

Errori casuali e sistematici

Nella maggior parte delle misure VNA a onde millimetriche e RF, i termini di errore sono classificati come casuali o sistematici.

Gli errori casuali non sono prevedibili e pertanto non sono correggibili dal processo di calibrazione. I principali fattori che contribuiscono agli errori casuali sono la ripetibilità dei connettori, la stabilità del cavo, i cambiamenti ambientali (esclusi gli effetti di deriva), la ripetibilità della frequenza e il rumore. Delle buone pratiche di misura sono fondamentali per ridurre gli errori casuali.

Gli errori sistematici, d’altra parte, includono fattori quali direttività, origine e corrispondenza del carico, isolamento, riflessione e tracking della trasmissione. Sebbene rappresentino le fonti più significative di incertezza nelle misure, queste possono essere drasticamente ridotte dal processo di calibrazione (e successiva correzione degli errori). Alcuni effetti residui non vengono corretti perché gli standard di calibrazione non sono ancora perfettamente definiti ed i modelli di errore utilizzati per descrivere l’impostazione della misurazione non sono perfetti. Gli errori residui possono essere utilizzati per calcolare le incertezze di misura totali e sono espressi nelle specifiche tecniche di un VNA per una varietà di algoritmi di calibrazione. Ciò aiuta a determinare il livello di dell’accuratezza di misura disponibile da uno strumento in un determinato insieme di condizioni.

Il problema principale per un sistema di misura che utilizza una test fixture è che i termini di incertezza sopra menzionati sono definiti per i kit standard di calibrazione coassiale del VNA, il che significa che gli errori vengono rimossi solo fino ai connettori coassiali dei cavi di prova utilizzati.

Diverse pratiche possono essere utilizzate per rimuovere il contributo di una test fixture dai risultati di misura del DUT. Ciascuna di essi è applicabile nei casi d’uso corrispondenti, in base all’accuratezza di misura richiesta. Le prestazioni del dispositivo di prova sono anche direttamente correlate alle prestazioni del DUT e determinano il livello di calibrazione richiesto per soddisfare i criteri di incertezza di misura.

Il de-embedding è uno strumento software VNA che viene utilizzato per rimuovere “matematicamente” l’effetto delle test fixtures dai risultati della misura. La test fixture (o “rete” in questo caso) deve essere accuratamente misurata in anticipo con un file di dati dei parametri-S o un modello simulato della test fixture adoperata. In questo caso, la calibrazione viene effettuata utilizzando standard coassiali.

Figura. 2 Processo di de-embedding (rimozione degli effetti della test fixture dalla misura del DUT)

L’accuratezza complessiva della misura, in generale, sarà determinata principalmente dalla qualità dei dati dei parametri-S della test fixture (misurati o modellati) che in scenari complessi è piuttosto difficile da ottenere. Se le prestazioni effettive della test fixture non corrispondono a dati modellati o misurati, si verificano errori.  Il de-embedding potrebbe anche essere applicabile per un DUT a bassa perdita, e non tiene conto dei termini di errore di disallineamento. In questi casi, la calibrazione all’interno della test fixture fornisce una rappresentazione più accurata dei parametri-S del DUT. 

Calibrazione “in-fixture”

Sono disponibili due metodi base di calibration in-fixture: OSL(T) per open-short-load (through) e LRL/LRM per line-reflect-line/line-reflect-match. La calibrazione LRL è una variazione della calibrazione LRM in cui al posto del match (terminazione) viene utilizzata una seconda linea. Ci sono anche alcune variazioni, come ALRM (Advanced LRM): una tecnica di calibrazione Anritsu implementata nei menu di calibrazione VectorStar, che utilizza diversi modelli di carico per ciascuna porta e due standard di riflessione.  La Tabella 1 è una lista di algoritmi di calibrazione tipici disponibili, che mostrano quelli appropriati per le applicazioni “in-fixture”.

Tabella 1:

Tabella 2:

La precisione delle misure dipenderà in gran parte dagli standard di calibrazione (quanto accuratamente siano stati definiti gli standard) ed il numero di termini di errore che possono essere corretti dipenderà dall’algoritmo e dal tipo di calibrazione selezionati. Nel caso del dispositivo a due porte,  per rimuovere tutti i 12 termini (gli errori sistematici menzionati in precedenza: directivity, source match, reflection tracking, load match, transmission tracking, e isolation, nelle due direzioni, sia forward che reverse, per il flusso del segnale, per il totale di 12 termini) sarà richiesta la completa calibrazione Full 2-Port con correzione degli errori. Ciò porterà alla massima precisione di misura, ma richiede più standard di calibrazione.

Le calibrazioni LRL offrono la migliore accuratezza ma hanno una larghezza di banda limitata. Le meno accurate calibrazioni OSL e LRM coprono ampie gamme di frequenza e possono calibrare fino a frequenze più basse. Le calibrazioni LRM si traducono in un migliore source match rispetto alla calibrazione OSL. La migliore calibrazione a banda larga può essere ottenuta combinando le calibrazioni LRL e LRM. Anche la calibrazione LRL/LRM è preferibile negli ambienti microstrip, poiché gli standard corrispondenti sono fabbricati più facilmente rispetto a quelli dell’OSL. Gli standard OSL richiedono anche una caratterizzazione accurata per misure di qualità. Fig. 4 mostra alcuni esempi di standard QSL “in-fixture”.

Fig. 4a – Open-Short Calibration Standard all’interno della serie 3680 UTF

Fig. 4b – Load Calibration Standard all’interno della serie 3680 UTF

Fig. 4 Standard di calibrazione “In-fixture” per calibrazione OSL

Ove la calibrazione “in fixture” impostata includa anche componenti di verifica per aiutare gli ingegneri nel qualificare il sistema di misura, ciò risulta essere molto utile. Inoltre, è importante avere le specifiche per i termini di errore residuo che possono essere ottenuti utilizzando la particolare configurazione di sistema (costituita dal VNA, dal dispositivo di test e dal kit di calibrazione “in fixture”). Ciò aumenta il grado di fiducia dell’accuratezza di misura e dei risultati ottenuti. Un esempio di tali dati è mostrato nella Tabella 2.

Un ingegnere può anche utilizzare un “calcolatore di incertezza” dedicato, come “Exact Uncertainty” di Anritsu, per ottenere ulteriore sicurezza sul livello di precisione. Per inciso, poiché la microstrip rappresenta un mezzo dispersivo in cui lo sfasamento non è lineare rispetto alla frequenza, la capacità del VNA di compensare questa dispersione può migliorare la precisione della misurazione vettoriale.

Conclusioni

Le sfide associate alla proliferazione di nuovi progetti RF/mmW richiederanno una caratterizzazione dei dispositivi accurata e di alta qualità. Avere gli strumenti giusti ed una comprensione dell’importanza di una corretta calibrazione, insieme agli algoritmi discussi nell’articolo, garantirà le migliori pratiche ed una migliore qualità nella progettazione di componenti/dispositivi.

A cura di Maksim Pud, Anritsu