Guardando oltre il limite dei 120GHz

Per sviluppare nuovi componenti e sottosistemi nel mercato delle più alte frequenze mmWave, è essenziale creare modelli il più accurati possibile. Un fattore chiave nella qualità del un modello di un dispositivo è l’accuratezza dei Parametri-S a banda larga. I VNA a banda larga sono attualmente limitati a 120 GHz, taglio di frequenza non sufficiente per molte delle nuove e future tecnologie. In questo articolo viene pesentato un nuovo VNA a banda larga fino a 220 GHz, mostrando come questo semplifichi e migliori le misure di Parametri-S “on-wafer”.

Il lettore apprenderà come superare l’attuale problema dell’integrità dei dati broadband e cosa sia necessario per ottenere misure stabili e ripetibili fino a 220 GHz.

Velocità e throughput dei dati sono indicatori chiave delle prestazioni per ogni moderno sistema di comunicazione e anche con schemi di modulazione moderni ed efficienti, saranno necessarie ampie larghezze di banda di frequenza. Tuttavia, si tratta di risorse limitate e costose e le fasce di frequenza fino a 40 GHz sono già sovraffollate da servizi wireless. Spostarsi su frequenze più alte come la banda D (da 110 GHz a 170 GHz) è una via d’uscita da questo dilemma, ma a queste alte frequenze, la progettazione di semiconduttori e circuiti diventa più di una semplice sfida. Sono finiti i tempi in cui un progettista iniziava il proprio lavoro armato solo di alcuni calcoli, un pezzo di carta e un saldatore. Al contrario, lo sviluppo dei circuiti odierno si basa sull’uso di software di simulazione.  Sebbene questo consenta di fare un lavoro eccellente, anche a frequenze oltre i 100 GHz, i progettisti hanno bisogno di modelli esatti dei dispositivi attivi e passivi utilizzati nella progettazione. La mancanza di questi modelli causa iterazioni inutili e costose durante il processo di progettazione.

Per ottenere buoni risultati di simulazione del circuito, è essenziale utilizzare modelli a banda larga su un’ampia gamma di frequenze, anche se il dispositivo finale verrà utilizzato solo con una larghezza di banda ridotta. È importante eseguire la simulazione a un intervallo molto più ampio, in particolare per valutare la stabilità di un progetto. Inoltre, anche le emissioni fuori banda, comprese le armoniche, devono essere testate per motivi normativi. L’approccio convenzionale sarebbe quello di concatenare i risultati della misurazione da diversi strumenti per banda e combinare i dati ottenuti. Uno svantaggio di questo approccio è che introduce problemi come incertezze di diversa natura, drift e step di calibrazione per ciascuna delle misure in banda. Inoltre, l’utilizzo di diversi sistemi di misura richiede molto più tempo rispetto all’utilizzo di un unico strumento per tutte le misure.

Per soddisfare questi requisiti, Anritsu ha sviluppato il ME7838G, un VNA a banda larga fino a 220 GHz. In qualità di leader tecnologico nei VNA a banda larga, Anritsu può fornire un concept scalabile per i test ad alta frequenza, fino a diverse centinaia di GHz.

Questo processo è iniziato con la presentazione di un VNA a banda larga a 110 GHz 10 anni fa, seguito dall’introduzione di un sistema a 145 GHz. Ora il successivo ostacolo è stato superato: 220 GHz in una singola scansione VNA. Basata sulla tecnologia NLTL (Non Linear Transmission Line), la capacità di 220 GHz esisteva già presso il centro di ricerca di Anritsu, e la sfida più grande era quella di sviluppare una connettività adeguata tra il VNA e il DUT (device under test). Un’opzione sarebbe stata quella di sviluppare un’interfaccia coassiale completamente nuova, come un connettore da 0,5 mm. Tuttavia, la standardizzazione di un nuovo connettore è sempre un’attività molto costosa e dispendiosa in termini di tempo e, poiché nessun dispositivo reale utilizzerà mai a quelle frequenze un connettore coassiale come interfaccia per altri componenti, questa opzione ha quindi poco senso.

È necessaria un’interfaccia a banda larga tra il VNA e la sonda su wafer, poiché il VNA a 220 GHz verrà utilizzato solo per la caratterizzazione di dispositivi su wafer. Per soddisfare il requisito di una risposta a banda larga, è possibile utilizzare solo un connettore coassiale. Tuttavia, poiché questo connettore verrà utilizzato solo come interfaccia tra il VNA e la sonda, un design tradizionale di connettore coassiale maschio femmina con dadi filettati di accoppiamento non è essenziale. La connessione deve essere robusta, facile da fabbricare e ripetibile.  La combinazione di un’interfaccia coassiale con la robustezza e la stabilità meccanica di una flangia a guida d’onda è la soluzione ideale per questa sfida. Un’interfaccia a connettore coassiale flangiato è stata quindi sviluppata da Anritsu in collaborazione con MPI (www.mpi-cooperation.com) per facilitare il test a scansione continua da 70 kHz a 226 GHz utilizzando il sistema VNA ME7838G.

Il Cuore del Sistema VNA ME7838G 220 GHz

La tecnologia NLTL consente di ottenere un’eccellente efficienza di conversione combinata con un basso rumore di fondo, offrendo un sistema con un range dinamico ottimale alle frequenze mmWave. Si inserisce in un piccolo package altamente integrato ad elevata stabilità e performance. All’interno del modulo, le sorgenti in banda sono accoppiate alla linea di trasmissione principale tramite accoppiatori di substrato. I sampler di armoniche NLTL convertono i segnali di test e di riferimento in una frequenza intermedia, da 30 GHz a 226 GHz, e si trovano il più vicino possibile alla porta DUT. Un controllo elettronico ALC fornisce fino a 50 dB di controllo del livello di potenza. Questo ALC è importante per le misure su transistor isolati e LNA, che in genere richiedono livelli di pilotaggio molto bassi.

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Un altra caratteristica importante è che la polarizzazione DC può essere fornita, come di consueto, dal connettore posteriore del modulo, eliminando la necessità di un bias tee a banda larga. Il percorso del segnale principale del modulo è progettato per avere una resistenza DC molto bassa, quindi un  Kelvin bias tee che consente misurr DC a 4 punti non introduce errori evidenti.

L’Interfaccia RF

Le tradizionali interfacce coassiali filettate non possono essere ridimensionate per fornire un modo TE11 a frequenze superiori a 220 GHz. Scalare i connettori coassiali standard con dado di accoppiamento filettato non è pratico per connettori con un diametro interno del conduttore esterno inferiore a 0,8 mm. Questo perché la precisione richiesta per lavorazione dei conduttori centrali e dei conduttori esterni semplicemente non esiste. Per il funzionamento a 220 GHz, è necessaria un’interfaccia coassiale con un diametro esterno di 0,6 mm, il che richiede approcci alternativi alla progettazione dell’interfaccia del connettore. Inoltre, la possibilità di montare componenti a guida d’onda relativamente pesanti (utilizzati sopra i 110 GHz per scopi di calibrazione e verifica) richiede un’interfaccia robusta che abbia un conduttore esterno che non si fletta sotto carico rispetto all’asse del connettore.

Una flangia dell’interfaccia a guida d’onda UG 387/UM fornisce l’allineamento per la connessione del pin coassiale maschio/femmina da 0,6 mm, eliminando così la necessità di un connettore filettato. Un ulteriore vantaggio è la compatibilità di accoppiamento con un’interfaccia a guida d’onda standard. Ciò può essere ottenuto con una transizione da coassiale a guida d’onda.  Sebbene le applicazioni true waveguide  non siano i normali casi d’uso per un tale VNA, la mancanza di strumenti di calibrazione (come un power meter) richiede ancora tale interfaccia per le procedure di verifica di routine sopra i 110 GHz.

Connettività del Dispositivo

Una sonda RF fornisce il collegamento tra l’interfaccia coassiale di un VNA e l’effettivo DUT posizionato su una sonda wafer. Questa sonda necessita di una risposta a banda larga con bassa perdita di inserzione e buon return loss fino a 220 GHz. Le sonde MPI TITAN™ sono progettate per essere utilizzate con il sistema Anritsu ME7838G VNA. Incorporano punte di contatto MEMS da 50 Ohm, possono essere accoppiate direttamente ai moduli MA25400A e forniscono un’eccellente ripetibilità e durata. Il vantaggio chiave di questo sistema è un’interfaccia di connessione diretta tra sonda e VNA, che garantisce la migliore raw directivity e stabilità di misura. Inoltre, MPI offre il substrato di calibrazione necessario, supportando l’uso di moderni metodi di calibrazione come LRRM, ALRM e MultiLine TRL.

Oltre al gran numero di metodi di calibrazione incorporati, il sistema Anritsu ME7838G è anche  supportato da QAlibria, il pacchetto software di calibrazione di MPI. QAlibria semplifica l’intero processo di calibrazione su wafer e garantisce la migliore precisione di misurazione possibile.

Performance di Misura Broadband

Sebbene l’ME7838G sia completamente specificato fino a 220 GHz, un’immagine può raccontare molto di più del puro dato numerico.

Un altro aspetto chiave, da tenere presente per qualsiasi VNA, è il drift e l’intervallo di ricalibrazione richiesto. I moduli NLTL altamente integrati offrono un’eccellente stabilità nel tempo. Anche questo è importante poiché il de-embedding, necessario per spostare i piani di riferimento dalle punte della sonda al dispositivo, si basa sulla stabilità.

Conclusioni

Un sistema VNA integrato a banda larga a 220 GHz è un approccio versatile ed elegante per affrontare le sfide odierne di misure on wafer. Un aspetto importante è la sonda RF, che fornisce il collegamento tra l’interfaccia coassiale di un VNA e l’effettivo DUT posto su un wafer probe. La sonda RF necessita di una risposta a banda larga con una bassa perdita di inserzione e buon return loss fino a 220 GHz. Le sonde MPI TITAN™ soddisfano queste esigenze e sono progettate per essere utilizzate con il sistema VNA ME7838G di Anritsu. Incorporano puntali di contatto MEMS da 50 Ohm, possono essere accoppiate direttamente ai moduli MA25400A e forniscono un’eccellente ripetibilità e durata. Uno dei vantaggi principali è la connessione diretta tra sonda e VNA, che garantisce una migliore raw directivity e stabilità di misura.

Nel complesso, un VNA integrato a 220 GHz, combinato con una sonda RF con la risposta appropriata, garantisce l’integrità del segnale, fornisce risultati di misura accurati e accorcia il processo di progettazione per i dispositivi mmWave anche oltre i 120 GHz.

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