Anritsu on vienyt millimetriaaltoalueen vektoripiirianalyysin aivan uudelle tasolle. Epälineaariseen NLTL-siirtotekniikkaan perustuva integroitu VNA-järjestelmä yltää S-parametrien kiekkotasoissa mittauksissa jopa yli 200 gigahertsin taajuuksille. 

Tarkat piirimallit ovat välttämättömiä, kun uusia komponentteja ja alijärjestelmiä kehitetään millimetrialueen (mmWave) korkeimmille taajuuksille. Avaintekijöitä mallien laadussa ovat mahdollisimman tarkat S-parametrit. Kehitystyössä tarvittavien vektoripiirianalysaattorien (VNA) toimintataajuudet yltävät tällä hetkellä enintään 120 gigahertsiin, eikä tämä riitä monille uusille ja tuleville tekniikoille. Tässä artikkelissa esitellään uusi 220 GHz laajakaistainen VNA sekä osoitetaan, kuinka analysaattorin avulla voidaan yksinkertaistaa ja parantaa S-parametrien mittauksia ’kiekkotason’ piireistä.

Artikkelin avulla käyttäjät voivat oppia ratkaisemaan mitä tarvitaan vakaiden ja toistettavien mittausten saavuttamiseksi aina 220 GHz taajuuksille asti.

Datansiirron nopeus on keskeinen suorituskyvyn indikaattori kaikille nykyajan tietoliikennejärjestelmille. Jopa nykyaikaisilla tehokkailla modulaatiomenetelmillä tämä vaatii hyvin suuria kaistanleveyksiä. Kyseessä on kuitenkin rajallinen ja kallis resurssi – jopa 40 GHz  taajuusalue alkaa jo olla erilaisten langattomien palvelujen täyttämä. Siirtyminen korkeammille taajuuksille, esimerkiksi 110-170 gigahertsin D-kaistalle, on ratkaisu tähän ongelmaan, mutta näin korkeilla taajuuksilla puolijohdekomponenttien ja piiriratkaisujen suunnittelusta tulee entistä haasteellisempaa.

Takana ovat ne ajat, jolloin suunnittelija voi aloittaa kehitystyön pelkillä laskelmilla, piirroksilla ja juotoskolvilla. Sen sijaan nykyään piirien kehitystyö perustuu simulointiohjelmistojen käyttöön. Vaikka niiden avulla voidaan tehdä erinomaista työtä jopa yli 100 gigahertsin taajuuksilla, suunnittelijat tarvitsevat erittäin tarkat piirimallit suunnittelussa käytettävistä aktiivisista ja passiivisista komponenteista. Tällaisten mallien puuttuminen aiheuttaa turhia ja kalliita iteraatiokierroksia suunnitteluprosessin aikana.

Hyvien tulosten saavuttamiseksi piirien simuloinnissa on välttämätöntä käyttää laajakaistamalleja hyvin leveällä taajuusalueella, vaikka lopullista laitetta käytettäisiin vain kapealla taajuuskaistalla. On tärkeää tehdä simulointi paljon käyttöaluetta laajemmalla taajuusalueella erityisesti piirirakenteen vakauden arvioimiseksi. Lisäksi kaistan ulkopuoliset häiriöt, mukaan lukien harmoniset yliaallot, on myös testattava sääntelymääräysten vuoksi.

Perinteinen lähestymistapa olisi kerätä useilla mittauslaitteilla tulokset eri taajuuskaistoilta ja koota sen jälkeen kerätty mittausdata yhteen. Tämän lähestymistavan haittapuolena on, että se tuo mukanaan lukuisia ongelmia kuten erilaisia epävarmuustekijöitä, ryömintää ja eri kalibrointimenetelmiä kullekin kaistamittaukselle. Lisäksi useiden eri mittausjärjestelmien käyttäminen on paljon hitaampaa kuin saman laitteen käyttäminen kaikkiin mittauksiin.

Näiden vaatimusten täyttämiseksi Anritsu on kehittänyt 220 GHz laajakaistaisen vektoripiirianalysaattorin ME7838G. Laajakaistaisiin VNA-laitteiden osaajana yhtiö voi tarjota skaalautuvan laitekonseptin hyvin suurten taajuuksien testaukseen aina satoihin gigahertseihin asti. Tämä kehitysprosessi alkoi 110 GHz VNA:n esittelyllä kymmenen vuotta sitten, minkä jälkeen julkaistiin 145 GHz taajuuksille yltävä järjestelmä. Nyt seuraava raja on ylitetty – tuloksena 220 gigahertsin taajuuksiin yhdellä pyyhkäisyllä yltävä VNA.

Epälineaarista aaltojohtoa hyödyntävään NLTL-teknologiaan (Non-Linear Transmission Line) perustuva 220 gigahertsiin ulottuva mittaustekniikka oli jo kehitetty Anritsun tutkimuskeskuksessa. Suurin haaste oli kehittää VNA:n ja testattavan laitteen (DUT) välille kunnollinen liitäntäyhteys. Yhtenä vaihtoehtona oli kehittää täysin uusi koaksiaaliliitäntä, joka perustuu 0,5 mm liittimeen. Uuden liitinrakenteen standardointi on kuitenkin aina erittäin kallis ja hidas prosessi. Koska yksikään lopputuote ei noin suurilla taajuuksilla tulisi koskaan käyttämään koaksiaaliliitintä kytkentäväylänä muihin komponentteihin, tämä vaihtoehto ei tuntunut kovin järkevältä.

VNA:n ja kiekkotason mittapään välille tarvitaan laajakaistainen liitäntä, koska 220 GHz VNA:ta käytetään vain kiekkotason piirien karakterisointiin. Laajakaistavasteen vaatimusten vuoksi voidaan käyttää vain rakenteeltaan koaksiaalista liitintä. Koska liitintä käytetään kuitenkin ainoastaan VNA:n ja mittapään välisenä liitäntänä, perinteistä kiertein varustettua uros/naaras-koaksiaaliliitintä ei välttämättä tarvita.

Liitännän tulee olla mekaanisesti kestävä sekä helposti valmistettava ja toistettava. Koaksiaalinen liitäntä yhdistettynä aaltoputken laipan kestävyyteen ja mekaaniseen vakauteen on ihanteellinen ratkaisu tähän haasteeseen. Tästä syystä Anritsu kehitti liitäntärajapintaa varten yhteistyössä MPI-yhtiön kanssa (www.mpi-cooperation.com) laipallisen koaksiaaliliittimen helpottamaan 70 kHz – 226 GHz taajuusalueen jatkuvasti pyyhkäisevää VNA-testausta ME7838G-analysaattorin avulla.

220 GHz VNA-järjestelmän ydin

Kuva 1. NLTL-tekniikkaan perustuva 220 gigahertsin MA25400A-moduuli MPI TITAN -mittapään kera.

NLTL-tekniikka tarjoaa signaalin muunnokselle erinomaisen energiatehokkuuden ja kohinaominaisuudet järjestelmän optimaalisella dynamiikka-alueella mm-aaltojen taajuusalueella. Piirirakenne saadaan mahtumaan pienikokoiseen tiiviisti integroituun koteloon, joka takaa vakauden ja suorituskyvyn. Moduulin sisällä tulopuolen kaistat kytketään pääsiirtolinjaan substraattitason kytkentäelimillä.

Harmoniset NLTL-näytteenottimet muuntavat 30 – 226 GHz testaus- ja referenssisignaalit välitaajuudelle ja ne sijaitsevat mahdollisimman lähellä DUT-liitäntäporttia. Elektroninen ALC-ohjaus antaa tehotasolle jopa 50 dB säätöalueen. Elektroninen ALC on tärkeä toiminto, kun mitataan eristettyjä transistoreja tai pienikohinaisia LNA-vahvistimia, jotka tyypillisesti vaativat erittäin alhaisia ohjaustasoja.

Toinen tärkeä ominaisuus on se, että DC-esijännite voidaan syöttää tavalliseen tapaan moduulin takaliittimestä, mikä poistaa erittäin laajakaistaisen T-sovittimen (bias tee) tarpeen. Moduulin pääsignaalireitillä on erittäin alhainen DC-resistanssi, joten neliporttinen Kelvin-sovitin, joka mahdollistaa nelinapaiset DC-mittaukset, ei synnytä havaittavia virheitä.

RF-liitäntä

Kiertein varustettujen perinteisten koaksiaaliliittimien fyysisiä mittoja ei voi skaalata alaspäin TE11-muotoisille yli 220 gigahertsin signaaleille. Vakiokierteisten liittimien skaalaus ei ole käytännössä mielekästä liittimille, joiden ulomman johtimen sisähalkaisija on alle 0,8 millimetriä. Tämä johtuu yksinkertaisesti siitä, että vaadittavaa keskijohtimen ja ulkojohtimen työstötarkkuutta ei ole saatavissa.

Vaadittua 220 gigahertsin toimintaa varten tarvitaan koaksiaalinen liitäntärakenne, jonka ulkohalkaisija on 0,6 mm, mikä vaatii vaihtoehtoisia lähestymistapoja liitinrajapinnan suunnitteluun. Toinen mahdollisuus olisi hyödyntää suhteellisen kookkaita aaltoputkiosia (joita käytetään yli 110 gigahertsillä kalibrointi- ja verifiointitarkoituksiin), mutta ne vaativat rakenteeltaan tukevan liitännän, jonka ulkojohdin ei kuormituksen alaisena saa vähääkään taipua liittimen keskiakseliin nähden.

Kehitetty aaltoputken liitäntälaippa UG-387/UM mahdollistaa 0,6 mm koaksiaalisen uros/naaras-liitinparin kohdistuksen, mikä poistaa kierreliittimen tarpeen. Lisäetuna on kontaktin yhteensopivuus standardin mukaisen aaltoputkiliitännän kanssa. Tähän päästään in-line-siirrolla koaksiaalisesta rakenteesta aaltoputkirakenteeseen. Vaikka varsinaiset aaltoputkisovellukset eivät ole tämän luokan VNA-laitteiden tavanomaisia käyttökohteita, joidenkin kalibrointilaitteiden (esim. tehomittarin) puuttuminen vaatii tällaisia rutiininomaisia varmennusmenettelyjä yli 110 gigahertsin taajuuksilla.

Kuva 2. Halkaisijaltaan 0,6 mm koaksiaalisen liitännän tärkeitä ominaisuuksia ovat toistettavuus ja käyttöikä.

Kuva 3. Käyrä osoittaa mittaustulosten toistettavuuden samasta mittauskohteesta koaksiaaliliitännän sadan uudelleenkytkennän aikana. Saavutettu toistettavuus on vain 5 dB huonompi kuin vastaava 0,8 mm liittimen tyypillinen tulos. Vielä 1000 uudelleenkytkennän jälkeenkin liitännässä on nähtävissä vain mitätöntä sähköistä heikkenemistä.

Erinomainen liitettävyys

RF-mittapää tarjoaa linkin VNA:n koaksiaalisen liitännän ja kiekkotason mittauskärkeen liitetyn todellisen testilaitteen välille. Mittapää tarvitsee kytkentähäviöiltään vähäisen ja paluuhäviöiltään laadukkaan laajakaistavasteen 220 GHz taajuuksille asti. MPI TITAN -mittapäät ovat suunniteltu käytettäväksi erityisesti ME7838G VNA -järjestelmän kanssa. 50 ohmin MEMS-pohjaisilla kontaktikärjillä varustetut mittapäät liitetään suoraan MA25400A-moduuleihin ja ne tarjoavat erinomaisen toistettavuuden ja pitkän käyttöiän.

Järjestelmän tärkein etu on suora liitäntä mittapään ja VNA:n välillä, mikä varmistaa parhaan suuntaavuuden ja mittausten vakauden. MPI tarjoaa lisäksi kalibrointiin tarvittavan alustan, joka tukee nykyaikaisia kalibrointimenetelmiä, joita ovat esimerkiksi LRRM, ALRM ja MultiLine TRL.

Anritsun ME7838G-järjestelmää tuetaan lukuisten sisäänrakennettujen kalibrointimenetelmien lisäksi myös QAlibria-ohjelmistolla, joka on MPI-yhtiön kehittämä kalibrointiohjelmisto. QAlibria-ohjelmistopaketti yksinkertaistaa koko kiekkotason kalibrointiprosessia ja varmistaa parhaan mahdollisen mittaustarkkuuden.

Kuva 4. 220 GHz taajuuksille yltävä MPI TITAN -mittapää.

Laajakaistamittausten suorituskyky

Vaikka ME7838G-järjestelmä on täysin määritelty 220 gigahertsiin asti, kuva voi kertoa paljon enemmän kuin pelkkä numeerinen data.

Kuva 5. NLTL-tekniikkaan perustuva MA25400A-moduuli tarjoaa mm-aaltoalueella erittäin alhaisen pohjakohinatason, mikä takaa erinomaisen suorituskyvyn hyvin laajalla dynaamisella alueella.

Toinen tärkeä näkökohta mille tahansa VNA-laitteelle on ryömintä ja sen vaatiman uudelleenkalibroinnin toistotiheys. Tiukasti integroidut NLTL-moduulit tarjoavat erinomaisen vakauden ajan mittaan. Tämä on tärkeää, koska mittauksen ns. irrotusvaihe (de-embedding), jota tarvitaan referenssitasojen siirtämiseksi mittapäästä laitteeseen, nojautuu järjestelmän vakauteen.

Kuva 6. Nämä mittaukset suoritettiin laboratorio-oloissa lämpötilan vaihdellessa muutaman asteen ja ne osoittavat erinomaista tason sekä vaiheen pitkäaikaista vakautta 24 tunnin aikana.

Monipuolinen lähestymistapa

Integroitu 220 gigahertsin laajakaistainen VNA-järjestelmä on monipuolinen ja tyylikäs lähestymistapa nykyaikaisiin kiekkotason mittaushaasteisiin. Tärkeä näkökohta on RF-mittapää, joka tarjoaa linkin VNA:n koaksiaalisen liitännän ja kiekkotason mittauskärkeen sijoitetun todellisen DUT-kohteen välille. RF-mittapää tarvitsee laajakaistavasteen hyvin pienin kytkentähäviöin ja hyvällä heijastusvaimennuksella 220 gigahertsiin asti.

MPI TITAN -mittapäät vastaavat näihin tarpeisiin ja ne on suunniteltu käytettäviksi Anritsun ME7838G-analysaattorin kanssa. Niissä on MEMS-pohjaiset kontaktikärjet ja ne liitetään suoraan MA25400A-moduuleihin. Ne tarjoavat erinomaisen toistettavuuden ja pitkän käyttöiän. Suurin etu tässä on suora yhteys mittapään ja VNA:n välillä, mikä varmistaa parhaan mahdollisen suuntaavuuden ja mittausvakauden.

Kaiken kaikkiaan integroitu 220 gigahertsin VNA yhdistettynä oikeanlaisen vasteen antavaan RF-mittapäähän varmistaa signaalin eheyden, tarjoaa tarkat mittaustulokset ja nopeuttaa mm-alueella toimivien piirien suunnitteluprosessia - jopa yli 220 GHz taajuuksilla.