Messtechnik
Messtechnik Testfassungen für Messungen mit dem Vektornetzwerkanalysator Bild 1a - Universelle Testfassung (UTF) 3680V DC bis 60 GHz mit Bias-Zuführung Bild 1b - Universelle Testfassung (UTF) 3680K DC bis 40 GHz mit MMIC-Aufsatz (MMIC = monolithisch integrierte Mikrowellenschaltung) Die sich heutzutage schnell weiterentwickelnde Technologie ist von höheren Betriebsfrequenzen und höheren Bandbreiten geprägt, die mit einer dramatischen Reduzierung von Größe und Gewicht von Komponenten und Unterbaugruppen einhergeht. Zusammengenommen bedeuten diese Trends neue Herausforderungen für die Testund Messausrüstung, die für das präzise Messen und die exakte Charakterisierung von Baugruppen, in denen diese Miniaturbauteile enthalten sind, benötigt wird. Die Situation wird durch die Tatsache erschwert, dass es in vielen Fällen notwendig ist, Tests von Baugruppen, die „ohne Steckverbindungen“ ausgestattet sind durchzuführen. Dies bedeutet, dass hier keine Möglichkeit besteht, Messgeräte zu verwenden, die standardmäßige Koaxialverbinder als Schnittstelle zum Prüfobjekt (DUT - Device Under Test) besitzen. Sichere Verbindung herstellen In solchen Fällen muss das Prüfobjekt (auf Substrat- oder Wafer-Basis) mit dem Messgerät über eine Art Schnittstelle verbunden werden, die sowohl eine mechanische als auch eine elektrische Verbindung herstellt. Diese Schnittstelle hat allgemein die Form einer mechanischen Halterung, welche Testfassung genannt wird. Dies reicht von einem festen Sockelanschluss (geschraubt oder gelötet) bis hin zu einer „Universal“-Lösung mit entsprechender Flexibilität, Effizienz und Qualität. Es gibt außerdem eine große Gruppe von komplexen Systemen, die auf Waferprobern basieren, die ihren eigenen speziellen Anwendungsbereich besitzen (der sich mit dem der Prüfvorrichtungen durchaus überlappen kann), wobei jedoch die meisten von ihnen Beschränkungen bezüglich der Komplexität und der hohen Kosten enthalten. Voraussetzungen der Messung Umfangreiche Charakterisierung und qualitativ anspruchsvollen Messungen, die für die meisten dieser Prüfobjekte gefordert werden, verlangen im allgemeinen die Verwendung eines Vektornetzwerkanalysators (VNA), der Messergebnisse in Form von Streuparametern nach Betrag und Phase liefert. Typischerweise beinhaltet ein komplettes Messsystem eine Testfassung, einen Vektornetzwerkanalysator und ein „Substrat“-Kalibrierungs-Kit (für die Kalibrierung innerhalb der Testfassung). Wiederholbarkeit und Genauigkeit Der Begriff „universal“ im Kontext von Prüfvorrichtungen rührt daher, dass diese Testfassungen eine breite Palette von DUT-Formen und -Größen unterstützen, dass sie zudem einen weiten Frequenzbereich abdecken, die Wiederholbarkeit der Verbindung gewährleisten, und zusätzliche Funktionen unterstützen, wie beispielsweise die Bias- Fähigkeit. Sie bieten zusätzlich die Möglichkeit des Testens von Mehrtor-Objekten, neben Anwendungskomfort und ausgezeichneter Wiederholbarkeit und Genauigkeit (einschließlich Autor: Maksim Pud Anritsu www.anritsu.com Bild 2: De-Embedding-Verfahren (Entfernung von Vorrichtungseffekten von der DUT-Messung) 30 hf-praxis 9/2018 HF-Praxis 9-2018.indd 30 23.07.2018 08:45:06
Tabelle 1 Rückflussdämpfung und Einfügungsdämpfung der Testfassung an sich). Die in Bild 1 dargestellte Testfassung ermöglicht beispielsweise einen genauen und wiederholbaren Übergang von Koaxial zu Microstrip- oder Koaxial- zu Coplanar Waveguide (CPW) und bietet die nötigen Messfunktionen für Komponenten- und Gerätedesigns. Ein weiterer Vorteil dieser Testfassung besteht darin, dass sie ein gewisses Maß an Vor-Ort-Wartung bietet, was dem Techniker mehr Flexibilität ermöglicht. Falls die Vorrichtung zum Beispiel aus Versehen beschädigt wird, können die Hauptbauteile vor Ort ausgewechselt werden, was eine Zeitersparnis bedeutet, da die Messfolge nicht unterbrochen werden muss. Eine ideale Situation für die Testfassung wäre, wenn diese eine entsprechende Schnittstelle zwischen dem Prüfobjekt und einem Messgerät (VNA) bieten würde, eine vollkommen „transparente“ Verbindung mit einer Einfügungsdämpfung von null und einer unendlichen Rückflussdämpfung (keine Fehlanpassung), einem geraden und bekannten Frequenzgang mit linearer Phase und ohne Verlust zwischen den Messtoren (unendliche Isolation der Messtore), was natürlich unmöglich ist. Zur Qualität der Messergebnisse tragen zahlreiche Faktoren bei – da ein Messsystem beteiligt ist, sorgen alle Bestandteile des Messsystems (der VNA mit seinen Komponenten, Kabel, Adapter und die Vorrichtungen) für zusätzliche Fehler, was die Messunsicherheit erhöht. Außerdem trägt auch das Messobjekt selbst zur Genauigkeit der gesamten Messung bei. Es ist jedoch möglich, die Messfehler größtenteils zu beseitigen, indem das Verfahren zur Vektorfehlerkorrektur des VNA als Teil des Kalibrierungsprozesses zur Anwendung kommt, das auf klar definierte qualitativ hochwertige Kalibrierungsstandards als Referenz setzt. Zufällige und systematische Fehler Bei den meisten HF- und Millimeterwellen-Messungen, die mit einem VNA durchgeführt werden, sind Fehlerterme entweder als zufällige oder als systematische Fehler definiert. Zufällige Fehler sind nicht vorhersehbar und daher nicht mithilfe des Kalibrierungsprozesses korrigierbar. Die Hauptverursacher zufälliger Fehler sind die Wiederholbarkeit von Verbindungen, die Kabelstabilität und sich verändernde Umgebungsbedingungen (ohne Berücksichtigung von Drifteffekten), Frequenzwiederholbarkeit und Rauschen. Zur Reduzierung zufälliger Fehler ist eine bewährte Messpraxis außerordentlich wichtig. Restfehler Auf der anderen Seite gehören zu den systematischen Fehlern solche Faktoren wie zum Beispiel Richtschärfe, Generatoranpassung und Lastanpassung, Isolation, Reflexions- und Transmissionsfrequenzgang. Obwohl sie die wesentlichsten Ursachen von Messunsicherheit darstellen, lassen Sie sich durch den Kalibrierungsprozess (und die an schließende Fehlerkorrektur) drastisch reduzieren. Einige Resteffekte hf-praxis 9/2018 31 HF-Praxis 9-2018.indd 31 23.07.2018 08:45:07
