При проектировании и разработке СВЧ-устройств вопросы передачи максимальной мощности сигнала, увеличения коэффициента усиления или КПД добавленной мощности являются наиболее актуальными. В случае несогласованности импеданса между отдельными модулями возникают переотражения и рассеивание сигнала, а также тепловыделение. В некоторых областях применения (например, 5G) мощность сигнала и без того является малой величиной, поэтому для разработчиков особенно важно исключить потери полезного сигнала. Для этого все блоки и элементы устройства должны быть согласованы по входному и выходному импедансу, как правило, на 50 Ом. Однако, до этапа согласования импеданс некоторых компонентов может сильно отличатся от стандартного в связи c их конструкцией, корпусом или даже протекающими физическими процессами. Таким образом, процесс согласования импеданса является неотъемлемым этапом разработки.

На практике при проектировании мощных СВЧ-устройств (к примеру усилителей мощности, силовых транзисторов) для определения наиболее эффективного режима работы устройства используют измерения с согласованием нагрузки (load pull измерения). С помощью данных измерений возможно определить оптимальный режим работы устройства при изменении импеданса на его входе и выходе. А затем, уже зная эти параметры, существует возможность спроектировать систему согласования под стандартные 50 Ом, а также создать поведенческую или компактную модель для дальнейшего использования в САПР.

Load pull измерения наиболее востребованы при разработке СВЧ-усилителей мощности, характеризации транзисторов и измерении шумовых параметров, в которых требуется проводить измерения при разных значениях импеданса на входе устройства. В общем виде процесс проведения load pull измерений состоит из следующих этапов:

1. Изменение импеданса на входе/выходе устройства.
2. Измерение ключевых параметров устройства таких как выходная мощность, коэффициент усиления, КПД добавленной мощности и т.д.
3. Определение наиболее подходящего импеданса.
4. Разработка согласующей системы с использованием САПР.

Особое место занимают load pull измерения на пластине. Такие измерения позволяют значительно сократить время и средства при разработке нового устройства за счет исключения процесса корпусирования. Это особенно актуально, если речь идет о микроволновых монолитных интегральных схемах (MMIC). С другой стороны, такие измерения требуют специального оборудования для осуществления надежного контактирования с пластиной.

Пример измерительного комплекса для проведения векторных load pull измерений с помощью оборудования Rohde&Schwarz и Maury Microwave представлен на рисунке 1. Используя векторный анализатор цепей (ВАЦ) серии ZNA, возможно проводить не только фундаментальные, но и гибридные (активные + пассивные) гармонические load pull измерения. Кроме того, архитектура ВАЦ также позволяет добавить опорный источник фазы для проведения измерений во временной области, а также для создания поведенческой модели исследуемого устройства.

Рисунок 1. Измерительный комплекс для проведения векторных load pull измерений

При работе с малыми значениями импеданса, что особенно актуально для транзисторов, необходимо прямое подключение тюнера импеданса к СВЧ-головке (рисунок 2). Реализация такого подключения является непростой задачей, особенно при измерении на пластине, учитывая, что вес традиционных тюнеров может достигать до нескольких десятков килограмм, а их габариты могут превышать размеры самой зондовой станции. Непосредственно для этих задач компания Maury Microwave разработала серию электромеханических тюнеров Nano5G, которая исключает необходимость использования кабелей и переходников, что позволяет значительно снизить вносимые потери и увеличить диапазон подстройки импеданса.

Рисунок 2. Слева: тюнер Nano5G; справа: тюнер Nano5G, установленный на зондовую станцию

Данный тип тюнеров обладает малыми габаритными размерами и весом, за счет чего их можно разместить непосредственно на зондовой станции, соединив напрямую с СВЧ-головкой. Кроме того, конструкция тюнера позволяет расположить оптическую систему непосредственно над ним для обеспечения визуального контроля щупов головки при осуществлении контакта с тестируемым устройством.

Зондовые станции серии TS (TS150-THZ, TS200-THZ) производства компании MPI (рисунок 3) разработаны непосредственно для проведения СВЧ-измерений, в том числе в миллиметровом диапазоне длин волн, и полностью отвечают основным требованиям интеграции с векторными анализаторами цепей R&S ZNA и тюнерами импеданса Maury Microwave. 

Рисунок 3. Внешний вид установки MPI TS200-THZ для load pull измерений

Запатентованная конструкция стола на воздушных подшипниках (рисунок 4) обеспечивает быстрое и плавное перемещение одной рукой исследуемого образца в нужную область с последующей точной настройкой с помощью микрометрических винтов. Кроме того, зондовые станции серии THZ позволяют проводить подстройку высоты стола в диапазоне 10 мм под конкретную модель тюнеров импеданса.

Рисунок 4. Принципиальная схема стола на воздушных подшипниках

Для обеспечения точного контактирования с устройством и исключения поломки СВЧ-головки предусмотрен трехпозиционный рычаг, регулирующий положение столешницы зондовой станции относительно стола. В исходной позиции рычага (рисунок 5.а) исключен какой-либо контакт игл с пластиной, а также предусмотрен специальный блокиратор для предотвращения случайного перемещения рычага. В положении выравнивания (рисунок 5.б) рычаг обеспечивает размещение игл на расстоянии 50 мкм от поверхности пластины и тем самым оператор имеет возможность наблюдать иглы СВЧ-головки одновременно со структурой пластины через оптическую систему. В таком положении возможно точно спозиционировать иглы относительно контактных площадок. В третьем положении рычага (рисунок 5.в) осуществляется контакт с исследуемым устройством с воспроизводимостью 1 мкм. Такой механизм контактирования позволяет проводить точное размещение игл на образце, а также исключить случайное повреждение СВЧ-головок в процессе эксплуатации.  

Рисунок 5. а – отсутствие контакта; б – режим выравнивания; в – контакт

Специальные держатели совместно с микропозиционером MP80-DX (рисунок 6) обеспечивают расположение тюнеров под наклоном к пластине, их непосредственное соединение с СВЧ-головками, а также установку преобразователей частоты на одной платформе с тюнерами. Как было сказано ранее, такой способ позволяет увеличить диапазон подстройки импеданса, а также исключить перемещение и перегибы кабелей во время проведения измерений.

Микропозиционер MP80-DX имеет четыре оси вращения и оснащен микрометрическими винтами для обеспечения точного позиционирования, что особенно актуально для проведения TRL-калибровки при работе в субтерагерцовом диапазоне частот.  

Рисунок 6. Слева: микропозиционер MP80-DX со встроенным микрометром по оси X для точного позиционирования СВЧ-головки; справа: преобразователь частоты R&S ZVA-Z, размещенный на микропозиционере

Особое внимание стоит уделить исключению вибраций как внешних, так и возникающих за счет ненадежного крепления отдельных узлов системы. Поскольку тюнеры импеданса имеют значительный вес, а сами измерения занимают довольно много времени, зондовая станция должна иметь надежную конструкцию, которая исключает любые люфты. На рисунке 7 представлена калибровочная структура THRU и что с ней может произойти в случае некорректной фиксации тюнера. Измерения, проведенные в таких условиях, могут быть значительно искажены, а само оборудование (СВЧ-головки, калибровочная подложка и т.д.) подвержены повышенному износу. При наличии внешних вибраций требуется дополнительно использовать виброизоляционный стол.

Рисунок 7. Калибровочная структура THRU: a – исходное состояние; б – после измерения S-параметров; в – после проведения калибровки тюнеров; г – после проведения load pull измерений

Еще одним важным моментом, который требует рассмотрения, является проведение надлежащей калибровки на высоких частотах (более 50 ГГц). Среди основных паразитных эффектов, которые снижают точность калибровки, являются:

• взаимодействие с соседними калибровочными структурами на подложке (рисунок 8);
• перекрестные помехи через подложку;
• возбуждение и распространение мод более высокого порядка электромагнитной волны
  (рисунок 9).

Решить описанные проблемы можно с помощью использования специального керамического покрытия стола, вместо стандартного металлического. Керамика позволять осуществить диссипацию энергии в «бесконечной» калибровочной подложке, за счет отсутствия границы раздела калибровочная подложка – металлический стол, и тем самым повысить точность калибровки.

Рисунок 8. Иллюстрация взаимодействия с соседними калибровочными структурами и перекрестных помех через калибровочную подложку 

Рисунок 9. Распространение электромагнитной волны в калибровочной подложке при использовании стандартного металлического стола (слева) и стола с керамическим верхним покрытием (справа)

Для упрощения процедуры калибровки и исключения каких-либо ошибок со стороны оператора компания MPI разработала программное обеспечение QAlibria. Данное ПО сочетает в себе русскоязычный интерфейс, поддержку всех моделей ВАЦ компании R&S и большинства других производителей, а также совместимо с ПО StatistiCAL Plus, разработанное NIST для проведения TRL-калибровки (рисунок 10). Благодаря интуитивно понятному интерфейсу, ПО может быть использовано даже оператором без особого опыта в СВЧ-измерениях. После выполнения калибровки ПО QAlibria отправляет все необходимы поправочные данные в ВАЦ для их учета при последующих измерениях.

Рисунок 10. Программное обеспечение QAlibria для проведения калибровки СВЧ-головок

Пример готового рабочего места для проведения load pull измерений на пластине представлен на рисунке 11. Комплекс основан на оборудовании MPI, Maury Microwave и Rohde&Schwarz и позволяет работать в частотном диапазоне до 110 ГГц.

Рисунок 11. Пример рабочего места для проведения load pull измерений на пластине на базе оборудования MPI, Maury Microwave и Rohde&Schwarz.

Как показано в данной заметке, именно комплексный подход в построении рабочего места позволяет решить множество проблем при проведении load pull измерений на уровне пластины и сконцентрироваться непосредственно на разработке устройства. Многолетний опыт инженеров и совместные научные исследования компаний MPI, R&S и Maury Microwave позволят сократить временные издержки при разработке изделия и ускорить выход продукта на рынок.

Компания ТБС совместно с российским представительством компании Rohde&Schwarz готовы продемонстрировать рабочее место на базе векторного анализатора R&S, зондовой станции MPI и тюнеров импеданса Maury Microwave. Для записи на демонстрацию вы можете связаться с нами по указанным ниже контактам:

Email: infos@tbs-semi.ru

Тел: +7 (495) 287-85-77