Novas tecnologias e aplicações, como sensoriamento e comunicações 6G, se estendem às frequências em subterahertz na banda D e mais além. Novos processos e tecnologias de semicondutores precisam ser comercializados para oferecer o suporte que esses esforços necessitam.
A estação de sondagem em wafer com conversores de frequência integrados permite a medição com frequências em terahertz
Comparando os requisitos de 6G em termos de desempenho de rádio com relação a todas as limitações que resultam do uso de frequências mais altas para a propagação de sinais, é bastante desejável uma taxa de transferência mais alta em termos de potência e eficiência para os circuitos de ondas milimétricas ou terahertz. O desempenho desses circuitos de radiofrequência é limitado pelo desempenho dos transistores e de outros dispositivos ativos. Devido às limitações físicas dos transistores nessas frequências, a potência máxima de saída disponível diminui drasticamente. Por esse motivo, ter um excelente entendimento do comportamento de radiofrequência dos componentes semicondutores em aplicações de frequência mais alta é fundamental. A criação de modelos precisos dos novos dispositivos semicondutores sob diferentes condições de operação e em uma ampla faixa de frequência é crucial para a realização de aplicações.
Os sistemas de medição a nível wafer oferecidos por nosso parceiro MPI Corporation com teste de características de radiofrequência por meio de um analisador de redes vetoriais são a primeira opção quando é necessária a maior faixa dinâmica possível de caracterização de dispositivos de ondas milimétricas. A adição de load-pull completa a caracterização de novos componentes semicondutores.
Novos padrões e tecnologias de comunicação usam faixas de frequência cada vez mais altas para encontrar espectros abertos disponíveis no domínio de radiofrequência. É previsto que as gerações subsequentes de sensores de radar ou futuros sistemas sem fio, como o 6G, superem a faixa de 100 GHz, que também é chamada de faixa de subterahertz. Como essas bandas são novas em aplicações comerciais, novas tecnologias de semicondutores precisam ser desenvolvidas para permitir a produção de semicondutores em massa e com um bom custo-benefício. Tanto as tecnologias de semicondutores existentes como as totalmente novas estão sendo pesquisadas e otimizadas para as diversas aplicações nas faixas de alta frequência. Atualmente, já temos tecnologias de semicondutores disponíveis que podem acessar essas faixas de frequência, mas o custo e a disponibilidade em massa ainda são um problema que precisa ser abordado.
Pesquisadores e engenheiros estão investigando os recursos de radiofrequência das tecnologias de semicondutores na região dos subterahertz. Métodos comprovados e sólidos para essa finalidade estão disponíveis atualmente. Eles são realizados diretamente a nível wafer usando sistemas de sondagem de wafer apropriados. Os parâmetros S são amplamente utilizados na caracterização de componentes. Para uma caracterização completa dos componentes ativos, a impedância apresentada ao dispositivo precisa ser controlada e definida por meio de métodos de load-pull.
O analisador de redes vetoriais R&S®ZNA com o conversor de ondas milimétricas R&S®ZC330 para a faixa de frequência de 220 GHz a 330 GHz.
Com o intuito de fornecer uma solução completa e pronta para uso, a Rohde & Schwarz está cooperando com as líderes da indústria: a MPI Corporation e a Focus Microwaves. Cada empresa fornece seu know-how principal:
Analisador de redes vetoriais como principal instrumento de teste
Na configuração para testes, o analisador de redes vetoriais R&S®ZNA é o instrumento principal para realizar as medições de radiofrequência. Ele é capaz de realizar a caracterização padrão do parâmetro S, bem como muitas medições específicas de amplificadores de potência ou misturadores, como compressão de ganho, intermodulação e atraso de grupo. A unidade base R&S®ZNA abrange frequências de até 67 GHz com até 4 portas. Os conversores de ondas milimétricas R&S®ZCxxx estendem a banda de frequência até 1,1 THz e permite aplicações com 4 portas. O R&S®ZNA controla totalmente os conversores de frequência e permite o uso manual ou automatizado com facilidade.
Teste em wafer com utilização de 3 portas com integração compacta dos conversores de frequência da Rohde & Schwarz na estação de sondagem da MPI.
(©MPI Corporation)
Sistema de sondagem para conexão com o wafer
Para cumprir os requisitos desafiadores das medições no wafer em frequências em subterahertz, a solução conjunta usa a específica plataforma de sistema de sondagem AIT da MPI Corporation. Ela foi desenvolvida para medições em wafers de 150 mm, 200 mm e 300 mm sem comprometer as características da instrumentação, a precisão da medição e a simplicidade da operação. A solução abrange a faixa de frequência de até e acima de 1 THz e inclui a caracterização de superaquecimento.
A adaptação específica do extensor de frequência e o design exclusivo da placa da sonda permitem a menor distância entre a porta do extensor e o dispositivo em teste. Os adaptadores posicionam os conversores de frequência muito próximos ao wafer para maximizar a potência no dispositivo e garantir uma excepcionalmente ampla faixa dinâmica para medições em sua entrada e saída. O software pioneiro de calibração QAlibria®e os substratos de calibração verificados realizam métodos de calibração avançados e padrão da indústria, bem como a calibração NIST multilinha direto-reflexão-linha a nível metrológico, vinculando-se ao pacote de software NIST StatistiCAL.
O sistema de sondagem manual MPI TS200-THZ compartilha os mesmos princípios essenciais de seu equivalente automatizado, o MPI TS2000-IFE THZ-Selection. Ambos os sistemas incorporam posicionadores de precisão e uma placa elaborada para garantir o desempenho ideal durante as medições no wafer. A versão manual permite o posicionamento preciso do wafer e a proximidade com os conversores de frequência, possibilitando o alinhamento exato e o contato com o dispositivo em teste. Esse design minimiza a perda de sinal, reduz os conflitos mecânicos e aumenta a potência fornecida ao dispositivo, tornando-o um recurso essencial em aplicações em subterahertz, inclusive de load-pull.
De forma semelhante, a MPI TS2000-IFE THZ-Selection automatizada integra placas de engenharia avançada e posicionadores de precisão, seguindo a mesma abordagem da versão manual. O sistema automatizado mantém condições de medição estáveis e controladas, o que é crucial para obter medições em subterahertz confiáveis e reproduzíveis. Aproveitando o design inovador de integração do extensor de frequência da MPI corporation, esse sistema automatizado garante a transmissão do sinal ininterrupta, oferecendo suporte a medições de radiofrequência, ondas milimétricas e terahertz com uma precisão excepcional.
Tanto a versão manual quanto a automatizada foram projetadas para atender a diferentes tamanhos de wafer, incluindo versões de até 300 mm, tornando-as soluções versáteis para uma grande variedade de aplicações de semicondutores. Esses sistemas avançados permitem que pesquisadores e engenheiros explorem as tecnologias de semicondutores no domínio de alta frequência, oferecendo uma excelente precisão e reprodutibilidade na caracterização no wafer.
Outro recurso exclusivo dos sistemas MPI é suporte oferecido a medições com utilização de 3 portas, que se estendem pela faixa dos terahertz. Isso permite o teste de mixers sub-harmônicos de banda larga por meio da acoplação simultânea das portas de ondas milimétricas e do oscilador local.
Efeito da perda na faixa de sintonia
A estrutura convencional do sintonizador contra o sintonizador Focus Delta com conexão direta na sonda de radiofrequência
Transformação de impedância e load-pull
Para uma caracterização completa do dispositivo, é necessário o pulling da carga e a fonte. Ele permite que o dispositivo semicondutor em teste seja submetido a impedâncias definidas e que o dispositivo seja caracterizado por meio de combinações variáveis de fonte e carga. A modelagem de dispositivos é uma aplicação importante para o load-pull. Encontrar o comportamento de eficiência máxima de um dispositivo ativo, tal como um amplificador de potência, é outra aplicação para o load-pull. O comportamento do componente ativo em relação à máxima potência de saída ou à eficiência da potência adicionada é extremamente dependente das impedâncias aplicadas. Por último, mas não menos importante, a instrumentação de teste é comumente projetada para um ambiente de 50 Ω. Os componentes ativos a nível wafer estão bem distante desse valor. A adaptação de impedância é frequentemente aplicada usando sintonizadores de impedância para testes a nível wafer.
Para compor uma solução completa, a Rohde & Schwarz faz parceria com a Focus Microwaves usando seus sintonizadores Delta. A nova série Delta de sintonizadores eletromecânicos da Focus Microwaves foi desenvolvida especificamente para medições de alta frequência no wafer. O perfil baixo do sintonizador significa que ele pode ser colocado dentro do perímetro do wafer, o que permite a conexão direta entre a ponta de sonda e o sintonizador e, desse modo, eliminando todas as possíveis perdas de inserção entre o dispositivo em teste e o sintonizador. Esse novo design revolucionário de sintonizadores permite que o engenheiro alcance uma faixa de sintonia ideal, com um sintonizador cujo peso e área ocupada foram drasticamente reduzidos. A Focus Microwaves oferece uma grande variedade de sintonizadores harmônicos de impedância Delta que abrangem frequências de 1,8 GHz a 110 GHz.
Aproveitando a tecnologia dos sintonizadores Delta e combinando-a com a precisão micrométrica e a reprodutibilidade dos sintonizadores de pequeno porte, a Focus desenvolveu uma nova linha de sintonizadores de guia de ondas projetados para frequências superiores a 110 GHz. Os sintonizadores de guia de onda de pequeno porte da Focus Microwaves e a integração de ponta no wafer permitem a conexão direta com sondas de guia de onda em subterahertz, proporcionando a máxima faixa de sintonia. Usando refletômetros integrados para medições de formas de ondas progressivas de entrada e saída (a1,2, b1,2) combinados com os receptores R&S®ZRXxxxL, os sintonizadores de subterahertz podem ser usados para calibrar totalmente medições vetoriais de load-pull. Essa abordagem também permite uma fácil adaptação às técnicas híbridas usadas frequentemente para aumentar a faixa de sintonia dos sistemas passivos de load-pull.
O sistema de base combinado, que inclui o analisador de redes vetoriais e a estação de sondagem, permite medições de dispositivos de radiofrequência no wafer. A MPI Corporation oferece uma ampla variedade de sondas, incluindo sondas com uma extremidade única capazes de atingir até 110 GHz e sondas de múltiplos contatos para polarização avançada.
Com a integração de conversores de radiofrequência e sondas de guia de ondas MPI específicas, os pesquisadores podem ampliar suas medições para frequências mais altas, abrangendo todo o espectro de terahertz. Isso inclui a exploração da tão pesquisada banda D, que é essencial para atividades 6G, bem como a investigação de frequências de até 330 GHz, também relevantes para aplicações 6G. Essa cobertura abrangente de frequência permite que pesquisadores e engenheiros caracterizem dispositivos semicondutores com precisão, abrindo caminho para avanços na próxima geração de tecnologias de comunicação.
Assim como em toda medição de analisadores de redes vetoriais, a calibração do sistema é importante e é realizada em duas etapas para o sistema inteiro:
1. Calibração do sistema no wafer apenas com o analisador e seus conversores usando soluções de calibração da MPI corporation e seu software correspondente. Para obter mais detalhes, consulte a nota de aplicação da MPI « Simplifying the Art of Terahertz Measurements » (www.mpi-corporation.com/wp-content/uploads/ASTPDF/MPI-Simplifying-the-Art-of-Terahertz-Measurements.pdf).
2. Calibração dos sintonizadores de load-pull no sistema. Isso se realiza usando o software da Focus Microwaves.
Após a calibração ser concluída, o software da Focus Microwaves atua como o software do sistema. Ele controla a impedância aplicada utilizando os sintonizadores, assim como o R&S®ZNA na realização das medições de radiofrequência para caracterização do dispositivo.
O sistema de sondagem da MPI corporation garante condições de teste estáveis no posicionamento. Além disso, o resfriamento do dispositivo em operação é obtido usando a placa fria e um fluxo de ar integrado e controlado dentro da estação de sondagem em torno do wafer em teste.
Os avanços em comunicações e sensoriamento se expandiram para a faixa de frequência em terahertz, o que gerou uma necessidade de materiais semicondutores otimizados. A Rohde & Schwarz, por meio de um esforço em parceria com a MPI Corporation e a Focus Microwaves fornecem soluções conjuntas para medições em subterahertz e terahertz no wafer. Essa parceria combina analisadores de redes vetoriais, sistemas de sondagem e sintonizadores de impedância, permitindo uma caracterização robusta e precisa de dispositivos semicondutores em frequências em terahertz. Juntas, as três líderes do setor aceleram o desenvolvimento de tecnologias inovadoras, revelando novas possibilidades em sensoriamento e comunicações de alta frequência.
Diagrama de blocos detalhado e faixa de ajuste de impedância alcançável na carta de Smith
A figura mostra a configuração de load-pull do vetor da banda D, que inclui os sintonizadores de guia de ondas de pequeno porte que são conectados diretamente à sonda de radiofrequência e estão disponíveis com acopladores bidirecionais integrados opcionais. Esses acopladores bidirecionais integrados permitem a conexão de conversores descendentes externos para medir as ondas de percurso diretas e reversas diretamente na entrada e na saída do dispositivo.
A estação de sondagem em wafer com conversores de frequência integrados permite a medição com frequências em terahertz
Comparando os requisitos de 6G em termos de desempenho de rádio com relação a todas as limitações que resultam do uso de frequências mais altas para a propagação de sinais, é bastante desejável uma taxa de transferência mais alta em termos de potência e eficiência para os circuitos de ondas milimétricas ou terahertz. O desempenho desses circuitos de radiofrequência é limitado pelo desempenho dos transistores e de outros dispositivos ativos. Devido às limitações físicas dos transistores nessas frequências, a potência máxima de saída disponível diminui drasticamente. Por esse motivo, ter um excelente entendimento do comportamento de radiofrequência dos componentes semicondutores em aplicações de frequência mais alta é fundamental. A criação de modelos precisos dos novos dispositivos semicondutores sob diferentes condições de operação e em uma ampla faixa de frequência é crucial para a realização de aplicações.
Os sistemas de medição a nível wafer oferecidos por nosso parceiro MPI Corporation com teste de características de radiofrequência por meio de um analisador de redes vetoriais são a primeira opção quando é necessária a maior faixa dinâmica possível de caracterização de dispositivos de ondas milimétricas. A adição de load-pull completa a caracterização de novos componentes semicondutores.
Faixa de sintonia de impedância
É possível visualizar na figura a faixa de sintonia de impedância do sintonizador WR06 de banda D da Focus Microwaves a 170 GHz na interface do sintonizador. Isso mostra que é uma relação de onda estacionária de 16:1 é fácil de obter no plano do sintonizador. A resposta da relação de onda estacionária desse sintonizador é bastante uniforme em toda a banda.
(©Focus Microwaves)
Novos padrões e tecnologias de comunicação usam faixas de frequência cada vez mais altas para encontrar espectros abertos disponíveis no domínio de radiofrequência. É previsto que as gerações subsequentes de sensores de radar ou futuros sistemas sem fio, como o 6G, superem a faixa de 100 GHz, que também é chamada de faixa de subterahertz. Como essas bandas são novas em aplicações comerciais, novas tecnologias de semicondutores precisam ser desenvolvidas para permitir a produção de semicondutores em massa e com um bom custo-benefício. Tanto as tecnologias de semicondutores existentes como as totalmente novas estão sendo pesquisadas e otimizadas para as diversas aplicações nas faixas de alta frequência. Atualmente, já temos tecnologias de semicondutores disponíveis que podem acessar essas faixas de frequência, mas o custo e a disponibilidade em massa ainda são um problema que precisa ser abordado.
Pesquisadores e engenheiros estão investigando os recursos de radiofrequência das tecnologias de semicondutores na região dos subterahertz. Métodos comprovados e sólidos para essa finalidade estão disponíveis atualmente. Eles são realizados diretamente a nível wafer usando sistemas de sondagem de wafer apropriados. Os parâmetros S são amplamente utilizados na caracterização de componentes. Para uma caracterização completa dos componentes ativos, a impedância apresentada ao dispositivo precisa ser controlada e definida por meio de métodos de load-pull.
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