Новые технологии и приложения, такие как связь и измерения 6G в диапазоне D, постепенно выходят в субтерагерцовый диапазон и за его пределы. Для поддержки этих новшеств требуются новые полупроводниковые технологии и процессы.
Установка со встроенными преобразователями частоты позволяет проводить измерения на уровне пластины в терагерцовом диапазоне.
При рассмотрении требуемых в 6G характеристик радиосвязи с учетом всех ограничений, возникающих при использовании высоких частот для распространения сигнала, становится очевидной необходимость в увеличении пропускной способности с точки зрения мощности и эффективности для устройств, работающих в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. Характеристики этих ВЧ-устройств ограничиваются характеристиками транзисторов и прочих активных компонентов. Физические ограничения транзисторов на этих частотах ведут к существенному снижению максимально возможной выходной мощности. В связи с этим очень важную роль играет понимание ВЧ-характеристик полупроводниковых компонентов, используемых в ВЧ-приложениях. Неотъемлемым условием для разработки таких приложений становится создание точных моделей новых полупроводниковых устройств в различных условиях эксплуатации и в широком диапазоне частот.
Предлагаемые нашим партнером MPI Corporation системы для измерений на уровне полупроводниковой пластины, в которых применяется векторный анализатор цепей для определения ВЧ-характеристик, идеально подходят в ситуациях, когда требуется максимально широкий динамический диапазон частот при испытаниях устройств в миллиметровом диапазоне. А концепция согласования нагрузки дополняет данное решение для определения характеристик новых полупроводниковых компонентов.
В поисках доступного свободного ВЧ-спектра новые стандарты и технологии связи используют все более широкие диапазоны частот. Следующие поколения радиолокационных датчиков и будущие системы беспроводной связи, такие как 6G, предположительно превысят границу в 100 ГГц, которая известна как субтерагерцовый диапазон. Это новый диапазон для коммерческих приложений, поэтому требуется разработка новых полупроводниковых технологий, способных гарантировать экономичное массовое производство полупроводников. В настоящее время существующие или совершенно новые полупроводниковые технологии исследуются и оптимизируются под различные приложения в ВЧ-диапазонах. Сегодня уже имеются полупроводниковые технологии, способные работать в этих диапазонах частот, однако их стоимость и массовая доступность по-прежнему являются камнем преткновения.
Ученые и инженеры-разработчики активно исследуют ВЧ-возможности полупроводниковых технологий в субтерагерцовом диапазоне. Для этого имеются проверенные и надежные методики. Исследования проводятся непосредственно на уровне пластины с помощью специальных испытательных систем. Коэффициенты рассеяния широко применяются в целях определения характеристик компонентов. Для комплексного определения характеристик активных компонентов необходимо контролировать и регулировать импеданс на испытуемом устройстве с помощью механизмов согласования нагрузки.
Векторный анализатор цепей R&S®ZNA и СВЧ-преобразователь R&S®ZC330 для работы в диапазоне частот от 220 ГГц до 330 ГГц.
Чтобы включить в свой ассортимент решение «под ключ», компания Rohde & Schwarz сотрудничает с лидерами отрасли MPI Corporation и Focus Microwaves. Каждая компания предоставляет свое ноу-хау:
Векторный анализатор цепей как центральный испытательный прибор
Главным прибором для проведения ВЧ-измерений в испытательной установке является векторный анализатор цепей R&S®ZNA. Он способен определять стандартные коэффициенты рассеяния, а также выполнять различные специализированные измерения с усилителем мощности или смесителем (например, измерения нелинейных искажений, интермодуляции и группового времени задержки). Базовый блок R&S®ZNA с макс. 4 портами работает с частотами до 67 ГГц. СВЧ-преобразователи R&S®ZCxxx расширяют диапазон частот до 1,1 ТГц с поддержкой 4-портовых приложений. Прибор R&S®ZNA полностью управляет преобразователями частоты и обеспечивает удобную работу в ручном или автоматическом режиме.
3-портовые испытания на пластине с компактной интеграцией преобразователей частоты Rohde & Schwarz на станции пробников MPI.
(©MPI Corporation)
Система пробников для подключения к полупроводниковой пластине
Для удовлетворения жестких требований, предъявляемых к измерениям на пластине в субтерагерцовом диапазоне, совместное решение применяет специальную платформу системы пробников с поддержкой автоматических тюнеров импеданса от MPI Corporation. Эта платформа предназначена для измерений пластин 150 мм, 200 мм и 300 мм без каких-либо компромиссов с точки зрения функциональности приборов, точности измерений и простоты в обращении. Данное решение охватывает диапазон частот свыше 1 ТГц и включает в себя определение характеристик повышенной температуры.
Специальная технология адаптации расширителя частот (FEAD) и уникальная конструкция опор пробников обеспечивает минимальное расстояние между портом расширителя и испытуемым устройством. Измерительные платы располагают преобразователи частот очень близко к полупроводниковой пластине, чтобы обеспечить подачу максимальной мощности на устройство и гарантировать очень широкий динамический диапазон для измерений входа и выхода устройства. Передовое программное обеспечение QAlibria®для калибровки и проверенные калибровочные подложки реализуют современные отраслевые методики калибровки, а с помощью программного пакета NIST StatistiCAL также обеспечивается калибровка на метрологическом уровне Национального института стандартов и технологий США по методу многолинейной калибровки TRL (перемычка-отражение-линия).
Ручная система пробников MPI TS200-THZ работает по такому же принципу, как ее автоматизированный аналог MPI TS2000-IFE THZ-Selection. Обе системы включают в себя прецизионные позиционеры и специальную опору пробника для гарантии оптимальной работы во время измерений на пластине. Ручная система обеспечивает точное позиционирование пластины и близость к преобразователям частоты, что гарантирует выравнивание и контакт с испытуемым устройством. Она сводит к минимуму потери сигнала, предотвращает механические конфликты и повышает мощность, подаваемую на испытуемое устройство. Это особенно важно в приложениях субтерагерцового диапазона, включая согласование нагрузки.
По аналогии с ручной системой автоматизированная система MPI TS2000-IFE THZ-Selection также содержит специальную опору пробника и точные позиционеры. Автоматизированная система поддерживает стабильные контролируемые условия измерений, что очень важно для проведения надежных и повторяемых измерений в субтерагерцовом диапазоне. Благодаря применению инновационной концепции MPI для интеграции расширителей частоты данная система обеспечивает непрерывную передачу сигнала и поддерживает превосходную точность измерений в декаметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах.
Ручная и автоматизированная системы рассчитаны на работу с пластинами различных размеров до 300 мм, поэтому они являются универсальными решениями для широкого спектра полупроводниковых приложений. Используя эти современные системы, ученые и инженеры-разработчики могут исследовать полупроводниковые технологии на сверхвысоких частотах, при этом системы гарантируют великолепную точность и повторяемость измерений на пластине.
Поддержка 3-портовых измерений с расширением до терагерцового диапазона является еще одной уникальной возможностью систем MPI. Она позволяет проводить широкополосные испытания со смесителем на субгармониках путем параллельного подключения портов миллиметрового диапазона и гетеродина.
Последствия ограниченного диапазона подстройки
Сравнение стандартного тюнер и тюнера Focus Delta с прямым подключением ВЧ-пробника
Согласование нагрузки и преобразование импеданса
Для комплексного определения характеристик устройства требуется изменение нагрузки и источника. Таким образом на испытуемое устройство подаются заданные импедансы и определяются его характеристики в различных комбинациях нагрузки и источника. Одной из важных областей применения концепции согласования нагрузки является моделирование устройств. Еще одна область применения: поиск наиболее эффективного режима работы активных устройств, таких как усилители мощности. Максимальная выходная мощность или эффективность преобразования мощности в ВЧ-энергию для активного компонента в значительной степени зависят от приложенных импедансов. И наконец, испытательные приборы, как правило, рассчитаны на работу в среде 50 Ом. Активные компоненты на уровне полупроводниковой пластины очень далеки от этого значения. При проведении испытаний на уровне пластины зачастую применяется согласование импедансов с помощью тюнеров импеданса.
В своем комплексном решении Rohde & Schwarz применяет тюнеры Delta от компании Focus Microwaves. Новая серия электромеханических тюнеров Delta от компании Focus Microwaves разработана специально для ВЧ-измерений на уровне пластины. Плоские тюнеры могут размещаться по периметру пластины, обеспечивая прямое соединение между наконечником пробника и тюнером. Таким образом устраняются все возможные вносимые потери на участке между испытуемым устройством и тюнером. Эта инновационная конструкция тюнеров с существенным сокращением их веса и площади позволяет разработчикам задавать оптимальный диапазон подстройки. Компания Focus Microwaves предлагает широкий спектр тюнеров импеданса на гармониках Delta, которые работают в диапазонах частот от 1,8 ГГц до 110 ГГц.
На основе технологии миниатюрных тюнеров Delta с их микрометрической точностью и повторяемостью в Focus Microwaves было разработано новое семейство тюнеров волновода для частот свыше 110 ГГц. Компактные тюнеры волновода и современная интеграция на уровне пластины обеспечивают непосредственное подключение субтерагерцовых волноводных пробников для достижения максимального диапазона подстройки. При использовании встроенных рефлектометров для измерений входного и выходного сигнала (a1,2, b1,2) в сочетании с приемниками R&S®ZRXxxxL субтерагерцовые тюнеры могут применяться для полностью калиброванных векторных измерений с согласованием нагрузки. Данный подход также позволяет легко адаптироваться к гибридным технологиям, которые часто применяются в целях увеличения диапазона подстройки в пассивных системах согласования нагрузки.
Комбинированная базовая система, состоящая из векторного анализатора цепей и станции пробников, позволяет проводить измерения ВЧ-устройств на уровне пластины. Компания MPI Corporation предлагает широкий выбор пробников, включая несимметричные пробники для частот до 110 ГГц и многоконтактные пробники для расширенного электрического смещения.
За счет интеграции ВЧ-преобразователей и специальных волноводных пробников MPI возможно расширение диапазона измерений до полного терагерцового диапазона. Это делает возможным исследования в диапазоне D, который играет ключевую роль в технологии 6G, а также исследования частот до 330 ГГц, также важных в приложениях 6G. Благодаря такому огромному охвату частот ученые и инженеры-разработчики могут точно определять характеристики полупроводниковых устройств, закладывая фундамент для следующего поколения технологий связи.
Как и для любых измерений на векторном анализаторе цепей, калибровка системы играет важную роль и выполняется в два этапа на уровне всей системы:
1. Калибровка системы только с векторным анализатором цепей и преобразователями с помощью калибровочных решений MPI и соответствующего программного обеспечения. Подробнее см. руководство по применению MPI «Упрощение измерений в терагерцовом диапазоне» (www.mpi-corporation.com/wp-content/uploads/ASTPDF/MPI-Simplifying-the-Art-of-Terahertz-Measurements.pdf).
2. Калибровка тюнеров импеданса в системе. Для этого используется программное обеспечение Focus Microwaves.
После завершения калибровки программное обеспечение Focus Microwaves используется в качестве системного ПО. Оно регулирует приложенный импеданс с помощью тюнеров и управляет анализатором R&S®ZNA при проведении ВЧ-измерений в целях определения характеристик устройства.
Система пробников MPI обеспечивает стабильные условия испытаний за счет точного позиционирования. Кроме того, выполняется охлаждение испытуемого устройства во время работы с помощью холодной платы и встроенного контролируемого потока воздуха, который станция пробников формирует вокруг испытуемого устройства на пластине.
Разработки в области связи и измерений вышли в терагерцовый диапазон частот, что обуславливает необходимость в оптимизированных полупроводниковых материалах. Результатом совместной работы компаний Rohde & Schwarz, MPI Corporation и Focus Microwaves стало комплексное решение для измерений на полупроводниковой пластине в субтерагерцовом и терагерцовом диапазонах. В этом решении комбинируются векторные анализаторы цепей, системы пробников и тюнеры импеданса в целях надежного и точного определения характеристик полупроводниковых устройств, работающих в терагерцовом диапазоне. Путем тесного сотрудничества три лидера отрасли способствуют развитию инновационных технологий, открывающих новые возможности ВЧ-связи и измерений.
Подробная блок-схема и достижимый диапазон подстройки импеданса на круговой диаграмме Вольперта-Смита
На рисунке представлена векторная установка с согласованием нагрузки для испытаний в диапазоне D. В ней используются компактные тюнеры волновода, которые подключаются непосредственно к ВЧ-пробнику и могут оснащаться дополнительными встроенными двунаправленными ответвителями. Встроенные двунаправленные ответвители позволяют подключить внешние понижающие преобразователи в целях измерения прямых и обратных бегущих волн непосредственно на входе и выходе испытуемого устройства.
Установка со встроенными преобразователями частоты позволяет проводить измерения на уровне пластины в терагерцовом диапазоне.
При рассмотрении требуемых в 6G характеристик радиосвязи с учетом всех ограничений, возникающих при использовании высоких частот для распространения сигнала, становится очевидной необходимость в увеличении пропускной способности с точки зрения мощности и эффективности для устройств, работающих в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. Характеристики этих ВЧ-устройств ограничиваются характеристиками транзисторов и прочих активных компонентов. Физические ограничения транзисторов на этих частотах ведут к существенному снижению максимально возможной выходной мощности. В связи с этим очень важную роль играет понимание ВЧ-характеристик полупроводниковых компонентов, используемых в ВЧ-приложениях. Неотъемлемым условием для разработки таких приложений становится создание точных моделей новых полупроводниковых устройств в различных условиях эксплуатации и в широком диапазоне частот.
Предлагаемые нашим партнером MPI Corporation системы для измерений на уровне полупроводниковой пластины, в которых применяется векторный анализатор цепей для определения ВЧ-характеристик, идеально подходят в ситуациях, когда требуется максимально широкий динамический диапазон частот при испытаниях устройств в миллиметровом диапазоне. А концепция согласования нагрузки дополняет данное решение для определения характеристик новых полупроводниковых компонентов.
Диапазон подстройки импеданса
На диаграмме представлен диапазон подстройки импеданса в тюнере Focus WR06 для диапазона D на частоте 170 ГГц в опорной плоскости тюнера. Здесь видно, что в плоскости тюнера легко достигается коэффициент стоячей волны 16:1. Тюнер имеет очень плоскую характеристику КСВ во всем диапазоне.
(©Focus Microwaves)
В поисках доступного свободного ВЧ-спектра новые стандарты и технологии связи используют все более широкие диапазоны частот. Следующие поколения радиолокационных датчиков и будущие системы беспроводной связи, такие как 6G, предположительно превысят границу в 100 ГГц, которая известна как субтерагерцовый диапазон. Это новый диапазон для коммерческих приложений, поэтому требуется разработка новых полупроводниковых технологий, способных гарантировать экономичное массовое производство полупроводников. В настоящее время существующие или совершенно новые полупроводниковые технологии исследуются и оптимизируются под различные приложения в ВЧ-диапазонах. Сегодня уже имеются полупроводниковые технологии, способные работать в этих диапазонах частот, однако их стоимость и массовая доступность по-прежнему являются камнем преткновения.
Ученые и инженеры-разработчики активно исследуют ВЧ-возможности полупроводниковых технологий в субтерагерцовом диапазоне. Для этого имеются проверенные и надежные методики. Исследования проводятся непосредственно на уровне пластины с помощью специальных испытательных систем. Коэффициенты рассеяния широко применяются в целях определения характеристик компонентов. Для комплексного определения характеристик активных компонентов необходимо контролировать и регулировать импеданс на испытуемом устройстве с помощью механизмов согласования нагрузки.
Сопутствующие товары
