Caractérisation sur platine aux fréquences sub-THz

Par rapport aux exigences de la 6G en termes de performance radio en respectant toutes les limitations qui résultent de l'utilisation de fréquences plus élevées pour la propagation du signal, un débit plus élevé en termes de puissance et d'efficacité est très souhaitable pour les circuits à ondes millimétriques (mmWave) ou THz. La performance de ces circuits RF est limitée par la performance des transistors et d'autres dispositifs actifs. Du fait des limitations physiques des transistors à ces fréquences, la puissance de sortie maximale disponible se dégrade drastiquement. Pour cette raison, une excellente compréhension du comportement RF des composants à semi-conducteurs au sein des applications à fréquence supérieure est essentielle. La création de modèles précis de nouveaux appareils à semi-conducteurs dans diverses conditions de fonctionnement et dans une large gamme de fréquence devient cruciale dans les applications de conduite.

Les systèmes de mesure au niveau de la platine proposée par notre partenaire MPI Corporation, dotée d'un test des caractéristiques RF à l'aide d'un analyseur de réseaux vectoriels, sont les premiers choix lorsque la gamme dynamique la plus large possible en caractérisation d'appareils à ondes millimétriques est nécessaire. L'ajout d'un "load-pull" complète la caractérisation des nouveaux composants à semi-conducteurs.

Votre tâche

Les nouvelles normes de communications et technologies utilisent des gammes de fréquence de plus en plus élevées afin de trouver un spectre ouvert disponible dans le domaine RF. Les générations suivantes de capteurs radar ou les futurs systèmes sans fil tels que la 6G sont prévus d'aller au-delà de 100 GHz, ce que l'on appelle la gamme sub-THz. Puisque ces bandes sont nouvelles pour les applications commerciales, de nouvelles technologies à semi-conducteurs doivent être développées afin de proposer des semi-conducteurs économiques et productibles en masse. Des technologies à semi-conducteurs existantes ou complètement nouvelles sont recherchées et optimisées pour les différentes applications au sein des gammes hautes fréquences. Aujourd'hui, nous avons déjà des technologies à semi-conducteurs disponibles qui accèdent à ces gammes de fréquences, mais le coût et la disponibilité de masse sont encore des problèmes qui doivent être résolus.
Les chercheurs et les ingénieurs analysent les capacités RF des technologies à semi-conducteurs dans la région sub-THz. Des méthodes éprouvées et stables à ces fins sont disponibles aujourd'hui. Elles sont directement apportées au niveau de la platine en utilisant des systèmes de sondes appropriés. Les paramètres S sont largement utilisés pour caractériser les composants. Pour une caractérisation complète des composants actifs, l'impédance présentée à l'appareil doit être contrôlée et réglée à l'aide de méthodes "load-pull".

Rohde & Schwarz coopère avec MPI Corporation et Focus Microwaves afin de proposer un système "load-pull" sur platine sub-THz et THz complet

Afin de fournir une solution clé en main, Rohde & Schwarz coopère avec les leaders industriels MPI Corporation et Focus Microwaves. Chaque entreprise fournit son savoir-faire :

• Rohde & Schwarz fournit l'analyseur de réseaux vectoriels R&S®ZNA
• Focus Microwaves fournit les récepteurs "load-pull", le système logiciel et le contrôle d'impédance de l'objet testé
• MPI fournit la station de sondage avancée et l'intégration matérielle essentielle, garantissant un fonctionnement sans faille du système
• MPI fournit l'intégration de l'instrumentation mentionnée sur une plateforme de sondage qui prend en charge des applications à réglage d'impédance automatisé (AIT). Le système est complété par des sondes RF, des supports de calibration, la suite d'exploitation du système de sonde SENTIO^®avec le logiciel de calibration RF embarqué QAlibria^®

L'analyseur de réseaux vectoriels (VNA) comme instrument de test central

Dans la configuration de test, l'analyseur de réseaux vectoriels R&S®ZNA est l'instrument de base pour mener les mesures RF. Il peut effectuer une caractérisation de paramètres S, ainsi que plusieurs mesures d'amplificateurs de puissance (AP) ou de mélangeurs dédiés telles que la compression du gain, l'intermodulation et les retards de groupes. L'unité de base R&S®ZNA couvre des fréquences jusqu'à 67 GHz avec 4 ports possibles. Les convertisseurs à ondes millimétriques R&S®ZCxxx étendent la bande de fréquence jusqu'à 1,1 THz, permettant des applications sur 4 ports. Le R&S®ZNA contrôle entièrement les convertisseurs de fréquence et permet une utilisation manuelle simple et automatisée.

Système de sondage pour connexion sur la platine

Afin de répondre aux exigences des mesures sur platine aux fréquences sub-THz, la solution conjointe utilise la plateforme de sondage AIT dédiée de MPI Corporation. Elle a été développée pour des mesures sur des platines 150 mm, 200 mm et 300 mm sans compromettre les caractéristiques de l'instrumentation, la précision de mesure et la simplicité d'utilisation. La solution couvre la gamme de fréquence jusqu'à et au-delà de 1 THz et inclut une caractérisation en surchauffe.

L'adaptation dédiée à l'extension de la fréquence (FEAD) et la conception unique de la platine de sondage permettent la distance la plus courte entre le port d'extension et le dispositif sous test (DUT). Les montages positionnent les convertisseurs de fréquence très proches de la platine afin d'optimiser la puissance dans l'appareil et garantissent une gamme dynamique extrêmement large pour les mesures sur son entrée et sa sortie. Le logiciel de calibration QAlibria^®et les supports de calibration vérifiés constituent des méthodes de calibration avancées et normées pour l'industrie, ainsi que la calibration TRL (Through‑Reflect-Line) multi-lignes NIST au niveau métrologique en établissant des liens avec le logiciel NIST StatistiCAL.

Le système de sondage manuel MPI TS200-THZ partage les mêmes principes de base que son homologue automatisé, le MPI TS2000-IFE THZ-Selection. Les deux systèmes intègrent des positionneurs de précision et une platine développée pour assurer une performance optimale pendant les mesures sur platine. La version manuel obtient un positionnement précis sur platine et une proximité avec les convertisseurs de fréquence, permettant un alignement précis et un contact avec le dispositif sous test. Cette conception minimise les pertes de signal, réduit les conflits mécaniques et améliore la puissance délivrée au dispositif sous test (DUT), en faisant une fonctionnalité essentielle pour les applications sub-THz, y compris le "load-pull".

De la même manière, le MPI TS2000-IFE THZ-Selection automatisé intègre des positionneurs de platine et une précision de pointe, en suivant la même approche que la version manuelle. Le système automatisé maintient les conditions de mesure stables et contrôlées, ce qui est essentiel pour des mesures sub-THz fiables et répétables. En exploitant la conception d'intégration d'élargissement de fréquence innovante de MPI, ce système automatisé assure une transmission du signal sans interruption, prenant en charge les mesures RF, à ondes millimétriques (mmWave) et THz avec une précision exceptionnelle.

Les deux versions manuelle et automatisée ont été développées pour répondre aux différentes tailles de platines, y compris jusqu'à 300 mm, en faisant des solutions polyvalentes pour une large gamme d'applications à semi-conducteurs. Ces systèmes avancés permettent aux chercheurs et aux ingénieurs d'analyser les technologies à semi-conducteurs dans le domaine des hautes fréquences, en proposant une précision et une répétabilité exceptionnelles dans la caractérisation sur platine.

La prise en charge de mesures sur 3 ports, élargissant la gamme jusqu'au THz est une autre capacité unique des systèmes MPI. Cela permet le test du mélangeur sub-harmonique à large bande en couplant simultanément les ports à ondes millimétriques et de l'oscillateur local (OL).

Load-pull et transformation d'impédance

Pour une caractérisation complète d'un appareil, le "source-pull" et le "load pull" sont nécessaires. Ils permettent au dispositif à semi-conducteurs sous test d'être assujetti aux impédances définies et au DUT d’être caractérisé avec une source variable et des correspondances de charge. La modélisation d'un appareil est une application importante pour le "load-pull". Trouver l'efficacité maximale dans le comportement d'un appareil actif tel qu'un amplificateur de puissance est une autre application pour le "load-pull". Le comportement d'un composant actif en fonction de la puissance de sortie maximale ou de l'efficacité de puissance ajoutée dépend fortement des impédances appliquées. Dernier point mais pas des moindres, l'instrumentation du test est généralement conçue pour un environnement 50 Ω. Les composants actifs au niveau de la platine sont très loin de cette valeur. La correspondance d'impédance est souvent appliquée en utilisant des récepteurs d'impédance dédiés au test au niveau de la platine.

Afin de constituer une solution complète, Rohde & Schwarz s'associe à Focus Microwaves en utilisant leurs récepteurs Delta. La nouvelle série de récepteurs électromécaniques Delta de Focus Microwaves ont été conçus spécifiquement pour les mesures sur platines hautes fréquences. Le profil bas du récepteur signifie qu'il peut être placé au sein du périmètre de la platine, permettant une connexion directe entre la pointe de la sonde et le récepteur, et par conséquent, éliminant toute perte d'insertion possible entre le DUT et le récepteur. Cette nouvelle conception de récepteur révolutionnaire permet aux ingénieurs d'obtenir une gamme de réception optimale, avec un récepteur proposant un encombrement et un poids grandement restreints. Focus Microwaves propose une large gamme de récepteurs harmoniques d'impédance Delta couvrant des fréquences de 1,8 GHz à 110 GHz.

En tirant parti de la technologie des récepteurs Delta et la combiner avec la répétabilité et la précision micro-métrique des petits récepteurs, Focus a développé une nouvelle série de récepteurs guide ondes conçus pour des fréquences supérieures à 110 GHz. Le faible encombrement des récepteurs guide ondes de Focus Microwaves et l'intégration sur platine de pointe permettent une connexion directe aux sondes guide ondes sub-THz, fournissant une gamme de réglage maximale. En utilisant des réflectomètres intégrés pour les mesures de forme d'onde de déplacement d'entrée et de sortie (un_1,2, b_1,2) combinés avec des récepteurs R&S®ZRXxxxL, les récepteurs sub-THz peuvent être utilisés pour des mesures "load-pull" vectorielles entièrement calibrées. Cette approche permet également une adaptation simple aux techniques hybrides souvent utilisées pour augmenter la gamme de réglage des systèmes load-pull passifs.

Application

Le système de base combiné, composé du VNA et de la station de sondage, permet des mesures sur platine des appareils RF. MPI Corporation propose une large gamme de sondes, incluant des sondes à terminaison simple permettant d'atteindre jusqu'à 110 GHz et des sondes multi-contacts pour un bias avancé.

Avec l'intégration de convertisseurs RF et de sondes guide ondes dédiées de MPI, les chercheurs peuvent élargi leurs mesures aux fréquences plus élevées, couvrant le spectre entier du THz. Cela intègre l'analyse de la bande D extrêmement recherchée, qui est essentielle pour les activités de la 6G, ainsi que des fréquences d'investigation jusqu'à 330 GHz, également pertinentes pour les applications 6G. Cette couverture fréquence exceptionnelle permet aux chercheurs et aux ingénieurs de caractériser précisément des appareils à semi-conducteurs, ouvrant la voie aux avancées dans la prochaine génération des technologies de communication.

Comme pour chaque mesure VNA, la calibration du système est importante et est effectuée en deux étapes pour le système intégral :

1. Calibration du système sur platine avec le VNA seulement et ses convertisseurs en utilisant les solutions de calibration MPI et le logiciel associé. Pour plus de détails, voir la note d'application MPI “Simplifying the Art of Terahertz Measurements” (www.mpi-corporation.com/wp-content/uploads/ASTPDF/MPI-Simplifying-the-Art-of-Terahertz-Measurements.pdf).

2. Calibration des récepteurs "load-pull" dans le système. Cela est effectué en utilisant le logiciel Focus Microwaves.
Une fois la calibration terminée, le logiciel Focus Microwaves agit comme le logiciel système. Il contrôle l'impédance appliquée en utilisant les récepteurs ainsi que le R&S®ZNA pour effectuer les mesures RF pour la caractérisation d'appareils.
Le système de sondage MPI assure des conditions de test stables en positionnement. De plus, le refroidissement du DUT en fonctionnement est obtenu en utilisant la plaque de refroidissement plus un flux d'air intégré contrôlé au sein de la station de sondage autour du DUT platine.

Conclusion

Les avancées dans les communications se sont élargies à la gamme de fréquence THz, menant les besoins vers des matériaux à semi-conducteurs optimisés. Avec un effort collaboratif, Rohde & Schwarz, MPI Corporation et Focus Microwaves fournissent des solutions conjointes pour les mesures sur platine sub-THz et THz. Ce partenariat combine des analyseurs de réseaux vectoriels, des systèmes de sondage et des systèmes de réglage d'impédance, permettant une caractérisation robuste et précise des appareils à semi-conducteurs aux fréquences THz. Ensemble, les trois leaders industriels accélèrent le développement de technologies innovantes, déverrouillant de nouvelles possibilités dans les communications à haute fréquence.

Diagramme en blocs détaillé et gamme de réglage d'impédance possible dans le diagramme de Smith

La figure montre la configuration load-pull vectorielle de la bande D, qui inclut les récepteurs guide ondes à faible encombrement qui sont directement connectés à la sonde RF et sont disponibles avec des coupleurs bidirectionnels intégrés optionnels. Ces coupleurs bidirectionnels intégrés permettent la connexion de convertisseurs abaisseurs externes pour mesurer directement les ondes traversante et inverse en entrée et sortie du DUT.

Gamme de réglage d'impédance

La figure illustre la gamme de réglage d'impédance du récepteur WR06 de la bande Focus D à 170 GHz sur le plan de référence du récepteur. Il montre qu'un VSWR de 16:1 est facilement atteignable sur le plan du récepteur. La réponse VSWR de ce récepteur est très plate sur la bande entière.
(©Focus Microwaves)