Las nuevas tecnologías y aplicaciones como la comunicación y la detección 6G están conquistando el rango de frecuencias de sub-THz en la banda D y más allá. Para apoyar este avance es necesario desarrollar a nivel comercial nuevos procesos y tecnologías en el ámbito de los semiconductores.
La estación sobre oblea con convertidores de frecuencia integrados permite realizar medidas con frecuencias de THz
Si se comparan los requisitos de la 6G en términos de rendimiento radioeléctrico con respecto a todas las limitaciones que se derivan del uso de frecuencias más altas para la propagación de señales, un objetivo esencial es mejorar el rendimiento en cuestión de potencia y eficiencia en los circuitos de ondas milimétricas o de THz. El rendimiento de estos circuitos de RF está limitado por el rendimiento de los transistores y otros dispositivos activos. Dadas las limitaciones físicas de los transistores a estas frecuencias, la potencia de salida máxima disponible se reduce drásticamente. Por ello, resulta esencial tener un profundo conocimiento del comportamiento de RF de los componentes semiconductores en las aplicaciones con frecuencias más altas. La creación de modelos precisos para los nuevos dispositivos semiconductores bajo diferentes condiciones de operación y en un amplio rango de frecuencias es fundamental en las aplicaciones de control.
Los sistemas de medida a nivel de oblea de nuestro aliado MPI Corporation, que permiten medir las características de RF mediante un analizador de redes vectoriales, son la elección ideal cuando se requiere el máximo rango dinámico posible en la caracterización de dispositivos de ondas milimétricas. Las medidas load-pull completan la caracterización de los nuevos componentes semiconductores.
Los nuevos estándares y tecnologías de comunicación utilizan rangos de frecuencias cada vez más altos para poder ocupar espectros abiertos disponibles en el dominio de la radiofrecuencia. Las nuevas generaciones de sensores radar o los futuros sistemas de comunicaciones móviles, como 6G, alcanzarán y, probablemente, superarán con creces los 100 GHz, frecuencia se que conoce como el rango de sub-THz. Puesto que estas bandas son nuevas en las aplicaciones comerciales, es necesario desarrollar nuevas tecnologías de semiconductores económicas y orientadas a la producción a gran escala. Para las distintas aplicaciones en las gamas de frecuencias más altas se están investigando y optimizando tecnologías de semiconductores ya existentes o completamente nuevas. Actualmente existen ya tecnologías de semiconductores capaces de alcanzar estos rangos de frecuencias, pero tanto su coste como la disponibilidad a gran escala siguen siendo un problema por resolver.
Los investigadores e ingenieros están estudiando la idoneidad de RF de las tecnologías de semiconductores en la gama de sub-THz. Para ello existen hoy en día métodos de eficacia demostrada y fiables, que se ejecutan directamente a nivel de oblea con sistemas específicos para pruebas sobre oblea. Para caracterizar componentes se utilizan habitualmente los parámetros-S. Para llevar a cabo una caracterización completa de componentes activos es necesario controlar y establecer la impedancia que se presenta en el dispositivo mediante métodos load-pull.
El analizador de redes vectoriales R&S®ZNA con el convertidor de ondas milimétricas R&S®ZC330 para el rango de frecuencias de 220 GHz a 330 GHz.
Con vistas a ofrecer una solución llave en mano completa, Rohde & Schwarz trabaja conjuntamente con los líderes del mercado MPI Corporation y Focus Microwaves. Cada empresa aporta sus competencias básicas:
El analizador de redes vectoriales como instrumento medular
Dentro del sistema de medida, el analizador de redes vectoriales R&S®ZNA es el instrumento esencial para realizar las medidas de RF. Ejecuta tanto la caracterización de los parámetros S estándar como muchas medidas específicas de amplificadores de potencia o de mezcladores, como compresión de ganancia, intermodulación y retardo de grupo. La unidad base R&S®ZNA cubre frecuencias hasta 67 GHz con hasta 4 puertos. Los convertidores de ondas milimétricas R&S®ZCxxx permiten ampliar la banda de frecuencias hasta 1,1 THz para aplicaciones de 4 puertos. El R&S®ZNA controla totalmente los convertidores de frecuencia y se puede utilizar con facilidad tanto en modo manual como automático.
Test con 3 puertos sobre oblea con integración compacta de convertidores de frecuencia Rohde & Schwarz en la estación de sondas de MPI.
(©MPI Corporation)
Sistema de sondas para la conexión a la oblea
Para satisfacer los exigentes requisitos de las medidas sobre oblea en frecuencias de sub-THz, la solución conjunta utiliza la plataforma específica de sistema de sondas AIT de MPI Corporation. Esta ha sido desarrollada para medidas en obleas de 150 mm, 200 mm y 300 mm sin que ello afecte a las características de la instrumentación, la exactitud de medida o la facilidad en la operación. La solución cubre el rango de frecuencias hasta 1 THz y por encima, e incluye caracterización de temperatura excesiva.
Gracias a una adaptación específica de extensor de frecuencia (FEAD) y al diseño exclusivo de la placa de sondas es posible reducir al mínimo la distancia mínima entre el puerto del extensor y el objeto examinado (DUT). Los elementos de fijación posicionan los convertidores de frecuencia muy cerca de la oblea para elevar al máximo la potencia aplicada al dispositivo y garantizan un muy amplio rango dinámico para medidas en su entrada y salida. El innovador software de calibración QAlibria®y los substratos de calibración verificados facilitan la implementación de métodos de calibración avanzados y conformes con las normas industriales, así como la calibración multilínea TRL (Through‑Reflect-Line) con el nivel metrológico NIST mediante la vinculación con el paquete de software StatistiCAL de NIST.
El sistema de sondas manual MPI TS200-THZ sigue los mismos principios básicos que su homólogo automático, el MPI TS2000-IFE THZ-Selection. Ambos sistemas incorporan posicionadores de precisión y una placa diseñada para garantizar el rendimiento óptimo durante las medidas sobre oblea. La versión manual proporciona precisión de posicionamiento de la oblea y proximidad a los convertidores de frecuencia, lo que se traduce en una gran exactitud en la alineación y el contacto con el dispositivo bajo prueba. Este diseño reduce al mínimo la pérdida de señal, reduce los conflictos mecánicos y mejora la potencia suministrada al dispositivo bajo prueba, y es por lo tanto una característica esencial para las aplicaciones sub-THz, incluidas las load-pull.
El modelo automático MPI TS2000-IFE THZ-Selection integra igualmente una placa de diseño avanzado y posicionadores de precisión, siguiendo el mismo enfoque que la versión manual. El sistema automático mantiene las condiciones de medida estables y controladas, lo cual tiene una importancia crítica para obtener medidas fiables y repetibles en el rango de sub-THz. Gracias al innovador diseño de integración del extensor de frecuencia de MPI, este sistema automático garantiza la transmisión ininterrumpida de la señal, lo que permite realizar medidas de RF, de ondas milimétricas y de THz con una precisión extraordinaria.
Tanto la versión manual como la automática están diseñadas para albergar diferentes tamaños de oblea, con hasta 300 mm, lo que las convierte en soluciones versátiles para una amplia gama de aplicaciones de semiconductores. Estos sistemas avanzados permiten a los investigadores e ingenieros explorar tecnologías de semiconductores en altas frecuencias y ofrecen una precisión y repetibilidad extraordinarias en la caracterización sobre oblea.
Las medidas de 3 puertos, que hacen posible la extensión al rango de los THz, constituyen otra función exclusiva de los sistemas de MPI. Gracias a ello, se pueden verificar mezcladores de subarmónicos de banda ancha acoplando de forma paralela puertos de ondas milimétricas y de oscilador local (LO).
Efecto de pérdida en el intervalo de sintonización
Estructura de sintonizador convencional frente al sintonizador Focus Delta con conexión directa de sonda de RF
Load-pull y transformación de impedancia
Para una caracterización completa del dispositivo es necesario aplicar distintas impedancias de carga y de fuente. Esto permite exponer el dispositivo semiconductor examinado a impedancias definidas y caracterizar el dispositivo bajo prueba con distintas adaptaciones de fuente y carga. El modelado de dispositivos es una importante aplicación del método load-pull. Otra aplicación destacada es la determinación del comportamiento de eficiencia máxima de un dispositivo activo, como un amplificador de potencia. El comportamiento del componente activo con respecto a la potencia de salida máxima o la eficiencia de potencia añadida depende en gran medida de las impedancias aplicadas. Y también hay que tener en cuenta que la instrumentación de prueba generalmente está diseñada para un entorno de 50 Ω. Los componentes activos a nivel de oblea están bastante lejos de este valor. La adaptación de impedancia se aplica a menudo utilizando sintonizadores de impedancia para realizar las medidas a nivel de oblea.
Con vistas a desarrollar una solución completa, Rohde & Schwarz utiliza los sintonizadores Delta de su aliado comercial Focus Microwaves. Los nuevos sintonizadores electromecánicos de la serie Delta de Focus Microwaves están diseñados específicamente para medidas sobre oblea en el rango de altas frecuencias. Gracias a su bajo perfil, el sintonizador se puede colocar dentro del perímetro de la oblea, lo que permite la conexión directa entre la punta de sonda y el sintonizador, y con ello elimina cualquier posible pérdida de inserción entre el dispositivo bajo prueba y el sintonizador. Este nuevo diseño de sintonizador revolucionario permite al ingeniero alcanzar un intervalo de sintonización óptimo con un sintonizador cuyo peso y volumen se han reducido drásticamente. Focus Microwaves ofrece una amplia gama de sintonizadores de armónicos de impedancia Delta, que cubren frecuencias desde 1,8 GHz hasta 110 GHz.
Tomando como base la tecnología de los sintonizadores Delta y combinándola con la repetibilidad y la precisión micrométrica de los sintonizadores compactos, Focus ha desarrollado una nueva familia de sintonizadores de guía de ondas diseñados para frecuencias superiores a 110 GHz. Los sintonizadores de guía de ondas compactos de Focus Microwaves y la integración en oblea avanzada hacen posible la conexión directa a sondas de guía de ondas para sub-THz, y con ello un intervalo de sintonización máximo. Con reflectómetros integrados para medidas de forma de onda progresiva de entrada y salida (a1,2, b1,2), combinados con receptores R&S®ZRXxxxL, los sintonizadores de sub-THz se pueden utilizar para medidas vectoriales load-pull totalmente calibradas. Este concepto permite también una fácil adaptación a métodos híbridos que se utilizan a menudo para aumentar el intervalo de sintonización en sistemas load-pull pasivos.
El sistema de base combinado, compuesto por el analizador de redes vectoriales y la estación de sondas, permite llevar a cabo medidas sobre oblea de dispositivos de RF. MPI Corporation ofrece una amplia gama de sondas, entre ellas también sondas de terminación única que alcanzan hasta 110 GHz y sondas multicontacto para una polarización avanzada.
Gracias a la integración de convertidores de RF y las sondas de guía de ondas dedicadas de MPI, los investigadores pueden extender sus medidas a frecuencias más altas y cubrir todo el espectro de los THz. Esto incluye la exploración de la banda D, que se está investigando intensamente y es esencial para las actividades de 6G, así como para el estudio de frecuencias hasta los 330 GHz, también relevantes para aplicaciones 6G. Esta amplia cobertura de frecuencias permite a los investigadores e ingenieros caracterizar dispositivos semiconductores con gran precisión, lo que allanará el camino a los avances en las tecnologías de la comunicación de la próxima generación.
Como ocurre en todas las medidas con un analizador de redes vectoriales, la calibración del sistema es importante y se ejecuta en dos pasos para el sistema completo:
1. Calibración del sistema en oblea solamente con el analizador de redes vectoriales y sus convertidores, utilizando las soluciones de calibración de MPI y el respectivo software. Para obtener más detalles, consulte la nota de aplicación de MPI «Simplifying the Art of Terahertz Measurements» (www.mpi-corporation.com/wp-content/uploads/ASTPDF/MPI-Simplifying-the-Art-of-Terahertz-Measurements.pdf).
2. Calibración de los sintonizadores load-pull en el sistema. Este paso se lleva a cabo con el software de Focus Microwaves.
Una vez que ha finalizado la calibración, el software de Focus Microwaves actúa como el software del sistema. Controla la impedancia aplicada utilizando los sintonizadores y el R&S®ZNA para realizar las medidas de RF para la caracterización del dispositivo.
El sistema de sondas de MPI garantiza las condiciones estables de prueba en cuanto al posicionamiento. Adicionalmente, se consigue una refrigeración del DUT durante la operación mediante la placa de enfriamiento y una corriente de aire controlada e integrada dentro de la estación de sondas alrededor del dispositivo en la oblea.
Los avances en el ámbito de la comunicación y la detección están conquistando el rango de frecuencias de los THz, y provocan con ello una demanda de materiales semiconductores optimizados. En el marco de una alianza de cooperación, Rohde & Schwarz, MPI Corporation y Focus Microwaves suministran soluciones conjuntas para medidas sobre oblea en el rango de sub-THz y THz. El resultado de esta alianza es una combinación de analizadores de redes vectoriales, sistemas de sondas y sintonizadores de impedancia que hacen posible una caracterización segura y precisa de dispositivos semiconductores a frecuencias de THz. Con esta unión, los tres líderes de la industria contribuyen a acelerar el desarrollo de tecnologías innovadoras y abren el camino a nuevas posibilidades en el campo de la comunicación y la detección en frecuencias elevadas.
Diagrama de bloques detallado e intervalo de sintonización de impedancia alcanzable en el diagrama de Smith
La figura muestra la configuración load-pull vectorial para la banda D, que incluye los sintonizadores de guía de ondas compactos, los cuales se conectan directamente a la sonda de RF y están disponibles con acopladores bidireccionales opcionales. Estos acopladores bidireccionales integrados permiten conectar los convertidores reductores externos para medir las ondas progresivas de avance y de retorno directamente en la entrada y la salida del DUT.
La estación sobre oblea con convertidores de frecuencia integrados permite realizar medidas con frecuencias de THz
Si se comparan los requisitos de la 6G en términos de rendimiento radioeléctrico con respecto a todas las limitaciones que se derivan del uso de frecuencias más altas para la propagación de señales, un objetivo esencial es mejorar el rendimiento en cuestión de potencia y eficiencia en los circuitos de ondas milimétricas o de THz. El rendimiento de estos circuitos de RF está limitado por el rendimiento de los transistores y otros dispositivos activos. Dadas las limitaciones físicas de los transistores a estas frecuencias, la potencia de salida máxima disponible se reduce drásticamente. Por ello, resulta esencial tener un profundo conocimiento del comportamiento de RF de los componentes semiconductores en las aplicaciones con frecuencias más altas. La creación de modelos precisos para los nuevos dispositivos semiconductores bajo diferentes condiciones de operación y en un amplio rango de frecuencias es fundamental en las aplicaciones de control.
Los sistemas de medida a nivel de oblea de nuestro aliado MPI Corporation, que permiten medir las características de RF mediante un analizador de redes vectoriales, son la elección ideal cuando se requiere el máximo rango dinámico posible en la caracterización de dispositivos de ondas milimétricas. Las medidas load-pull completan la caracterización de los nuevos componentes semiconductores.
Intervalo de sintonización de impedancia
La figura muestra el intervalo de sintonización de impedancia del sintonizador WR06 de banda D de Focus con 170 GHz en el plano de referencia del sintonizador. Como puede apreciarse, puede alcanzarse fácilmente una relación de onda estacionaria (ROE) de 16:1 en el plano del sintonizador. La respuesta de ROE de este sintonizador es muy plana en toda la banda.
(©Focus Microwaves)
Los nuevos estándares y tecnologías de comunicación utilizan rangos de frecuencias cada vez más altos para poder ocupar espectros abiertos disponibles en el dominio de la radiofrecuencia. Las nuevas generaciones de sensores radar o los futuros sistemas de comunicaciones móviles, como 6G, alcanzarán y, probablemente, superarán con creces los 100 GHz, frecuencia se que conoce como el rango de sub-THz. Puesto que estas bandas son nuevas en las aplicaciones comerciales, es necesario desarrollar nuevas tecnologías de semiconductores económicas y orientadas a la producción a gran escala. Para las distintas aplicaciones en las gamas de frecuencias más altas se están investigando y optimizando tecnologías de semiconductores ya existentes o completamente nuevas. Actualmente existen ya tecnologías de semiconductores capaces de alcanzar estos rangos de frecuencias, pero tanto su coste como la disponibilidad a gran escala siguen siendo un problema por resolver.
Los investigadores e ingenieros están estudiando la idoneidad de RF de las tecnologías de semiconductores en la gama de sub-THz. Para ello existen hoy en día métodos de eficacia demostrada y fiables, que se ejecutan directamente a nivel de oblea con sistemas específicos para pruebas sobre oblea. Para caracterizar componentes se utilizan habitualmente los parámetros-S. Para llevar a cabo una caracterización completa de componentes activos es necesario controlar y establecer la impedancia que se presenta en el dispositivo mediante métodos load-pull.
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