Las nuevas tecnologías y aplicaciones como las comunicaciones 6G y la detección se extienden a frecuencias por debajo de los terahercios en la banda D y más allá. Es necesario que se comercialicen estas nuevas tecnologías y procesos de semiconductores para apoyar estos esfuerzos.
Las estaciones de sondeo de obleas con convertidores de frecuencia integrados permiten realizar mediciones en las frecuencias de los terahercios
Si se comparan los requisitos de la tecnología 6G en términos de rendimiento radioeléctrico con respecto a todas las limitaciones que se derivan de la utilización de frecuencias más altas para la propagación de señales, es más conveniente un mayor rendimiento en términos de potencia y eficiencia tanto de los circuitos de ondas milimétricas como de terahercios. El rendimiento de los transistores como de otros dispositivos activos limitan el rendimiento de estos circuitos de RF. Debido a las limitaciones físicas de los transistores en estas frecuencias, la potencia de salida máxima disponible se degrada de manera drástica. Por este motivo, es esencial entender a la perfección el comportamiento de RF de componentes semiconductores en aplicaciones de frecuencias más altas. Es cada vez más importante en las aplicaciones de conducción, crear modelos precisos de los nuevos dispositivos semiconductores en diferentes condiciones de funcionamiento, así como en una amplia gama de frecuencias.
Cuando se requiere del rango dinámico más amplio posible de caracterización de dispositivos que usan la tecnología de ondas milimétricas, los sistemas de medición a nivel de oblea con pruebas de características de RF por medio de un analizador de redes vectoriales que ofrece nuestro socio comercial MPI Corporation son la primera opción. Añadir «load-pull» completa la caracterización de nuevos componentes semiconductores.
Tanto los nuevos estándares como tecnologías de comunicación utilizan gamas de frecuencias cada vez más altas a fin de encontrar espectros abiertos disponibles en el dominio de la RF. Se prevé que las subsiguientes generaciones de sensores radar o los futuros sistemas inalámbricos, como la tecnología 6G superen los 100 GHz, el cual también se denomina rango por debajo de los terahercios. Debido a que estas bandas son nuevas para aplicaciones comerciales, es necesario desarrollar nuevas tecnologías de semiconductores para optimizar su rentabilidad y su producción en masa. Se están optimizando las tecnologías de semiconductores ya implementadas, como también investigando tecnologías completamente nuevas para diferentes tipos de aplicaciones en las gamas de alta frecuencia. Hoy en día, contamos con tecnologías de semiconductores que pueden acceder a estas gamas de frecuencias, pero tanto su costo como disponibilidad en masa continúan siendo un problema que se necesita resolver.
Investigadores e ingenieros están investigando el potencial de RF de las tecnologías de semiconductores en la región por debajo de los terahercios. Para este fin, hoy en día se cuenta con métodos probados y estables. Estos métodos están llevándose a cabo directamente a nivel de oblea, mediante la utilización de sistemas sondeadores de obleas. Para la caracterización de componentes se utilizan ampliamente los parámetros-S. Para una completa caracterización de componentes activos, debe controlarse y ajustarse la impedancia que se aplica al dispositivo mediante métodos de «load-pull».
El analizador de redes vectoriales R&S®ZNA con el convertidor de ondas milimétricas R&S®ZC330 para la gama de frecuencias de 220 GHz a 330 GHz.
A fin de proporcionar una solución «llave en mano» completa, Rohde & Schwarz está cooperando con los líderes de la industria MPI Corporation y Focus Microwaves. Cada compañía aporta sus principales conocimientos:
Analizador de redes vectoriales (VNA) como instrumento de medición principal
En la configuración, el analizador de redes vectoriales R&S®ZNA es el principal instrumento para llevar a cabo las mediciones de RF. Es capaz de realizar la caracterización estándar de los parámetros-S, así como mediciones específicas del amplificador de potencia (PA) o del mezclador, como compresión de ganancia, intermodulación y retardo de grupo. La unidad base R&S®ZNA cubre frecuencias de hasta 67 GHz con hasta 4 puertos. Los convertidores de ondas milimétricas R&S®ZCxxx amplían la banda de frecuencias hasta 1.1 THz lo que permite aplicaciones de 4 puertos. El R&S®ZNA controla completamente los convertidores de frecuencia y permite que se lo pueda utilizar muy fácilmente tanto en modo manual como automático.
Prueba en oblea de 3 puertos con integración compacta de los convertidores de frecuencia de 3 puertos de Rohde & Schwarz en la estación de sondeo de MPI.
(©MPI Corporation)
Sistema sondeador para conexión a la oblea
Para cumplir con los complejos requisitos de las mediciones en oblea a frecuencias por debajo de los terahercios, la solución conjunta utiliza la plataforma de sistema sondeador AIT de MPI Corporation. Fue desarrollada para realizar mediciones en obleas de 150 mm, 200 mm y 300 mm sin comprometer las características de la instrumentación, la precisión y la sencillez de manejo. La solución abarca la gama de frecuencias de hasta y por encima de 1 THz e incluye la caracterización por temperatura excesiva.
La adaptación del extensor de frecuencia dedicada (FEAD) y el diseño único de la platina de sondeo permiten acortar la distancia entre el puerto del extensor y el dispositivo. Los accesorios de fijación acercan los convertidores de frecuencia a la oblea a fin de maximizar la potencia en el dispositivo y así, asegurar un rango dinámico extremadamente amplio para mediciones en su entrada y salida. El software de calibración de vanguardia QAlibria®y los sustratos de calibración verificados realizan métodos de calibración de vanguardia según estándares industriales, así como la calibración TRL (Through‑Reflect-Line) multilínea NIST a nivel metrológico por medio de la vinculación del paquete de software NIST StatistiCAL.
El sistema de sondeo MPI TS200-THZ manual comparte los mismos principios que su contraparte automatizada, el MPI TS2000-IFE THZ-Selection. Ambos sistemas incorporan posicionadores de precisión, así como una platina que fue diseñada para asegurar un rendimiento óptimo durante las mediciones en la oblea. La versión manual logra el posicionamiento preciso de la oblea y la proximidad a los convertidores de frecuencia, lo que permite tanto un alineamiento como un contacto precisos con el dispositivo. Este diseño minimiza la pérdida de señal, reduce los problemas mecánicos y mejora la potencia que se suministra al dispositivo, lo que lo convierte en una característica fundamental para aplicaciones por debajo de los terahercios, como por ejemplo «load-pull».
Del mismo modo, el MPI TS2000-IFE THZ-Selection automatizado, integra una platina de vanguardia y posicionadores de precisión, que hace que mantenga el mismo enfoque que la versión manual. El sistema automatizado mantiene las condiciones de medición estables y controladas, lo cual es crucial para realizar mediciones por debajo de los terahercios confiables y repetibles. Con el innovador diseño del extensor de frecuencias de MPI, este sistema automatizado asegura una transmisión de señal sin interrupciones, permite realizar mediciones de RF, ondas milimétricas y terahercios con una precisión sobresaliente.
Tanto la versión manual como la automatizada se han diseñado para utilizarse con diferentes tamaños de oblea como por ejemplo, obleas de hasta 300 mm, este diseño las convierte en soluciones versátiles para una amplia gama de aplicaciones de semiconductores. Al ofrecer excelente precisión y repetibilidad en la caracterización en oblea, estos sistemas de vanguardia permiten a investigadores e ingenieros explorar tecnologías de semiconductores en el domino de la alta frecuencia.
Otra función exclusiva de los sistemas MPI es permitir realizar mediciones en 3 puertos, que se extienden en el rango de los terahercios. Esto permite probar mezcladores subarnónicos de banda ancha por medio del acoplamiento en simultáneo de puertos de ondas milimétricas o del oscilador local.
Consecuencias de las pérdidas en el intervalo de sintonización
Estructura convencional del sintonizador vs. sintonizador Focus Delta con conexión directa de la sonda de RF
Transformación de impedancia y «load-pull»
Para una completa caracterización de un dispositivo se necesita de los métodos «load-pull» y «source-pull». Estos permiten someter el dispositivo conductor a impedancias definidas, así como caracterizarlo a través de distintas combinaciones de fuente y carga. El modelado de dispositivos es una aplicación importante para «load-pull». Encontrar el comportamiento de máxima eficiencia de un dispositivo activo, como por ejemplo de un amplificador de potencia, es otra aplicación para «load-pull». El comportamiento de un componente activo con respecto a la potencia de salida máxima o a la eficiencia de potencia añadida depende en gran medida de la impedancia que se le ha aplicado. Por último, pero no menos importante, la instrumentación de prueba suele diseñarse para un entorno de 50 Ω. Los componentes activos a nivel de oblea están muy lejos de este valor. Para pruebas a nivel de oblea, la adaptación de impedancias a menudo se aplica con sintonizadores de impedancias.
Para crear una solución completa, Rohde & Schwarz se asocia con Focus Microwaves para utilizar sus sintonizadores Delta. La nueva serie Delta de sintonizadores electromecánicos de Focus Microwaves se ha diseñado específicamente para realizar mediciones de alta frecuencia en obleas. El bajo perfil del sintonizador permite que se lo pueda colocar dentro del perímetro de la oblea, esto permite una conexión directa entre la punta de sonda y el sintonizador y se eliminan todas las posibles pérdidas de inserción entre el dispositivo y el sintonizador. Este nuevo y revolucionario diseño permite al ingeniero alcanzar, con un sintonizador de peso y tamaño drásticamente reducidos, un intervalo de sintonización óptimo. Focus Microwaves ofrece una amplia gama de sintonizadores de armónicos de impedancia DELTA que cubren frecuencias de 1.8 GHz a 110 GHz.
Al aprovechar la tecnología de los sintonizadores Delta y combinarla con la precisión micrométrica y repetibilidad de los sintonizadores de tamaño reducido, Focus ha desarrollado una nueva gama de sintonizadores de guía de ondas diseñada para frecuencias mayores a 110 GHz. Los sintonizadores de guías de onda compactos de Focus Microwaves y su integración en oblea de vanguardia permiten una conexión directa a las sondas de guías de ondas por debajo de los terahercios, lo que proporciona el máximo intervalo de sintonización. El uso de reflectómetros integrados para mediciones de formas de onda progresivas (a1.2, b1.2) en combinación con los receptores R&S®ZRXxxxL, permite que puedan utilizarse los sintonizadores por debajo de los terahercios para mediciones vectoriales «load-pull» completamente calibradas. Este enfoque también permite su fácil adaptación a las técnicas híbridas que a menudo se utilizan para aumentar el intervalo de sintonización de los sistemas «load-pull» pasivos.
El sistema base combinado, que se compone del analizador de redes vectoriales y de la estación de sondeo, permite realizar mediciones en oblea de dispositivos de RF. MPI Corporation proporciona una amplia gama de sondas, como por ejemplo, sondas de un solo extremo capaces de alcanzar hasta 110 GHz, así como sondas de multicontacto para una polarización de vanguardia.
Con la integración de los convertidores de RF de Rohde & Schwarz y las sondas de guía de ondas especiales de MPI se logra cubrir todo el espectro de los terahercios, así los investigadores pueden ampliar sus mediciones a frecuencias más altas. Esto incluye la exploración de la muy investigada banda D, la cual es fundamental para las actividades de la tecnología 6G, así como la investigación de frecuencias hasta los 330 GHz, también de mucha importancia para aplicaciones 6G. Esta cobertura completa de frecuencias permite tanto a investigadores como a ingenieros caracterizar con precisión dispositivos semiconductores, también sienta las bases para los avances en la nueva generación de las tecnologías de comunicaciones.
Como sucede con todas las mediciones del analizador de redes vectoriales, la calibración del sistema es importante y se realiza, para el sistema completo, en dos pasos:
1. Calibración del sistema de sondeo de obleas solamente con el analizador de redes vectoriales y sus convertidores con las soluciones de calibración de MPI y el software adjunto. Para más detalles, véase «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 de «load-pull» en el sistema. Esto se logra con el software de Focus Microwaves.
Una vez finalizada la calibración, el software de Focus Microwaves actúa como el software de sistema. Controla la impedancia que se aplica al dispositivo mediante los sintonizadores, también hace uso del R&S®ZNA para realizar mediciones en RF para la caracterización del dispositivo.
Los sistemas de pruebas de MPI aseguran condiciones de pruebas estables durante el posicionamiento. Además, la refrigeración del dispositivo durante su funcionamiento se consigue con la placa fría más un flujo de aire integrado y controlado dentro de la estación de sondeo alrededor del dispositivo de la oblea.
Los avances en comunicaciones y detección se han extendido en la frecuencia de los terahercios, lo que ha impulsado la necesidad de materiales semiconductores optimizados. Mediante un esfuerzo conjunto, Rohde & Schwarz, MPI Corporation y Focus Microwaves proporcionan soluciones conjuntas tanto para mediciones por debajo de los terahercios como de los terahercios en oblea. Este trabajo conjunto combina analizadores de redes vectoriales, sistemas de sondeo y sintonizadores de impedancia, que permiten una caracterización estable y precisa de dispositivos semiconductores en frecuencias de los terahercios. Juntos, los tres líderes industriales aceleran el desarrollo de tecnologías innovadoras, abren nuevas posibilidades en comunicaciones y detección de alta frecuencia.
Diagrama de bloques detallado e intervalo de sintonización de impedancia en el diagrama de Smith
La figura muestra la configuración de «load-pull» del vector de banda D, que incluye los sintonizadores de guía de ondas de tamaño reducido que se conectan de manera directa a la sonda de RF y están disponibles con acopladores bidireccionales integrados opcionales. Estos acopladores bidireccionales integrados permiten la conexión de los convertidores reductores externos para medir ondas progresivas tanto incidentes como reflejadas en la entrada y salida del dispositivo.
Las estaciones de sondeo de obleas con convertidores de frecuencia integrados permiten realizar mediciones en las frecuencias de los terahercios
Si se comparan los requisitos de la tecnología 6G en términos de rendimiento radioeléctrico con respecto a todas las limitaciones que se derivan de la utilización de frecuencias más altas para la propagación de señales, es más conveniente un mayor rendimiento en términos de potencia y eficiencia tanto de los circuitos de ondas milimétricas como de terahercios. El rendimiento de los transistores como de otros dispositivos activos limitan el rendimiento de estos circuitos de RF. Debido a las limitaciones físicas de los transistores en estas frecuencias, la potencia de salida máxima disponible se degrada de manera drástica. Por este motivo, es esencial entender a la perfección el comportamiento de RF de componentes semiconductores en aplicaciones de frecuencias más altas. Es cada vez más importante en las aplicaciones de conducción, crear modelos precisos de los nuevos dispositivos semiconductores en diferentes condiciones de funcionamiento, así como en una amplia gama de frecuencias.
Cuando se requiere del rango dinámico más amplio posible de caracterización de dispositivos que usan la tecnología de ondas milimétricas, los sistemas de medición a nivel de oblea con pruebas de características de RF por medio de un analizador de redes vectoriales que ofrece nuestro socio comercial MPI Corporation son la primera opción. Añadir «load-pull» completa la caracterización de nuevos componentes semiconductores.
Intervalo de sintonización de impedancia
La figura muestra el intervalo de sintonización de impedancia del sintonizador de banda D WR06 de Focus a 170 GHz en el plano de referencia del sintonizador. Muestra que se puede alcanzar muy fácilmente una ROE de 16:1 en el plano de referencia del sintonizador. La respuesta ROE de este sintonizador es muy plana en toda la banda.
(©Focus Microwaves)
Tanto los nuevos estándares como tecnologías de comunicación utilizan gamas de frecuencias cada vez más altas a fin de encontrar espectros abiertos disponibles en el dominio de la RF. Se prevé que las subsiguientes generaciones de sensores radar o los futuros sistemas inalámbricos, como la tecnología 6G superen los 100 GHz, el cual también se denomina rango por debajo de los terahercios. Debido a que estas bandas son nuevas para aplicaciones comerciales, es necesario desarrollar nuevas tecnologías de semiconductores para optimizar su rentabilidad y su producción en masa. Se están optimizando las tecnologías de semiconductores ya implementadas, como también investigando tecnologías completamente nuevas para diferentes tipos de aplicaciones en las gamas de alta frecuencia. Hoy en día, contamos con tecnologías de semiconductores que pueden acceder a estas gamas de frecuencias, pero tanto su costo como disponibilidad en masa continúan siendo un problema que se necesita resolver.
Investigadores e ingenieros están investigando el potencial de RF de las tecnologías de semiconductores en la región por debajo de los terahercios. Para este fin, hoy en día se cuenta con métodos probados y estables. Estos métodos están llevándose a cabo directamente a nivel de oblea, mediante la utilización de sistemas sondeadores de obleas. Para la caracterización de componentes se utilizan ampliamente los parámetros-S. Para una completa caracterización de componentes activos, debe controlarse y ajustarse la impedancia que se aplica al dispositivo mediante métodos de «load-pull».
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