Questo articolo descrive l'utilizzo di un substrato di calibrazione Through [anche denominato Thru] Reflect Line (TRL) on-wafer per applicazioni ad ampia larghezza di banda.
L'analizzatore di reti vettoriale (VNA) VectorStar ME7838G di Anritsu, con la sua tecnologia Shockline, è il punto di riferimento nelle applicazioni a banda larga e viene utilizzato come esempio. Inoltre, vengono presentati i confini del substrato di calibrazione TRL multilinea standard (calsubstrate) insieme a scenari che non possono essere risolti attraverso l'uso di TRL.
Fig. 1 - Sistema ME7838G composto da un VNA VectorStar MS4640B (sullo sfondo) e due moduli di estensione MA25400A con sonde a banda larga (in primo piano) montati su una stazione per sonde
Per chiunque possieda un sistema Vectorstar a banda larga, questa discussione è incentrata sull’esigenza di eseguire misure on-wafer opportunamente calibrate per garantire risultati coerenti, ripetibili e affidabili.
Dopo aver scelto il sistema Vectorstar Broadband, preparato la stazione per le sonde e impostato correttamente tutti i parametri, possiamo procedere al passaggio successivo, la misurazione, a partire dalla calibrazione. La domanda a cui rispondere qui è se sia preferibile acquistare un substrato per calibrazione on-wafer pronto, o progettarne uno.
Un calsubstrate è un “calibration kit” definito come combinazione di diversi standard come Open, Short, Load o Match, Through e Line. I vantaggi dell'acquisto includono l’avere meno problemi dovuto al calsubstrate pronto all'uso oltre alla disponibilità di calsubstrates Short Open Load Through (SOLT) o TRL molto accurati. Una calibrazione TRL è una calibrazione a più di 2 porte che consiste di tre standard, Through (T), Reflect (R) e Line (L). Un substrato di calsubstrato TRL con tre Line è mostrato in Fig 2.
Fig. 2 - Esempio di Calsubstrate TRL a tre Line
Ha alcune varianti come Through Reflect Match (TRM), Line Reflect Line (LRL), Line Reflect Match (LRM), per cui Reflect può essere Open o Short (con conseguente sfasamento di 180 gradi tra entrambi), ma i principi alla base sono gli stessi.
L'uso principale del sistema TRL è per ambienti non coassiali come le misurazioni on-wafer e test fixturing. Il metodo SOLT fornisce intrinsecamente una calibrazione a banda larga, essenzialmente dalla continua al limite di frequenza superiore del tipo di connettore utilizzato. La calibrazione TRL è stata sviluppata per effettuare misure accurate di dispositivi non coassiali a frequenze di microonde e onde millimetriche.
Sebbene l'acquisto di un kit calsubstrate on-wafer sia l'opzione più semplice, ci sono alcuni casi in cui sono richiesti o preferibili dei progetti personalizzati. Ad esempio, quando si progettano circuiti a microonde e ad alta frequenza, i calsubstrate personalizzati on-wafer possono essere adattati a requisiti specifici come precisioni molto elevate, implementando nuove tecniche di misurazione o adattando il progetto a specifiche configurazioni o scenari di test automatizzati, che coinvolgono wafer condivisi o multiprogetto. Il design personalizzato si presta anche all'ottimizzazione dello spazio del chip attraverso un'implementazione più efficiente specifica per il wafer e il processo utilizzato.
Inoltre, il calsubstrate auto-progettato può essere sullo stesso wafer dei circuiti da misurare, implementato come Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC) o meglio noto come Monolithic Microwave Integrated Calsubstrate (MMICalsubstrate).
La progettazione di un calsubstrate SOLT a volte crea problemi perché Load e vias non sono accurati su alcuni wafer. Pertanto, TRL è il metodo più comunemente scelto per i calsubstrate auto-progettati. Poiché una linea dipende dalla lunghezza d'onda, questo introduce un limite di larghezza di banda per i substrati TRL.
Qui di seguito mostreremo come il calsubstrate TRL possa essere utilizzato per applicazioni a banda larga, in particolare su una parte dell'intervallo di misura da 70 kHz a 220 GHz del VNA del ME7838G Anritsu, e su come specificare le dimensioni di un calsubstrate TRL su un wafer, in particolare per le misure a banda larga o se è necessario progettare un calsubstrate per la misurazione di una frequenza diversa su un wafer condiviso.
Fig. 3 - Due sonde broadband a 220 GHz su wafer montato su un modulo di estensione dorato MA25400A all’interno del sistema ME7838G
C'è sempre uno spazio ristretto tra due sonde (Fig. 3) per misurare uno standard Through e quindi c'è una Line con lunghezza scelta arbitrariamente. La metà di questa linea è la lunghezza Through. Gli standard Line e Through stabiliscono l'impedenza di riferimento per la misurazione al termine della calibrazione.
La lunghezza di una Line è definita come la lunghezza aggiuntiva della Line fino a Through. La lunghezza della Line non deve essere inferiore alla lunghezza di fase di 20° alla frequenza più bassa della banda misurata e non superiore alla lunghezza di fase di 160° alla frequenza più alta della banda (nota come regola 20°/160°) per garantire una calibrazione certa.
La lunghezza viene spesso scelta per essere nel mezzo dell'intervallo tra 20° e 160°, che è di 90° (un quarto della lunghezza d’onda = λ/4) alla frequenza media di una data banda di frequenza. La larghezza di banda di questa banda scelta deve essere l'intervallo che rispetta la regola 20°/160°. Di conseguenza, nelle applicazioni ad ampia larghezza di banda, l'intera banda da misurare e quindi da calibrare deve essere suddivisa in diverse bande, in modo che le diverse bande rispettino ciascuna la regola dei 20°/160°.
La lunghezza della Line esatta dipenderà dal range di frequenza specifica; dal tipo di linea, ad esempio microstrip o microstrip coplanare, dalle dimensioni e proprietà del substrato e della richiesta [A, B].
In primo luogo, calcoliamo il numero di Line richieste (NLines) di un calsubstrate TRL per un determinato rapporto di larghezza di banda desiderato (BRwanted) . In questo caso, è molto più conveniente pensare alla copertura della frequenza in termini di rapporto tra la frequenza superiore e quella inferiore. Quindi da 20° a 160° c’è una larghezza di banda 8:1, quindi uno standard di linea di 20° a 1 GHz funzionerà a 8 GHz [A;B]. Questo ci dà:
BRcovered = 8NLines
Il rapporto di larghezza di banda coperta BRcovered deve essere maggiore del rapporto di larghezza di banda desiderata BRwanted in modo che il risultato debba essere arrotondato per eccesso.
NLines = [log8(BRwanted)]
Come faccio a progettare un calsubstrate TRL in generale e come esempio applicato al nostro sistema da 70 kHz a 220 GHz (con un intervallo di unicità che funziona per tutti i sistemi)?
Innanzitutto deve essere calcolato il numero di Line necessarie per la banda di frequenza da 70 kHz a 220 GHz. Dalle equazioni di cui sopra otteniamo:
Sono necessari otto standard di tipo Line! Tuttavia, come molti progettisti potrebbero notare, otto Line si tradurranno in Line estremamente lunghe in relazione al limite di frequenza superiore. La Line più lunga sarebbe lunga metri per uno standard. Questo non è realizzabile su substrati a film sottile o chip di silicio.
Di conseguenza, è necessario trovare un sano compromesso. Un modo per mantenere la frequenza massima è cambiare la frequenza iniziale. Pertanto, potremmo considerare la gamma di frequenza da 1 GHz a 220 GHz, che dovrebbe essere sufficiente per la maggior parte delle applicazioni. In questo caso, sono necessarie solo 3 Line.
Come prima cosa è necessario calcolare i punti di incrocio e con questo vengono calcolate le lunghezze delle line del quarto d'onda al centro tra i punti di crossover.
I due punti di crossover Fτn sono calcolati come di seguito [B]:
Fstart = 1 * 109 Hz è la frequenza di inizio; Fend = 220 * 109 è la frequenza di arresto;
n = 1 o 2 è l'indice del punto di crossover e N = 3 è il numero di Line necessarie.
Fτ1 = 6.037 GHz e Fτ2= 36.44 GHz
Le lunghezze di Line sono ora calcolate per 90° (quarto di lunghezza d'onda) al centro tra ciascun punto di crossover (inclusi il punto iniziale e finale). Questi punti centrali sono:
Ora abbiamo bisogno delle lunghezze di Line da 90° a FC1, FC2, FC3
Uno scenario reale è meglio delle sole onde e linee aeree. Pertanto, usiamo come esempio i parametri e le dimensioni del film sottile descritti in [C], che sono per un substrato di poliammide con le seguenti proprietà rilevanti: spessore = 18,5 μm; εr= 3,5; tanδ= 0,0027.
Le lunghezze della line a microstrip da 90°, ottenute con il calcolatore da [D] con Z0 = 50 Ω e ampiezza W ≈ 46,6 µm sono L1 = 13,71 mm; L2 = 2,27 mm; L3 = 0,376 mm (come mostrato in Fig. 2).
Il primo risultato che ricaviamo da questo articolo è l'ampia larghezza di banda in questo caso d'uso e che il VNA Anritsu con il suo intervallo di misurazione da 70 kHz a 220 GHz è eccezionale.
Il secondo è che una normale calibrazione TRL con più Line non è fattibile per questa gamma di frequenza, mentre da 1 GHz a 220 GHz può essere coperta da una calibrazione TRL a tre Line.
Infine, è potenzialmente meglio acquistare un substrato commerciale per l'intera gamma di frequenze invece di un substrato di calsubstrate TRL su wafer.
Un esempio di come utilizzare un substrato per ottenere una calibrazione da 70 kHz a 220 GHz è una combinazione di TRL con SOLT come presentato in [E]. Inoltre, in questo articolo [E] viene presentato un altro metodo di calibrazione della banda larga in combinazione con la funzione Distance To Fault (DTF) del VNA. È stata eseguita una calibrazione combinata coassiale e della guida d'onda e le sonde sono state integrate con la funzione DTF.
*Georg Sterzl, riveste il ruolo in Anritsu di RF & µW Field Application engineer in Test and Measurement
[A] Müller, D., 2018. RF Probe-Induced On-Wafer Measurement Errors in the Millimeter-Wave Frequency Range (Vol. 89). KIT Scientific Publishing.
[B] Microwaves101, ‘TRL calibration,’ [Online]. Available: https://www.microwaves101.com/encyclopedias/trl-calibration. [Accessed: Feb. 29, 2024].
[C] Sterzl, G., Dey, U. and Hesselbarth, J., 2021. Subnanoliter sensing of dielectric properties of liquid-in-flow at 190 GHz. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 31(6), pp.808-811.
[D] em: talk, ‘Electromagnetics and Microwave Engineering,’ [Online]. Available: https://www.emtalk.com. [Accessed: Feb. 29, 2024]
[E] Rumiantsev, A., Martens, J. and Reyes, S., 2020, August. Calibration, Repeatability and Related Characteristics of On-wafer, Broadband 70 kHz–220 GHz Single-Sweep Measurements. In 2020 95th ARFTG Microwave Measurement Conference (ARFTG) (pp. 1-4). IEEE.
