Mirando más allá del límite de los 120 GHz

Por Christian Sattler, Anritsu

El modelado preciso de los dispositivos, es esencial para el desarrollo de nuevos componentes y subsistemas para el mercado de frecuencias de ondas milimétricas más altas. Un factor clave en la calidad de un modelado es la precisión de los parámetros S de banda ancha. En la actualidad, los VNA (analizadores vectoriales de redes) de banda ancha necesarios están limitados a 120 GHz, lo que no es suficiente para muchas tecnologías nuevas y futuras. En este artículo se presenta un nuevo VNA de banda ancha de 220 GHz y se muestra cómo simplifica y mejora las mediciones de parámetros S on-wafer. En este documento aprenderá a superar el problema actual de la integridad de los datos de banda ancha y lo que es necesario para lograr mediciones estables y repetibles hasta 220 GHz.

La velocidad y el rendimiento de los datos son indicadores clave de rendimiento para todo sistema de comunicación moderno e incluso con esquemas de modulación modernos y eficientes, esto requerirá grandes anchos de banda de frecuencia. Sin embargo, se trata de recursos limitados y caros, y las bandas hasta 40 GHz ya están superpoblados de servicios inalámbricos. Pasar a frecuencias más altas, como la banda D (de 110 GHz a 170 GHz), es una forma de salir de este dilema, pero a estas altas frecuencias, el diseño de semiconductores y circuitos se convierte en un reto mayor. Atrás quedaron los días en los que un ingeniero de diseño comenzaba su desarrollo armado únicamente con algunos cálculos, un trozo de papel y un soldador. Por el contrario, el desarrollo actual de circuitos se basa en el uso de software de simulación. Aunque éste puede hacer un excelente trabajo, incluso a frecuencias superiores a 100 GHz, los diseñadores necesitan modelos exactos de los dispositivos activos y pasivos utilizados en el diseño. La falta de estos modelos provoca iteraciones innecesarias y costosas durante el proceso de diseño.

Para lograr buenos resultados en la simulación de circuitos, es esencial utilizar modelos de banda ancha en un amplio rango de frecuencias, incluso si el dispositivo final sólo se utiliza en un ancho de banda estrecho. Es importante realizar la simulación en un rango mucho más amplio, sobre todo para evaluar la estabilidad de un diseño. Además, las emisiones fuera de banda, incluidos los armónicos, también deben probarse por motivos normativos. El enfoque convencional consistiría en concatenar los resultados de las mediciones de varios instrumentos de diferentes bandas y combinar los datos. Una desventaja de este enfoque es que introducirá problemas como diferentes incertidumbres, derivas y métodos de calibración para cada una de las mediciones de banda. Además, emplear diferentes sistemas de prueba y medida requiere mucho más tiempo que utilizar un único instrumento para todas las mediciones.

Para satisfacer estos requisitos, Anritsu ha desarrollado su ME7838G, un VNA de banda ancha de 220 GHz. Como líder tecnológico en VNAs de banda ancha, Anritsu puede ofrecer un concepto escalable para pruebas de alta frecuencia hasta varios cientos de GHz. Este proceso comenzó con la introducción de un VNA de banda ancha de 110 GHz hace 10 años, seguido de la introducción de un sistema de 145 GHz. Ahora se ha superado el siguiente obstáculo: 220 GHz en un VNA de barrido único. Basado en la tecnología NLTL (línea de transmisión no lineal), la capacidad de 220 GHz ya existía en el centro de investigación de Anritsu; el mayor reto era desarrollar una conectividad adecuada entre el VNA y el dispositivo bajo prueba (DUT). Una de las vías era desarrollar una interfaz coaxial completamente nueva, como un conector de 0,5 mm. La estandarización de un nuevo diseño de conector es siempre una tarea muy costosa y que requiere mucho tiempo y, dado que ningún dispositivo final a esas frecuencias utilizará nunca un conector coaxial como interfaz con otros componentes, esta opción tiene poco sentido.

Se necesita una interfaz de banda ancha entre el VNA y la sonda en la tarjeta , ya que el VNA de 220 GHz sólo se utilizará para la caracterización de dispositivos en tarjeta (on-wafer). Para cumplir con el requisito de una respuesta de banda ancha, sólo se puede utilizar un conector coaxial. Sin embargo, como este conector sólo se utilizará como interfaz entre el VNA y la sonda, no es esencial un diseño tradicional de conector coaxial macho-hembra con tuercas de acoplamiento roscadas. La conexión debe ser robusta, fácil de fabricar y repetible. La combinación de una interfaz coaxial con la robustez y estabilidad mecánica de una alineador de guía de ondas es la solución ideal para este reto. Por ello, Anritsu, en colaboración con MPI, ha desarrollado una interfaz de conector coaxial con alineador para facilitar las pruebas de frecuencia de barrido continuo de 70 kHz a 226 GHz con el sistema VNA ME7838G.

El corazón del sistema de VNA ME7838G de 220 GHz

La tecnología NLTL proporciona una excelente eficiencia de conversión y rendimiento de ruido de fondo para un óptimo rango dinámico del sistema en frecuencias de ondas milimétricas. Encaja en un paquete pequeño y estrechamente integrado para lograr estabilidad y rendimiento. En el interior del módulo, las bandas fuente se acoplan a la línea de transmisión principal a través de acopladores de sustrato. Los acopladores (samplers) de armónicos NLTL convierten las señales de prueba y de referencia en una frecuencia intermedia, de 30 GHz a 226 GHz, y están situados lo más cerca posible del puerto del DUT. Un control electrónico ALC proporciona hasta 50 dB de control del nivel de potencia. Este ALC es importante para las mediciones en transistores aislados y LNAs, que normalmente requieren niveles de accionamiento muy bajos.

Otro atributo importante es que la polarización de CC puede suministrarse como es habitual desde el conector trasero del módulo, eliminando la necesidad de una «T» de polarización de banda extremadamente ancha. La ruta principal de la señal del módulo está diseñada para tener una resistencia de CC muy baja, por lo que una «T» de polarización Kelvin que permita mediciones de CC de 4 puntos no introducirá errores apreciables

La interfaz RF

Las interfaces coaxiales roscadas tradicionales no pueden escalarse para proporcionar una frecuencia de modo TE11 por encima de 220 GHz. El escalado de los conectores coaxiales con tuerca de acoplamiento estándar no son prácticos para los conectores con un diámetro interior del conductor exterior inferior a 0,8 mm. Esto se debe a que la precisión de mecanizado requerida de los conductores centrales y los conductores exteriores simplemente no existe. Para operar a 220 GHz, se requiere una interfaz coaxial con un diámetro exterior de 0,6 mm, lo que exige enfoques alternativos para el diseño de la interfaz del conector. Además, la posibilidad de montar componentes de guía de ondas relativamente pesados (utilizados por encima de 110 GHz con fines de calibración y verificación) requiere una interfaz robusta que tenga un conductor exterior que no se flexione bajo carga con respecto al eje del conector.

Un alineador de interfaz de guía de ondas UG-387/UM proporciona la alineación para la conexión de pines coaxiales macho/hembra de 0,6 mm, eliminando así la necesidad de un conector roscado. Una ventaja adicional es la compatibilidad con una interfaz de guía de ondas estándar. Esto puede lograrse con una transición coaxial a guía de ondas en línea. Aunque las verdaderas aplicaciones de guía de ondas no son los casos de uso normales para un VNA de este tipo, la falta de equipos de calibración (como un medidor de potencia) sigue requiriendo una interfaz de este tipo para los procedimientos de verificación habituales por encima de 110 GHz.

Conectividad del dispositivo

Una sonda de RF proporciona el enlace entre la interfaz coaxial de un VNA y el DUT real colocado en una sonda on-wafer. Esta sonda necesita una respuesta de banda ancha con baja pérdida de inserción y buena pérdida de retorno hasta 220 GHz. Las sondas MPI TITAN™ están diseñadas para ser utilizadas con el sistema VNA Anritsu ME7838G. Incorporan puntas de contacto MEMS de 50 Ohm, se acoplan directamente a los módulos MA25400A y proporcionan una excelente repetibilidad y vida útil. La principal ventaja de este sistema es una interfaz de conexión directa entre la sonda y el VNA, lo que garantiza la mejor conductividad en bruto y la estabilidad de las mediciones. Además, MPI ofrece el sustrato de calibración necesario, admitiendo el uso de métodos de calibración modernos como LRRM, ALRM y MultiLine TRL.

Además de su gran número de métodos de calibración incorporados, el sistema Anritsu ME7838G también es compatible con QAlibria, el paquete de software de calibración de MPI. QAlibria simplifica todo el proceso de calibración en la oblea y garantiza la mayor precisión posible en las mediciones.

Rendimiento de las mediciones de banda ancha

Aunque el sistema ME7838G está totalmente especificado hasta 220 GHz, una imagen puede decir mucho más que los simples datos numéricos.

Otro aspecto clave para cualquier VNA es la deriva y el intervalo de re-calibración necesario. Los módulos NLTL estrechamente integrados ofrecen una excelente estabilidad en el tiempo. Esto también es importante, ya que el des-embebido, necesario para trasladar los planos de referencia desde las puntas de las sondas hasta el dispositivo, depende de la estabilidad.

Conclusión

Un sistema de VNA integrado de banda ancha de 220 GHz es un enfoque versátil y elegante para abordar los retos actuales de medición on-wafer. Un aspecto importante es la sonda de RF, que proporciona el enlace entre la interfaz coaxial de un VNA y el DUT real colocado en una sonda de medida on-wafer. La sonda de RF necesita una respuesta de banda ancha con una baja pérdida de inserción y una buena pérdida de retorno hasta 220 GHz. Las sondas MPI TITAN™ satisfacen estas necesidades y están diseñadas para ser utilizadas con el sistema VNA Anritsu ME7838G. Incorporan puntas de contacto MEMS de 50 Ohm, se acoplan directamente a los módulos MA25400A y proporcionan una excelente repetibilidad y vida útil. La principal ventaja en este caso es la conexión directa entre la sonda y el VNA, lo que garantiza la mejor conductividad en bruto y la estabilidad de las mediciones.

En general, un VNA de 220 GHz integrado, combinado con una sonda de RF con la respuesta adecuada, garantiza la integridad de la señal, proporciona resultados de medición precisos y acorta el proceso de diseño de los dispositivos de ondas milimétricas, incluso más allá de 120 GHz.