Vektor-Netzwerkanalysatoren Genauere Messergebnisse bei Breitband- und Millimeterwellen

Autor / Redakteur: Paul Holes * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Eine bessere Genauigkeit bei Breitband-/Millimeterwellen: Anritsu bietet verbesserte Module für die VNA-Technologie. Dank der kleineren Module ergeben sich viele Vorteile.

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Bild 1: Der VectorStar ME7838A VNA von Anritsu ist mit miniaturisierten Reflektometermodulen ausgestattet. Damit lassen sich bei Breitband- und Millimeterwellen genauere Messergebnisse erzielen.
Bild 1: Der VectorStar ME7838A VNA von Anritsu ist mit miniaturisierten Reflektometermodulen ausgestattet. Damit lassen sich bei Breitband- und Millimeterwellen genauere Messergebnisse erzielen.
(Anritsu)

Es gab Zeiten, da galten Messungen im Bereich der Millimeterwellen als unnötiger Luxus. Denn dafür waren Vektor-Netzwerkanalysatoren (VNA) und sperrige, teure Millimeterwellen-Frequenzerweiterungsmodule erforderlich, die zu groß waren, um sie an Wafer-Messadaptern zu montieren, und zu unhandlich, um sie in kleine, abgesetzte oder unzugängliche Messaufbauten einzubringen.

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Vorteile der Mikrowellen-VNA-Architektur

Mit dem VectorStar hat Anritsu eine breitbandige Mikrowellen-VNA-Architektur eingeführt, die einen erheblich kleineren Hybrid-Footprint als bei herkömmlichen VNA aufweist. Sie bietet zudem einen breitbandigeren Koppler in der Nähe des Prüf-Ports und weniger HF-Kabel. Temperaturabhängige Phasenverschiebungen auf der Systemebene wurden reduziert. Die resultierende Verbesserung bei der Stabilität, der Übertragung und Reflexion über Zeit und Temperatur bedeutet, dass weniger oft nachkalibriert werden muss.

Zugleich verbessert sich die Messgenauigkeit, da das Messmodul näher beim Messobjekt angeordnet werden kann. Diese Kombination aus höherer Genauigkeit und Produktivität ist für Messtechniker von großem Vorteil.

Ein völlig neuer Ansatz von Anritsu bei der VNA-Technologie hat 2011 die Einführung des VectorStar ME7838A ermöglicht. Die Breitband-VNA-Technik arbeitet mit einem Millimeterwellenmodul, das nur etwa ein Fünfzigstel des Volumens der Module aufweist, mit denen andere VNA ausgestattet sind. Dank der miniaturisierten Frequenzerweiterungsmodule können beispielsweise Wafer-Messadapter direkt angeschossen werden, Messungen bei hoher Anschlussdichte erfolgen, Leistungsausgleich an den Testports, eine verbesserte Raw-Direktivität und eine geringere Komplexität der Messaufbauten im Vergleich zu bisherigen Lösungen.

Die Vorteile einer VNA-Architektur

Was ist das Besondere an der VNA-Architektur, die derart enorme Leistungssteigerungen ermöglicht? Zuerst einmal sind es die kleineren Abmessungen des Millimeterwellenmoduls, das dadurch eine sehr viel geringere thermische Masse hat. Eine kleinere, gleichförmigere Masse verringert thermisch bedingte Phasenverschiebungen im System und verbessert die Immunität der Messeinrichtung gegenüber großen Temperaturänderungen in der Umgebung. Temperaturbedingte Phasenverschiebungen im System werden reduziert, was mit einer besseren Übertragungs- und Reflexionsstabilität über die Zeit und die Temperatur gleichgesetzt werden kann.

Die Millimeterwellenmodule wiegen ungefähr 270 g. Im Vergleich dazu kommen herkömmliche Module auf ein Gewicht von bis zu 3,5 kg. Als Ergebnis können die Prüfingenieure mit den VNA der Serie ME7838A Messungen der S-Parameter direkt am Wafer vornehmen. Zum ersten Mal können Frequenzerweiterungsmodule direkt an einem Wafer-Messadapter montiert werden. Dies erlaubt eine einfachere Prüfung mit höherer Genauigkeit – das geringe Gewicht der 3743A Frequenzerweiterungsmodule des ME7838A führt zu einer verbesserten Positioniergenauigkeit.

Außerdem werden keine langen Anschlusskabel oder Wellenleiter benötigt, um die Verbindungen zwischen den Wafer-Messadaptern einer Messstation und den Frequenzerweiterungsmodulen eines VNA herzustellen. Dazu entfällt die mühsame Kalibrierung, um den Einfluss dieser zusätzlichen Kabel- und Wellenleiter auf Amplitude und Phase bei der Messung von S-Parametern zu kompensieren.

Und schließlich bieten die Vektor-Signalanalysatoren eine weiterentwickelte Technik zur Leistungskontrolle, bei der die Signalverarbeitung sowohl im VNA-Mainframe als auch in den Millimeterwellenmodulen erfolgt. Der gewählte Ansatz benötigt weniger Zeit und ist genauer als das bisherige Verfahren zur Einstellung der Leistung bei Millimeterwellenfrequenzen über elektronisch gesteuerte mechanische Abschwächer und Korrekturfaktoren für die Linearität der Leistung. Dieser Umfang an Leistungssteuerung führt dazu, dass Kalibrierung und Messung sehr stabil sind und die Amplitudenabweichungen unter 0,1 dB in einem Zeitraum von 24 Stunden liegen.

Verbesserte Stabilität durch geringere thermische Drift

Wie bereits erwähnt, verringert eine gleichmäßige Masse die thermisch bedingten Phasenverschiebungen im System. Das Diagramm zeigt die geringe thermische Drift durch die Miniaturmodule. Das Bild 3 zeigt, dass die integrierte thermische Struktur des 3743A-Moduls eine höhere Beständigkeit bei großen Änderungen der Umgebungstemperatur – in diesem Fall beträgt die Änderung 40 °C – mit sich bringt. Das Gerät arbeitet am oberen Ende seines Frequenzbereichs. Bei einem herkömmlichen VNA würde die Phasenverschiebung bei dieser Temperaturänderung üblicherweise bei ungefähr 30 °C liegen, im Vergleich zu weniger als 10 °C beim ME7838A.

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Im Bild 4 ist eine Reflexionsmessung über 24 Stunden dargestellt. Sie unterstreicht die Stabilität der Terme zur Anpassung der Quelle und zur Verfolgung der Reflexion. Die Stabilität ist etwa dreimal besser als bei herkömmlichen VNA. Die Ergebnisse der Messung an einer Übertragungsstrecke mit geringen Verlusten zeigt das Bild 5. Sie zeigt die Stabilität der Lastanpassung und der Verfolgung der Übertragung. Die Stabilität dieser Messungen ist ebenfalls etwa dreimal besser als bei herkömmlichen VNA. Auch wenn sie nur bei einigen Bauteiletypen relevant ist, ist auch die Stabilität der Port-Leistung in Abhängigkeit von der Temperatur ein wichtiger Parameter. Bild 8 zeigt die geringen Schwankungen des ME7838A VectorStar über einen Temperaturbereich von 90 °C.

Die Auswirkungen auf die Messungen

Mit der neuen Architektur des VectorStar VNA bietet Anritsu eine geringere thermische Drift, einen kürzeren Abstand zwischen dem Modul und dem Messobjekt sowie geringere Verzerrungen in der Verbindung zwischen Modul und Analyser. Dies hat für die Prüfingenieure zwei wichtige Auswirkungen: Es ermöglicht eine höhere Produktivität und liefert genauere Messungen.

Die Produktivität verbessert sich wegen der Stabilität des Geräts. Der Autor hat einen Messaufbau gesehen, mit dem ein Kunde einen kontinuierlichen Messablauf innerhalb von 48 Stunden ohne eine einzige Neukalibrierung ausgeführt hat. Mit einem VNA einer früheren Generation musste der Kunde für dieselben Messungen sechs Neukalibrierungen vornehmen. Bei einem Messaufbau unter beengten Platzverhältnissen ist der Zeitaufwand zum Abklemmen und erneuten Anschließen der Kabel erheblich. Mit dem älteren VNA wären für den Messablauf, für den der VectorStar 48 Stunden benötigt hat, zwei Wochen erforderlich gewesen.

Ein thermisch stabiler VNA und die Produktivität

Die Produktivität der Messungen nimmt daher beim Einsatz eines thermisch stabilen VNA stark zu. Dies führt bei der Entwicklung neuer Produkte zu entsprechenden Verkürzungen der Zeit bis zur Markteinführung. Die Genauigkeit ist höher, weil das miniaturisierte Messmodul des VectorStar näher an das Messobjekt herangebracht werden kann, als die viel größeren Module herkömmlicher VNA. Die integrierten Signalverarbeitungsmöglichkeiten des Moduls haben denselben Effekt: dadurch, dass die Kabel zwischen Modul und Analyser als Quelle von Verzerrungen wegfallen, muss der Messingenieur keine Kompromisse zwischen der Kabellänge und der Nähe zum Messobjekt mehr eingehen.

* Paul Holes ist Field Application Engineer bei Anritsu in Großbritannien.

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