Guardando oltre il limite dei 120GHz

Per sviluppare nuovi componenti e sottosistemi nel mercato delle più alte frequenze mmWave, è essenziale creare modelli il più accurati possibile. Un fattore chiave nella qualità del un modello di un dispositivo è l’accuratezza dei Parametri-S a banda larga. I VNA a banda larga sono attualmente limitati a 120 GHz, taglio di frequenza non sufficiente per molte delle nuove e future tecnologie. In questo articolo viene pesentato un nuovo VNA a banda larga fino a 220 GHz, mostrando come questo semplifichi e migliori le misure di Parametri-S “on-wafer”.

Il lettore apprenderà come superare l’attuale problema dell’integrità dei dati broadband e cosa sia necessario per ottenere misure stabili e ripetibili fino a 220 GHz.

Velocità e throughput dei dati sono indicatori chiave delle prestazioni per ogni moderno sistema di comunicazione e anche con schemi di modulazione moderni ed efficienti, saranno necessarie ampie larghezze di banda di frequenza. Tuttavia, si tratta di risorse limitate e costose e le fasce di frequenza fino a 40 GHz sono già sovraffollate da servizi wireless. Spostarsi su frequenze più alte come la banda D (da 110 GHz a 170 GHz) è una via d’uscita da questo dilemma, ma a queste alte frequenze, la progettazione di semiconduttori e circuiti diventa più di una semplice sfida. Sono finiti i tempi in cui un progettista iniziava il proprio lavoro armato solo di alcuni calcoli, un pezzo di carta e un saldatore. Al contrario, lo sviluppo dei circuiti odierno si basa sull’uso di software di simulazione.  Sebbene questo consenta di fare un lavoro eccellente, anche a frequenze oltre i 100 GHz, i progettisti hanno bisogno di modelli esatti dei dispositivi attivi e passivi utilizzati nella progettazione. La mancanza di questi modelli causa iterazioni inutili e costose durante il processo di progettazione.

Per ottenere buoni risultati di simulazione del circuito, è essenziale utilizzare modelli a banda larga su un’ampia gamma di frequenze, anche se il dispositivo finale verrà utilizzato solo con una larghezza di banda ridotta. È importante eseguire la simulazione a un intervallo molto più ampio, in particolare per valutare la stabilità di un progetto. Inoltre, anche le emissioni fuori banda, comprese le armoniche, devono essere testate per motivi normativi. L’approccio convenzionale sarebbe quello di concatenare i risultati della misurazione da diversi strumenti per banda e combinare i dati ottenuti. Uno svantaggio di questo approccio è che introduce problemi come incertezze di diversa natura, drift e step di calibrazione per ciascuna delle misure in banda. Inoltre, l’utilizzo di diversi sistemi di misura richiede molto più tempo rispetto all’utilizzo di un unico strumento per tutte le misure.

Per soddisfare questi requisiti, Anritsu ha sviluppato il ME7838G, un VNA a banda larga fino a 220 GHz. In qualità di leader tecnologico nei VNA a banda larga, Anritsu può fornire un concept scalabile per i test ad alta frequenza, fino a diverse centinaia di GHz.

Questo processo è iniziato con la presentazione di un VNA a banda larga a 110 GHz 10 anni fa, seguito dall’introduzione di un sistema a 145 GHz. Ora il successivo ostacolo è stato superato: 220 GHz in una singola scansione VNA. Basata sulla tecnologia NLTL (Non Linear Transmission Line), la capacità di 220 GHz esisteva già presso il centro di ricerca di Anritsu, e la sfida più grande era quella di sviluppare una connettività adeguata tra il VNA e il DUT (device under test). Un’opzione sarebbe stata quella di sviluppare un’interfaccia coassiale completamente nuova, come un connettore da 0,5 mm. Tuttavia, la standardizzazione di un nuovo connettore è sempre un’attività molto costosa e dispendiosa in termini di tempo e, poiché nessun dispositivo reale utilizzerà mai a quelle frequenze un connettore coassiale come interfaccia per altri componenti, questa opzione ha quindi poco senso.

È necessaria un’interfaccia a banda larga tra il VNA e la sonda su wafer, poiché il VNA a 220 GHz verrà utilizzato solo per la caratterizzazione di dispositivi su wafer. Per soddisfare il requisito di una risposta a banda larga, è possibile utilizzare solo un connettore coassiale. Tuttavia, poiché questo connettore verrà utilizzato solo come interfaccia tra il VNA e la sonda, un design tradizionale di connettore coassiale maschio femmina con dadi filettati di accoppiamento non è essenziale. La connessione deve essere robusta, facile da fabbricare e ripetibile.  La combinazione di un’interfaccia coassiale con la robustezza e la stabilità meccanica di una flangia a guida d’onda è la soluzione ideale per questa sfida. Un’interfaccia a connettore coassiale flangiato è stata quindi sviluppata da Anritsu in collaborazione con MPI (www.mpi-cooperation.com) per facilitare il test a scansione continua da 70 kHz a 226 GHz utilizzando il sistema VNA ME7838G.

Il Cuore del Sistema VNA ME7838G 220 GHz

Figura1. Il modulo MA25400A NLTL a 220 GHz con una sonda MPI TITAN.

La tecnologia NLTL consente di ottenere un’eccellente efficienza di conversione combinata con un basso rumore di fondo, offrendo un sistema con un range dinamico ottimale alle frequenze mmWave. Si inserisce in un piccolo package altamente integrato ad elevata stabilità e performance. All’interno del modulo, le sorgenti in banda sono accoppiate alla linea di trasmissione principale tramite accoppiatori di substrato. I sampler di armoniche NLTL convertono i segnali di test e di riferimento in una frequenza intermedia, da 30 GHz a 226 GHz, e si trovano il più vicino possibile alla porta DUT. Un controllo elettronico ALC fornisce fino a 50 dB di controllo del livello di potenza. Questo ALC è importante per le misure su transistor isolati e LNA, che in genere richiedono livelli di pilotaggio molto bassi.

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