4.2: Medición de Parámetros de Dispersión

\(S\)los parámetros se miden usando un analizador de red llamado analizador automático de redes (ANA), o más comúnmente un analizador de red vectorial (VNA).

4.2.1 Analizador de redes vectoriales

El VNA se basa en separar las ondas de voltaje que viajan hacia adelante y hacia atrás usando un acoplador direccional. Las ondas viajeras separadas son entonces los voltajes totales en las líneas acopladas del acoplador direccional. Ellos son convertidos a tal vez\(100\text{ kHz}\) y luego muestreados por un convertidor analógico-digital [1]. Los esquemas de los VNA modernos se muestran en las figuras\(\PageIndex{1}\)\(\PageIndex{2}\) y comprenden

1. Un sintetizador de frecuencia para la generación estable de una onda sinusoidal.
2. Una pantalla que traza los\(S\) parámetros en varias formas, siendo el gráfico de Smith el más utilizado.
3. Un conjunto\(S\) de prueba de parámetros. Este dispositivo generalmente tiene dos puertos de medición para que cuando sea necesario\(S_{11},\: S_{12},\: S_{21},\) y todos\(S_{22}\) puedan determinarse bajo control del programa. Los componentes principales son interruptores y acopladores direccionales. Los acopladores direccionales separan los componentes de onda que viajan hacia adelante y hacia atrás. Los analizadores de red con más de dos puertos (los analizadores de red de cuatro puertos son populares) tienen más conmutadores y acopladores direccionales. Los mezcladores mapean la amplitud y fase de la señal de RF al IF, comúnmente alrededor\(100\text{ kHz}\), que es muestreado por el ADC.
4. Un controlador de computadora utilizado para corregir errores y convertir los resultados a la forma deseada.

Para mediciones de RF de hasta unas pocas decenas de gigahercios, la mayoría de estas funciones se incorporan en un solo instrumento. A frecuencias más altas y con equipos más antiguos se utilizan múltiples unidades. Un esquema de tal sistema se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\) (a) y una fotografía en la Figura\(\PageIndex{3}\) (c). En primer plano de la Figura\(\PageIndex{3}\) (c) se encuentra una estación de sonda que tiene una etapa para una placa de circuito IC o RF y monturas para microposicionadores a los que se unen las microsondas. El objeto vertical en forma de tubo es una cámara montada en un microscopio.

Las sondas están montadas sobre micromanipuladores como los que se muestran en la Figura\(\PageIndex{4}\). Estos proporcionan un posicionamiento de precisión con\(x-y-z\) movimiento y una rotación del eje para acomodar el sondeo en sustratos que no son completamente planos.

Figura\(\PageIndex{1}\): Sistema analizador de redes vectoriales basado en conmutadores con dos receptores. Los acopladores direccionales acoplan selectivamente ondas que viajan hacia adelante o hacia atrás. Con el acoplador direccional (ver recuadramiento), una onda viajera insertada en Port\(\mathsf{2}\) aparece solo en Port\(\mathsf{1}\). Una onda viajera insertada en Port\(\mathsf{1}\) aparece en Port\(\mathsf{2}\) y una versión acoplada en Port\(\mathsf{3}\). Una ola viajera insertada en Puerto\(\mathsf{3}\) aparece solo en Puerto\(\mathsf{1}\). Las posiciones de los interruptores determinan qué\(S\) parámetro se mide.

Figura\(\PageIndex{2}\): Sistema analizador de redes vectoriales con cuatro receptores.

Figura\(\PageIndex{3}\): sistema de medición de\(S\) parámetros: (a) mostrado en una configuración para realizar pruebas en chip; (b) detalles de sondas coplanares con una configuración GSG y pads de contacto; y (c) un analizador de red vectorial en el fondo con estación de sonda incluyendo cámara.

Figura\(\PageIndex{4}\): Microposicionadores utilizados con sondas coplanares. Usado con permiso de J MicroTechnology, Inc.

Los elementos de sondeo requeridos para las mediciones en oblea se muestran en la Figura\(\PageIndex{5}\). La Figura\(\PageIndex{5}\) (a) muestra una única sonda de RF que es esencialmente una línea coaxial extendida. La Figura\(\PageIndex{5}\) (c) muestra una microsonda haciendo una conexión a una línea de transmisión en un CI y la imagen inferior de la Figura\(\PageIndex{5}\) (b) muestra mayor detalle del área de contacto.

Una microsonda típica se basa en un cable micro coaxial con el conductor central (que lleva la señal) extendido aproximadamente un milímetro para formar un contacto similar a una aguja. Otros dos contactos en forma de aguja se hacen uniendo extensiones cortas al conductor externo de la línea coaxial a cada lado de la conexión de señal (vea la imagen superior en la Figura\(\PageIndex{5}\) (b)). Tales sondas se llaman

Figura\(\PageIndex{5}\): Sondas de RF: (a) sonda de RF única; (b) detalle de una sonda GSG y contacto con un CI; (c) un CI bajo prueba; (d) disposición de un sustrato de calibración utilizado con sondas GSG; (e) sondas que ponen en contacto una estructura CPW pasante sobre el sustrato de calibración; y (f) una tarjeta de sonda con 2 sondas de RF (parte superior y inferior) y sondas de\(13\) aguja para conexiones de CC y baja frecuencia. (a), (b) top, (d), (e), (f) Copyright GGB Industries Inc., utilizado con permiso [2].)

Figura\(\PageIndex{6}\): Uso de un adaptador CPW a microbanda que permite usar sondas coplanares en la caracterización de un dispositivo que no es CPW. Los adaptadores proporcionan una transición de CPW a microbanda de baja pérdida de inserción. Usado con permiso de J MicroTechnology, Inc.

sondas de señal de tierra y tierra (GSG) y transición de un cable coaxial a una línea CPW en oblea, proporcionando una transición suave de los campos EM de los de una línea coaxial a los de la línea CPW. Las almohadillas en oblea pueden ser tan pequeñas como\(50\:\mu\text{m}\) en un lado.

La medición con sondas CPW y manipuladores permite realizar mediciones repetibles desde CC hasta arriba\(100\text{ GHz}\). Dichas mediciones requieren repetibilidad de conexiones de sonda que son mejores que\(1\:\mu\text{m}\). Cuando el DUT tiene conexiones de microcinta, es necesario utilizar un adaptador CPW a Microstrip, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{6}\). El diseño de un adaptador adecuado se muestra en la Figura\(\PageIndex{6}\) (a). En la Figura\(\PageIndex{6}\) (c y d) se muestran dos adaptadores en uso en la caracterización de un transistor de microondas. Las sondas GSG contactan con los adaptadores y las tierras están conectadas a la metalización posterior por vías. La calibración utiliza los sustratos de calibración de líneas de transmisión de microcinta mostrados en la Figura\(\PageIndex{6}\) (b).