Die rasante Entwicklung der Massenfertigung von Komponenten erfordert, mehr Geräte in kürzerer Zeit zu testen, um die Testkosten zu minimieren. Ingenieure arbeiten kontinuierlich daran, die Testdauer durch die Automatisierung von Testsystemen zu verkürzen. Die Herausforderung, das Testvolumen von Komponenten zu steigern, wird zunehmend komplexer, da Geräte tendenziell immer mehr Anschlüsse und Funktionen aufweisen. Beispiele hierfür sind HF-Frontend-Module (FEMs), die den Mehrbandbetrieb in Smartphones ermöglichen, MIMO-Antennen (Multi-Input Multi-Output) und passive Verbindungsprodukte für digitale Hochgeschwindigkeitsanwendungen, wie z. B. HF-Kabel und Steckverbinder.

Um Mehrportgeräte zu unterstützen, wurden Vektornetzwerkanalysatoren (VNAs) von Zwei-Port- über Vier-Port- zu Mehrportgeräten weiterentwickelt. Ein Gerät, das für die Netzwerkanalyse mehr als vier Ports benötigt, gilt als Mehrportgerät. Da die Messparameter für Mehrportgeräte stetig zunehmen, suchen Hersteller mit hohem Produktionsvolumen nach Testlösungen, die Mehrportmessungen ermöglichen, um die Messproduktivität zu steigern und die Testkosten zu senken.

Technologische Fortschritte bei Multiport-Testlösungen:
Multiport-Testlösungen haben sich von einfachen Schaltprüfgeräten zu umfassenden, echten Multiport-Lösungen entwickelt, die schnellere und präzisere Multiport-Messungen ermöglichen. Vier Multiport-Testlösungen werden hier beschrieben. Die Wahl der Lösung hängt von den Leistungsanforderungen, den Produktivitätsvorgaben und dem Budget ab.

Testgeräte mit einem Schalter.
Abbildung 1-wEin Testgerät mit einem Schalter, auch als Einzelschalterbaum bezeichnet, verwendet Zwei-Port-Messungen für jeden Pfad vom gemeinsamen Port aus. Ein Zwei-Port-VNA mit einem gemeinsamen Port und einem Schaltport kann alle erforderlichen Messungen durchführen. Das Testgerät mit einem Schalter enthält ausschließlich HF-Schalter, die in einem Array angeordnet sind, um die benötigten Messpfade bereitzustellen. Abbildung 1 zeigt ein Zwei-Port-Testgerät mit einem Schalter. Jeder Port enthält einen 1x2-Schalter, der mit zwei 1x6-Schaltern verbunden ist, was insgesamt 24 Ports ergibt. Obwohl das Testgerät 24 Ports zur Verfügung hat, können von jedem der 12 Eingangsports nur 12 Pfade gemessen werden, da keine Messungen zwischen Ports an Port 1 des Testgeräts oder zwischen Ports an Port 2 möglich sind. Daher unterstützt dieses Testgerät nur 144 Pfade, obwohl ein Gerät mit 24 Ports 276 Pfade aufweist.
 
Die Messleistung hängt vom verwendeten Schaltertyp ab: Halbleiter- oder elektromechanische Schalter. Jeder Schaltertyp bietet Vorteile für unterschiedliche Testanforderungen. Halbleiterschalter bieten hohe Schaltgeschwindigkeiten und längere Lebensdauern für Anwendungen mit hohem Durchsatz und schnellen Testverfahren. Elektromechanische Schalter kommen in Anwendungen zum Einsatz, in denen die Geräte mehr als 1 W Leistung benötigen, was typischerweise die Leistungsgrenze von Halbleiterschaltern darstellt.

Abbildung 2Vollständige Crossbar-Switching-Testanlage:
Eine vollständige Crossbar-Switching-Testanlage ermöglicht Messungen von einem Port zu jedem anderen. Die in Abbildung 2 dargestellte vollständige Crossbar-Switching-Testanlage verwendet Gruppen von 1xN-Switch-Trees, die an jedem Port mit 1x2-Switches verbunden sind. Dadurch können Messungen auf jedem Pfad durchgeführt werden. Nicht verwendete Ports müssen terminiert werden. Dies kann intern durch den 1xN-Switch oder durch den 1x2-Switch mit einer Last erfolgen. Die Messgenauigkeit wird sowohl von den Switches als auch von der Last bzw. der Fehlanpassung jedes Pfades bestimmt.
 
Die vollständige Crossbar-Konfiguration, die einen VNA mit einer Switching-Matrix kombiniert, bietet eine kostengünstige Testmöglichkeit. Die Reaktion jedes Pfades wird jedoch durch die an jedem anderen Port anliegende Last beeinflusst. Um die ungenaue Anpassung an jedem Port zu korrigieren, ist eine vollständige NxN-Port-Kalibrierung erforderlich. Diese Kalibrierung ist bei dieser Art von Switching-Matrix schwierig durchzuführen, da sich der genaue Wert der Lastterminierung an einem Port in Abhängigkeit von der Switching-Konfiguration der anderen Ports ändert.

Die Kombination eines Vektornetzwerkanalysators (VNA) mit Schaltern ist eine kostengünstige Lösung zur Erweiterung der Anzahl der VNA-Ports. Allerdings verringert der Signalverlust in den Schaltern nach dem Richtkoppler der VNA-Testports die Systemleistung hinsichtlich Dynamikbereich, Rauschen und Temperaturstabilität im Vergleich zu einem eigenständigen VNA. Diese Verschlechterung ist besonders bei Hochfrequenzanwendungen oberhalb von 10 GHz relevant.

Abbildung 3-wErweiterungs-Testausrüstung
: Die Erweiterungs-Testausrüstung dient der Durchführung vollständiger NxN-kalibrierter Messungen und wird durch den Einsatz von Richtkopplern und Schaltern erweitert. Sie vergrößert die Quellschaltmatrix des VNA um weitere Ausgänge und die internen Empfänger um weitere Ports mithilfe eines Quell- bzw. Empfangsschalters. Zusätzlich wird an jedem Port ein Testportkoppler benötigt (siehe Abbildung 3).

Die Stabilität und Leistungsfähigkeit der Messungen sind im Vergleich zu den zuvor beschriebenen Testaufbauten verbessert, da alle Schaltvorgänge vor dem Testportkoppler erfolgen und die Vektorfehlerkorrektur systematische Fehlerquellen vor den Testportkopplern eliminiert. Da beliebig viele Schaltpfade vor den Testkopplern vorhanden sein können, lassen sich zusätzliche Testaufbauten hinzufügen und so beliebig viele Testports durch Stapeln erweiterter Testaufbauten realisieren. Der Dynamikbereich bleibt jedoch aufgrund von Schaltverlusten begrenzt.
 
Abbildung 4-wEchte Multiport-Lösungen
: Echte Multiport-Lösungen benötigen keine externen Schaltkreise oder zusätzliche Koppler für Multiport-Messungen. Ein Beispiel hierfür ist der Keysight M937xA 2-Port PXIe VNA (Abbildung 4), eine echte Multiport-Lösung in einem PXI-Chassis. Bis zu 16 Module können in einem einzigen PXI-Chassis konfiguriert werden, wodurch vollständig korrekte Messungen bis zu 26,5 GHz für 32-Port-Prüfgeräte-Arrays (DUT) ermöglicht werden. Jedes PXI-VNA-Modul verfügt über eine eigene unabhängige Stromversorgung, und jeder Testport besitzt eigene unabhängige Referenz- und Testempfänger. Diese Empfänger ermöglichen die gleichzeitige Erfassung von S-Parameter-Daten für alle Messpfade. Die Messungen sind hochpräzise und stabil, da keine Signaldämpfung zwischen dem Prüfling und den Empfängern auftritt.

 
Abbildung 5 zeigt die Anzahl der für die vollständige Charakterisierung eines Multiport-Prüflings erforderlichen Messdurchläufe. Da ein echter Multiport-PXI-VNA Daten mit mehreren Empfängern erfasst – einem für jeden Testport –, lassen sich die Messungen im Vergleich zu einer switchbasierten Lösung mit deutlich weniger Messdurchläufen beschleunigen. Echte Multiport-Lösungen bieten somit klare Vorteile durch optimierte Testdauer und höhere Produktivität.
Abbildung 5-w 

Überlegungen zum Testen an mehreren Standorten

Multisite-Testlösungen ermöglichen parallele Messungen und steigern so die Produktivität. Multisite-Testsysteme lassen sich mit mehreren VNAs in verschiedenen Konfigurationen aufbauen (Abbildung 6), um mehrere Pfade eines einzelnen Geräts oder mehrerer Geräte gleichzeitig zu messen. Eine Multisite-Testlösung verwendet einen zentralen PC mit individuellen Softwareinstanzen für jedes VNA. Jedes Instrument des VNA wird unabhängig konfiguriert und gesteuert, sodass es parallel zu anderen VNAs im Testsystem arbeitet. Multisite-Konfigurationen sind besonders in Fertigungsumgebungen nützlich, in denen Tests von mehreren Bedienern durchgeführt werden. Beispielsweise kann ein 4-Port-VNA, der für die Abstimmung kostengünstiger Multisite-Filter konfiguriert ist, gleichzeitig von vier Testbedienern verwendet werden (Abbildung 7).

Abbildung 6-w Abbildung 7-w

Weitere Faktoren wie die Leistungsfähigkeit des PC-Controllers, die VNA-ZF-Bandbreite (IFBW) und die Systemkommunikation können die Gesamtproduktivität von Messungen an mehreren Standorten beeinflussen. Die Anzahl der PC-Kerne sollte der Anzahl der VNAs im System entsprechen, um die Testgeschwindigkeit nicht wesentlich zu beeinträchtigen. Niedrige VNA-IFBWs, beispielsweise 1 kHz, beeinträchtigen die Systemproduktivität nicht, während IFBWs von 100 kHz und darüber die Gesamtproduktivität des Testsystems verringern können. Die Wahl einer schnellen Kommunikationsverbindung stellt zudem sicher, dass die Kommunikation zwischen den VNAs und der CPU die Geschwindigkeit des Testsystems an mehreren Standorten nicht reduziert. Eine schnelle Kommunikation zwischen PC und VNAs, wie sie beispielsweise durch eine PXI-VNA-Konfiguration für mehrere Standorte ermöglicht wird, profitiert von der Hochgeschwindigkeits-PXI-Chassis-Verbindung.

Zusammenfassung:
Bei der Auswahl einer VNA-Testlösung für Multiport-Bauteile müssen Schaltverluste, Systemkalibrierung und weitere Faktoren, die die Testproduktivität und -genauigkeit beeinflussen, berücksichtigt werden. Fortschritte in der Test- und Messtechnik ermöglichen es Multiport- und Multisite-Testlösungen, diese Herausforderungen besser zu bewältigen, indem sie die Anzahl der Messungen, die Anzahl der Bauteile und die Messgeschwindigkeit erhöhen und gleichzeitig hohe Genauigkeit und Stabilität gewährleisten. Das automatisierte PXI-basierte VNA-Testsystem ist eine ideale Hochleistungslösung für Multiport-Bauteile, mit der Hersteller von Komponenten in großen Stückzahlen die angestrebte hohe Testproduktivität in kürzerer Zeit erreichen können.

Weitere Informationen zu Optimierungstechniken für Mehrport- und Mehrstandorttests finden Sie unter
http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5992-0681EN.pdf?id=2611867

Autor: Takuya Hirato, Keysight Technologies