Dans de tels cas, le dispositif testé (placé sur un substrat ou une plaquette) doit être connecté à l'instrument de mesure via une interface assurant une liaison mécanique et électrique. Cette interface se compose généralement d'une structure à sondes, appelée support de test, et peut consister en une connexion à une base fixe (vissée ou soudée) ou en une solution « universelle » offrant flexibilité, efficacité et qualité de mesure. Il existe également de nombreux systèmes complexes basés sur des stations de test, chacun ayant ses propres applications (dont certaines peuvent recouper celles des supports de test), bien que la plupart de ces systèmes aient tendance à accroître la complexité et les coûts.
La caractérisation complète et les mesures de haute qualité requises par la plupart des dispositifs de test nécessitent généralement l'utilisation d'un analyseur de réseau vectoriel, qui fournit des résultats de mesure sous forme de paramètres S (unités vectorielles) pour l'amplitude et la phase. Un système de mesure complet comprend généralement un banc de test, un analyseur de réseau vectoriel et un kit d'étalonnage du substrat (pour l'étalonnage sur le banc de test lui-même).
Le terme « universel », appliqué aux accessoires de test, désigne leur compatibilité avec une grande variété de dispositifs, tant en termes de formes que de dimensions, leur large bande passante, la répétabilité de leurs connexions, leurs fonctionnalités supplémentaires telles que les tests de polarisation et de dispositifs multiports, ainsi que leur facilité d'utilisation et leur excellente fiabilité globale, notamment en termes de pertes de retour et d'insertion. Par exemple, l'accessoire illustré sur la figure 1 permet des transitions précises et répétables entre câble coaxial et microbande, ou entre câble coaxial et guide d'ondes coplanaire (CPW), offrant ainsi des capacités de mesure de substrat pour la conception de composants et de dispositifs.
Figure 1. Accessoires de test universels.
Un avantage supplémentaire de ce type d'accessoire réside dans la possibilité d'effectuer une maintenance sur site, ce qui accroît la flexibilité pour l'ingénieur. Si, par exemple, l'accessoire est endommagé accidentellement, ses principaux composants peuvent être remplacés sur place, ce qui permet de gagner du temps et de l'argent, car le processus de mesure n'est pas interrompu. Dans l'
idéal, un accessoire de test doté de l'interface correspondante entre un dispositif testé et un instrument de mesure (analyseur de réseau vectoriel) présenterait une connexion parfaitement transparente, sans perte d'insertion ni perte de retour (absence de désadaptation), une réponse en fréquence plate (phase linéaire) et une isolation parfaite entre les ports (absence de fuite). Or, une telle situation est impossible à réaliser. De nombreux facteurs influencent la qualité des mesures : faisant partie intégrante d'un système de mesure, l'ensemble de ses composants (analyseur de réseau vectoriel et ses composants, câbles, adaptateurs et accessoires) introduisent des erreurs, augmentant ainsi l'incertitude de mesure. Par ailleurs, les performances du dispositif testé influent également sur la précision globale de la mesure. Cependant, il est possible d'éliminer la plupart de ces erreurs de mesure en utilisant des techniques de correction d'erreur vectorielle de l'analyseur dans le cadre du processus d'étalonnage, qui repose sur des étalons d'étalonnage de haute qualité bien définis comme éléments de référence.
Erreurs aléatoires et systématiques :
Dans la plupart des mesures effectuées par les analyseurs de réseaux vectoriels RF et les analyseurs d’ondes millimétriques, les erreurs sont classées en deux catégories : aléatoires et systématiques.
Les erreurs aléatoires sont imprévisibles et ne peuvent donc pas être corrigées lors de l’étalonnage. Les principaux facteurs qui les augmentent sont la répétabilité des connecteurs, la stabilité des câbles, les variations environnementales (hors dérive), la répétabilité de la fréquence et le bruit. De bonnes pratiques de mesure sont essentielles pour réduire ces erreurs.
Les erreurs systématiques, quant à elles, incluent des facteurs tels que la directivité, l’adaptation source-charge, l’isolation, ainsi que le suivi des réflexions et des transmissions. Bien qu’elles représentent les principales sources d’incertitude de mesure, elles peuvent être considérablement réduites lors de l’étalonnage (et de la correction d’erreurs ultérieure). Certains effets résiduels demeurent non corrigés car les étalons d’étalonnage ne sont pas parfaitement définis et les modèles d’erreur utilisés pour décrire le dispositif de mesure ne sont pas parfaits. Les erreurs résiduelles permettent de calculer les incertitudes totales de mesure et sont spécifiées dans les spécifications techniques de l’analyseur de réseaux vectoriels pour différents algorithmes d’étalonnage. Cela permet de déterminer le niveau de précision de mesure disponible pour un instrument dans des conditions données.
Le principal problème d'un système de mesure utilisant un banc d'essai réside dans le fait que les termes d'incertitude mentionnés précédemment sont définis pour les kits d'étalonnage coaxiaux standard de l'analyseur de réseau vectoriel. Cela signifie que les erreurs ne sont éliminées que jusqu'aux connecteurs coaxiaux des câbles utilisés lors du test.
Différentes méthodes permettent d'éliminer l'influence du banc d'essai sur les résultats de mesure du dispositif testé. Ces méthodes sont toutes applicables aux cas d'utilisation correspondants, principalement en fonction de la précision de mesure requise. Les performances du banc d'essai sont également directement liées à celles du dispositif testé et déterminent le niveau d'étalonnage nécessaire pour respecter les critères d'incertitude de mesure.
La désintégration est un outil logiciel de l'analyseur de réseau vectoriel permettant d'éliminer mathématiquement l'influence du banc d'essai sur les résultats de mesure. Le banc d'essai (ou « réseau » dans ce cas) doit être mesuré avec précision au préalable à l'aide d'un fichier de données de paramètres S ou d'un modèle simulé du banc d'essai. L'étalonnage est réalisé à l'aide d'étalons coaxiaux.
Figure 2. Processus de désintégration (élimination des effets du banc d'essai sur la mesure du dispositif testé).
La précision des mesures dépend principalement de la qualité des données des paramètres S de l'accessoire (mesurées ou modélisées), difficiles à obtenir dans les applications complexes. Si les performances réelles de l'accessoire testé ne correspondent pas aux données modélisées ou mesurées, des erreurs apparaissent. La désencapsulation est également difficile à appliquer aux dispositifs testés présentant de faibles pertes et ne tient pas compte des erreurs de désadaptation. Dans ce cas, l'étalonnage au sein du bus CAN de l'accessoire offre une représentation plus précise des paramètres S du dispositif.
Étalonnage de l'accessoire :
Il existe deux méthodes d'étalonnage principales pour un accessoire à deux ports : OSL(T) (circuit ouvert-court-charge) et LRL/LRM (ligne-réflexion-ligne/ligne-réflexion-adaptation). L'étalonnage LRM est une variante de l'étalonnage LRL, dans laquelle une charge (terminaison) remplace la seconde ligne. Il existe également des modifications telles que l'ALRM (LRM avancé), une technique d'étalonnage Anritsu implémentée dans les menus d'étalonnage VectorStar, qui utilise différents modèles de charge pour chaque port et deux étalons de réflexion. Le tableau 1 présente une liste des algorithmes d'étalonnage disponibles et leurs applications appropriées dans l'accessoire.
La précision de la mesure dépend principalement des étalons d'étalonnage (et de la précision avec laquelle ils ont été définis), tandis que le nombre de termes d'erreur corrigibles dépend de l'algorithme et du type d'étalonnage choisis. Pour qu'un appareil à deux ports élimine les 12 termes d'erreur (les erreurs systématiques mentionnées précédemment : directivité, adaptation de la source, suivi de la réflexion, adaptation de la charge, suivi de la transmission et isolation bidirectionnelle du signal), un étalonnage complet à deux ports avec correction d'erreurs est nécessaire. Cette méthode offre la plus grande précision de mesure, mais requiert davantage d'étalons d'étalonnage.
Les étalonnages LRL offrent la meilleure précision, mais leur bande passante est limitée. Les étalonnages OSL et LRM, bien que moins précis, couvrent une gamme de fréquences plus étendue et peuvent être réalisés à des fréquences plus basses. Les étalonnages LRM permettent une meilleure adaptation de la source que les étalonnages OSL. Pour améliorer l'étalonnage à large bande, les étalonnages LRL et LRM peuvent être combinés. L'étalonnage LRL/LRM est également préférable dans les environnements microruban, car les étalons correspondants sont plus faciles à fabriquer que pour les étalonnages OSL. Les étalons OSL nécessitent également une caractérisation précise des mesures de qualité. La figure 4 présente quelques exemples d'étalons OSL intégrés aux accessoires.
Image 4a – Étalon d'étalonnage circuit ouvert/court-circuit au sein de la série UTF 3680
Image 4b – Étalon d’étalonnage de charge à l’intérieur de la série 3680 UTF
Figure 4. Étalons d’étalonnage « dans l’accessoire » pour l’étalonnage OSL.
Il est très utile que le dispositif d'étalonnage intégré intègre également des composants de vérification pour aider l'ingénieur à qualifier le système de mesure. De plus, il est important de disposer des spécifications relatives aux termes d'erreur résiduelle pouvant être obtenus à l'aide du système (comprenant l'analyseur de réseau vectoriel, l'accessoire de test et le kit d'étalonnage intégré). Ceci permet à l'ingénieur d'avoir confiance dans la précision de la mesure et des résultats obtenus. Le tableau 2 présente un exemple de ces précieuses données.
L'ingénieur peut également utiliser un calculateur d'incertitude dédié, tel que « Exact Uncertainty » d'Anritsu, pour une confiance encore plus grande dans le niveau de précision. Par ailleurs, étant donné que la microbande représente un milieu dispersif dans lequel le déphasage n'est pas linéaire par rapport à la fréquence, la capacité de l'analyseur de réseau vectoriel à compenser cette dispersion peut améliorer la précision des mesures vectorielles.
Conclusion :
Le défi posé par la prolifération de nouvelles conceptions RF/ondes millimétriques exigera une caractérisation précise et de haute qualité des dispositifs. Disposer des outils adéquats et comprendre l'importance d'un étalonnage correct, ainsi que des algorithmes mentionnés dans l'article, garantiront les meilleures pratiques et amélioreront la qualité de la conception des composants/dispositifs.
Auteur : Maksim Pud, Anritsu EMEA
