In questi casi, il dispositivo da testare (posizionato su un substrato o una base wafer) deve essere collegato allo strumento di misura tramite un'interfaccia che fornisca una connessione meccanica ed elettrica. Questa interfaccia ha tipicamente una struttura basata su sonde, nota come dispositivo di test, e può consistere in un collegamento a una base fissa (avvitata o saldata) o in una soluzione "universale" che offre flessibilità, efficienza e qualità di misurazione. Esiste anche un ampio gruppo di sistemi complessi basati su stazioni di sonde con un proprio segmento di applicazione (alcuni dei quali possono sovrapporsi alle applicazioni dei dispositivi di test), sebbene la maggior parte di questi tenda ad aggiungere complessità e costi più elevati.
La caratterizzazione completa e le misurazioni di alta qualità richieste dalla maggior parte dei dispositivi di test generalmente necessitano dell'utilizzo di un analizzatore di rete vettoriale, che fornisce i risultati delle misurazioni sotto forma di unità vettoriali di parametri S per ampiezza e fase. Un sistema di misurazione completo include in genere un dispositivo di test, un analizzatore di rete vettoriale e un kit di calibrazione del substrato (per la calibrazione sul dispositivo stesso).
Il termine "universale" nel contesto degli accessori di test si riferisce alla loro compatibilità con un'ampia varietà di forme e dimensioni di dispositivi, alla loro ampia gamma di frequenza, alla ripetibilità della connessione, alle funzionalità aggiuntive come la polarizzazione e la capacità di testare dispositivi multiporta, nonché alla loro facilità d'uso e all'eccellente affidabilità e prestazioni complessive, comprese la perdita di ritorno e la perdita di inserzione dell'accessorio stesso. Ad esempio, l'accessorio mostrato in Fig. 1 consente transizioni ripetibili e precise da cavo coassiale a microstriscia o da cavo coassiale a guida d'onda coplanare (CPW), fornendo capacità di misurazione del substrato per la progettazione di componenti e dispositivi.
Figura 1. Accessori di prova universali.
Un ulteriore vantaggio di questo tipo di accessorio è la possibilità di effettuare interventi di manutenzione in loco, aumentando così la flessibilità per l'ingegnere. Se, ad esempio, l'accessorio si danneggia a causa di un incidente, le sue parti principali possono essere sostituite in loco, con un conseguente risparmio di tempo e denaro, poiché il processo di misurazione non viene interrotto.
Uno scenario ideale per un accessorio di test con la relativa interfaccia tra un dispositivo in prova e uno strumento di misura (analizzatore di rete vettoriale) sarebbe una connessione completamente "trasparente", senza perdita di inserzione e con perdita di ritorno infinita (nessun disadattamento), una risposta in frequenza piatta nota come fase lineare e nessuna dispersione tra le porte (isolamento infinito), il che è certamente irrealizzabile. Molti fattori influenzano la qualità delle misurazioni; essendo parte di un sistema di misura, tutti i suoi componenti (l'analizzatore di rete vettoriale con i suoi componenti, cavi, adattatori e accessori) introdurranno errori, aumentando così l'incertezza di misura. Inoltre, anche le prestazioni del dispositivo in prova influiscono sulla precisione complessiva della misurazione. Tuttavia, è possibile eliminare la maggior parte di questi errori di misurazione utilizzando tecniche di correzione dell'errore vettoriale dell'analizzatore all'interno del processo di calibrazione, che si basa su standard di calibrazione di alta qualità ben definiti come elementi di riferimento.
Errori casuali e sistematici:
nella maggior parte delle misurazioni effettuate con analizzatori di rete vettoriale RF e a onde millimetriche, i termini di errore vengono classificati come casuali o sistematici.
Gli errori casuali sono imprevedibili e pertanto non possono essere corretti durante il processo di calibrazione. I principali fattori che aumentano gli errori casuali sono la ripetibilità del connettore, la stabilità del cavo, le variazioni ambientali (esclusi gli effetti di deriva), la ripetibilità della frequenza e il rumore. Buone pratiche di misurazione sono essenziali per ridurre gli errori casuali.
Gli errori sistematici, d'altra parte, includono fattori come la direttività, l'adattamento sorgente-carico, l'isolamento e il tracciamento di riflessione e trasmissione. Sebbene rappresentino le fonti più significative di incertezza di misura, possono essere notevolmente ridotti durante il processo di calibrazione (e la successiva correzione degli errori). Alcuni effetti residui rimangono non corretti perché gli standard di calibrazione non sono definiti in modo perfetto e i modelli di errore utilizzati per descrivere la configurazione di misura non sono perfetti. Gli errori residui possono essere utilizzati per calcolare le incertezze totali di misura e sono specificati nelle specifiche tecniche dell'analizzatore di rete vettoriale per vari algoritmi di calibrazione. Ciò aiuta a determinare il livello di accuratezza di misura disponibile da uno strumento in determinate condizioni.
Il problema principale per un sistema di misurazione che utilizza un dispositivo di prova è che i termini di incertezza sopra menzionati sono definiti per i kit di calibrazione coassiali standard dell'analizzatore di rete vettoriale. Ciò significa che gli effetti dell'errore vengono eliminati solo fino ai connettori coassiali dei cavi utilizzati nel test.
Diverse pratiche possono essere impiegate per eliminare il contributo di un dispositivo di prova dai risultati di misurazione di un dispositivo in esame. Queste pratiche sono tutte applicabili ai rispettivi casi d'uso, a seconda principalmente dell'accuratezza di misurazione richiesta. Anche le prestazioni del dispositivo di prova sono direttamente correlate alle prestazioni del dispositivo in esame e determinano il livello di calibrazione necessario per soddisfare i criteri di incertezza di misurazione.
Il de-embedding è uno strumento software negli analizzatori di rete vettoriale utilizzato per eliminare matematicamente l'effetto dei dispositivi di prova dai risultati di misurazione. Il dispositivo di prova (o "rete" in questo caso) deve essere misurato accuratamente in anticipo utilizzando un file di dati dei parametri S o un modello simulato del dispositivo. La calibrazione viene eseguita utilizzando standard coassiali.
Figura 2. Processo di de-embedding (eliminazione degli effetti del dispositivo di prova dalla misurazione del dispositivo in esame).
L'accuratezza delle misurazioni in generale può essere determinata principalmente in base alla qualità dei dati dei parametri S dell'accessorio (misurati o modellati), che è piuttosto difficile da ottenere in applicazioni complesse. Se le prestazioni effettive dell'accessorio in prova non corrispondono ai dati modellati o misurati, si verificano errori. Anche il de-embedding è difficile da applicare ai dispositivi in prova con basse perdite e non tiene conto dei termini di errore di disallineamento. In questi casi, la calibrazione all'interno del bus CAN dell'accessorio fornisce una rappresentazione più accurata dei parametri S del dispositivo.
Calibrazione degli accessori:
esistono due metodi di base per la calibrazione all'interno di un accessorio a due porte: OSL(T) (open-short-load (through)) e LRL/LRM (line-reflect-line/line-reflect-match). La calibrazione LRM è una variante della calibrazione LRL, in cui viene utilizzato un carico (terminazione) al posto della seconda linea. Esistono anche modifiche come ALRM (Advanced LRM), una tecnica di calibrazione Anritsu implementata nei menu di calibrazione di VectorStar che utilizza diversi modelli di carico per ciascuna porta e due standard di riflessione. La Tabella 1 fornisce un elenco dei tipici algoritmi di calibrazione disponibili e delle relative applicazioni "nell'accessorio".
L'accuratezza della misurazione dipenderà principalmente dagli standard di calibrazione, ovvero dalla precisione con cui sono stati definiti, e il numero di termini di errore correggibili dipenderà dall'algoritmo e dal tipo di calibrazione selezionati. Affinché il dispositivo a due porte elimini tutti i 12 termini (gli errori sistematici menzionati in precedenza: direttività, adattamento della sorgente, tracciamento della riflessione, adattamento del carico, tracciamento della trasmissione e isolamento in entrambe le direzioni (per il flusso del segnale), per un totale di 12 termini) sarà necessaria una calibrazione completa a due porte e la correzione degli errori. Ciò garantirà la massima accuratezza di misurazione, ma richiederà un numero maggiore di standard di calibrazione.
Le calibrazioni LRL offrono la massima precisione ma hanno una larghezza di banda limitata. Le calibrazioni OSL e LRM, pur essendo meno precise, coprono una gamma di frequenze più ampia e possono essere calibrate a frequenze più basse. Le calibrazioni LRM consentono un migliore adattamento della sorgente rispetto alle calibrazioni OSL. Per migliorare la calibrazione a banda larga, è possibile combinare le calibrazioni LRL e LRM. La calibrazione LRL/LRM è inoltre preferibile negli ambienti microstrip perché gli standard corrispondenti sono più facili da realizzare rispetto a quelli OSL. Gli standard OSL richiedono inoltre una caratterizzazione accurata delle misurazioni di qualità. La Figura 4 mostra alcuni esempi di standard OSL "nell'accessorio".
Immagine 4a – Standard di calibrazione Open-Short all'interno della serie 3680 UTF
Figura 4b – Carica lo standard di calibrazione all'interno della serie 3680 UTF
Figura 4. Standard di calibrazione “nell’accessorio” per la calibrazione OSL.
È molto utile che la configurazione di calibrazione "sull'accessorio" includa anche componenti di verifica per aiutare l'ingegnere a qualificare il sistema di misura. Inoltre, è importante disporre delle specifiche per i termini di errore residuo che possono essere ottenuti utilizzando la configurazione del sistema (composta dall'analizzatore di rete vettoriale, dall'accessorio di test e dal kit di calibrazione "sull'accessorio"). Ciò offre all'ingegnere la sicurezza dell'accuratezza della misurazione e dei risultati ottenuti. La Tabella 2 mostra un esempio di questi dati preziosi.
L'ingegnere può anche utilizzare un "calcolatore di incertezza" dedicato, come "Exact Uncertainty" di Anritsu, per ottenere una maggiore sicurezza nel livello di accuratezza. Per inciso, poiché la microstriscia rappresenta un mezzo dispersivo in cui lo sfasamento non è lineare rispetto alla frequenza, la capacità dell'analizzatore di rete vettoriale di compensare questa dispersione può migliorare l'accuratezza delle misurazioni vettoriali.
Conclusione:
la sfida posta dalla proliferazione di nuovi progetti RF/onde millimetriche richiederà una caratterizzazione dei dispositivi accurata e di alta qualità. Disporre degli strumenti adeguati e comprendere l'importanza di una corretta calibrazione, unitamente agli algoritmi menzionati nell'articolo, garantirà l'adozione delle migliori pratiche e migliorerà la qualità della progettazione del componente/dispositivo.
Autore: Maksim Pud, Anritsu EMEA
