Aktives mmWellen Load Pull System

Derzeit liegt die höchste Frequenz bei etwa 110GHz, bei der mechanische Tuner noch gut verwendbar sind. Eine besonders hohe Güte erreichen dabei die automatischen Tuner von Maury-Microwave:

https://www.bsw-ag.com/de/instrumente-mmwellen-load-pull.html

Allerdings kann mit solchen Tunern, aufgrund der ohm'schen Verluste der HF-Leitung zwischen Probe und Tuner, nur ein innerer Bereich des Smith-Charts als Lastimpedanz erreicht werden. Bei höheren mmWellen-Frequenzen, wie z.B. im WR-2 Hohleiterband für 325-500GHz, sind die Verluste kommerziell verfügbarer Prüfspitzen so hoch, dass der Einsatz mechanischer Tuner hier nicht mehr sinnvoll ist.

Technisch ist daher die Anwendung eines aktiven Load Pull Verfahrens der beste Weg, um Load Pull Charakterisierungen bei so hohen Frequenzen durchzuführen. Wir können ein komplettes mmWellen Load Pull Messsystem anbieten, welches aus den folgenden Komponenten besteht:

Notwendige Grundgeräte:

  • Netzwerkanalysator mit mmWellen-Modulen für ein Hohlleiter-Band (z.B. mmWellen-Extendermodule von Virginia Diodes). Die maximale Frequenz ist 1100GHz (WR-1 Hohlleiterband), es werden 2 komplexe Tore benötigt.
  • mmWellen-Leistungsmessgerät (am besten ist das PM5 von Virgina Diodes geeignet)
  • Hohlleiter-Kalibrierkit und Kalibriersubstrat, falls mit Halbleiter-Prüfspitzen (Probes) gemessen werden soll.
  • Proben (DUT) mit Hohlleiteranschluss können direkt kontaktiert werden, für Halbleiterscheiben wird eine Probe-Station benötigt (z.B. von unserem Lieferanten Semiprobe).
  • Optional: Spannungsversorgung für die Probe (z.B. fernsteuerbare SMUs von Keysight)

 Zusatzgeräte und SW für aktives mmWellen Load Pull:

  • Zusatzmodule (2 Stück für ein komplexes 2-Tor System) mit PXI-Steuereinheit. Diese Module können für alle Hohlleiterbänder von WR-15 (50-75GHz) bis zum WR-1 (750-1100GHz)  verwendet werden.
  • Steuer- und Messdatenerfassungs-SW „mmWave Studio“ mit SW-Modulen für präzise Leistungskalibration über einen großen Dynamikbereich und für die Steuerung der Spannungs­versorgung. Wie die Zusatzmodule kann diese SW für alle Hohlleiterbänder von WR-15 bis zum WR-1 verwendet werden.

 Ein Beispiel für einen typischen 2-Tor Messplatz mit Probe-Station zur Charakterisierung von Halbleitern mit WR-10 Extendermodulen für 75-110GHz ist in Abbildung 1 zu sehen. Will man in einem anderen Hohlleiter-Frequenzband messen, wären die beiden Extendermodule entsprechend auszutauschen. Das Zusatzsystem wird dabei unverändert verwendet. Lediglich die Einstellungen für Kalibration und Messung im mmWave Studio wären entsprechend anzupassen.

Abbildung 1: aktives 2-Tor mmWellen Load Pull Messsystem mit Netzwerkanalysator, mmWellen-Extendermodulen und den Zusatzmodulen. Das PXI-Frame für die Steuerung der Zusatzmodule befindet sich hier nicht sichtbar unter dem Netzwerkanalysator.

Die nächste Abbildung zeigt die SW-Oberfläche des „mmWave Studios“. Das Einrichten und Kalibrieren eines Messplatzes wird bequem menügeführt und geschieht nach der folgenden Vorgehensweise:

  • Schritt A: die Messgeräte (Netzwerkanalysator, Leistungsmessgerät, Spannungsversorgung) werden angebunden. Dabei wird als Schnittstelle üblicherweise GPIB und USB verwendet. Das PXI-Frame wird mit einer geeigneten Schnittstellenkarten von NI (National Instruments) angebunden.
  • Schritt B: S-Parameter und Leistungskalibration an den beiden Hohlleiter-Toren.
  • Schritt C: Kalibration mit dem Kalibriersubstrat auf die Prüfspitzen der verwendeten Probes.
  • Schritt D: Kontaktieren der Probe (DUT) und Auswahl der gewünschten Parameter für die automatisierte Messung (mmWellen-Eingangsleistung, Lastimpedanzbereich, Versorgungsspannung).
  • Schritt E: Start der Messung und Speicherung der Messdaten.
  • Schritt F (optional): Auswertung der Messdaten mit z.B. dem Einfügen von Lastkreisen im Smith-Chart.
Abbildung 2: SW-Oberfläche des „mmWave Studios“

Ein Beispiel für die Messung eines HF-Transistors ist in Abbildung 3 dargestellt. Es wurde für jede ausgewählte Lastimpedanz ein „Power-Sweep“ gemessen (das ist die Ausgangsleistung über der Eingangsleistung). Die maximal verfügbare Leistung des Extendermoduls bestimmt dabei den möglichen Impedanzbereich im Smith-Chart. Bitte achten Sie daher beim Kauf des Extendermoduls darauf, dass eine ausreichend hohe mmWellen-Leistung für Ihre Proben zur Verfügung steht. Gerne können wir Sie bei Projektierung und Auswahl der Module unterstützen.

Die einzelnen Messkurven können durch Anklicken mit der Maus für eine bequeme Auswertung der Messdaten markiert werden. Alle den Entwickler eines mmWellen-Verstärkers interessierenden Messgrößen werden dargestellt: Lastimpedanz und mmWellen-Leistung im Smith-Chart, S-Parameter, Power Sweep Messdaten, Wirkungsgrad mit Einbezug der Spanungsversorgung. Es ist auch möglich negative Lastimpedanzen zu realisieren: in diesem Fall ist die rückwärts in die Probe eingespeiste mmWellen-Leistung höher als die von der Probe abgegebene Leistung. In der derzeitigen Grundkonfiguration unserer Systeme ist die Einstellung einer negativen Impedanz per SW blockiert, um die Probe zu schützen. Je nach Anwendungsfall können wir das Load Pull System aber auf Ihre speziellen Anforderungen hin optimieren und weitere Messoptionen dazu anbieten.

Abbildung 3: Messergebnisse am Beispiel eines Transistors bei 90GHz mit dem „mmWave Studio“