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Tuner for Noise Parameter Measurement (Maury Microwave)

Mit der Kombination eines Tuners von Maury Microwave und eines PNA-X Netzwerkanalysators lassen sich hocheffiziente Messplätze für S-Parameter, Rauschzahl, Rauschparameter und Intermodulationsmessungen aufbauen:

Die Rauschzahl eines Verstärkers wird typischerweise mit Hilfe einer Rauschquelle und einem Spektrum-Analysator gemessen. Dies geschieht meist mit der bekannten Y-Faktor Methode, bei der eine Rauschquelle am Eingang des Verstärkers in zwei Zustände geschaltet wird: einmal im OFF-Zustand, der in erster Näherung einem 50Ω-Abschluss entspricht. Dann im ON-Zustand, bei dem aktive Rauschleistung mit bekanntem Wert erzeugt wird. Der Faktor ENR („Excessive Noise Ratio“) ist das Verhältnis der Rauschleistungsdichte im ON- und OFF-Zustand. Er wird in [dB] angegeben und kann frequenzabhängig sein. Praktisch werden Rauschquellen mit einer Lawinenlaufzeitdiode als Generator und nachgeschaltetem Dämpfungsglied ausgeführt.

Abbildung 1: Prinzipieller Aufbau eines Messplatzes für die Bestimmung von Rauschparametern und die Messung von S-Parametern. Eine Erweiterung für Intermodulationsmessungen ist möglich.

Da der komplexe Reflexionsfaktor des Rauschgenerators für die beiden Schaltzustände aber unterschiedlich ist, muss für exakte Messungen der Rauschzahl zunächst der Reflexionsfaktor der Rauschquelle für die beiden Schaltzustände vermessen werden. Mit diesen Messwerten kann dann eine Korrektur der Rauschzahl vorgenommen werden. Ziel der Korrektur ist es, eine Rauschzahl zu ermitteln, welche für die Beschaltung mit präziser 50Ω-Quellenlast gilt. Im Fall idealer 50Ω-Quellenlast ergibt sich die Rauschzahl bei 20°C Umgebungstemperatur in der Einheit [dB] zu:

mit dem Verhältnis YL der am Ausgang des Verstärkers gemessenen Rauschleistungsdichte für den ON- und OFF-Zustand des Rauschgenerators:

Eine weitere Methode zur Messung von Rauschzahlen ist die „Cold Source“ Methode. Wird diese Methode angewandt, muss auch der Gain des Testverstärkers exakt gemessen werden, da er nun in die Berechnung der Rauschzahl mit eingeht. Daher ist es immer sinnvoll Gain und Rauschzahl des Probeverstärkers gleichzeitig zu messen, ohne den Messplatz umbauen zu müssen.

Abbildung 2: die Rauschzahl als Funktion der Quellenimpedanz der Rauschquelle Γ_S.

Nun betrachten wir den Fall einer Rauschquelle mit beliebiger Quellenimpedanz, die mit Hilfe des Tuners eingestellt werden kann. Ohmsche Verluste des Tuners und der Zuleitungen sowie der Reflexionsfaktor der Rauschquelle werden nicht berücksichtigt. Die Rauschzahl eines Verstärkers kann nun analytisch als Funktion der Quellenimpedanz dargestellt werden (Z ist der charakteristische Wellenwiderstand von 50Ω; Γ ist der komplexe Reflexionsfaktor der Quelle, Γopt  ist der komplexe Reflexionsfaktor der Quelle im Fall optimaler Rauschanpassung bei der sich die minimale Rauschzahl Fmin ergibt; Rn definiert die Steilheit der Rauschzahlzunahme):

Um das Rauschverhalten eines Verstärker zu beschreiben, sind daher die vier Rauschparameter notwendig: Fmin, Rn, der Realteil {Γopt} und der Imaginärteil {Γopt} . Diese Formel ist für die praktische Anwendung sehr nützlich, da mit ihr die Zunahme der Rauschzahl bei Fehlanpassung beschrieben wird. Fehlanpassung kann durch ungeeignete Anpassungsschaltungen am Verstärkereingang entstehen oder auch durch Toleranzen der passiven Bausteine des Anpassungsnetzwerkes oder der aktiven Halbleiterschaltung. Ein Beispiel für eine mit der oben beschriebenen Formel berechnete Rauschzahlverteilung ist in der Graphik in Abbildung 2 dargestellt. Blickt man von oben auf diese Graphik (und reduziert sie damit auf zwei Dimensionen) erkennt man die Ortskurven für konstante Rauschzahl als Kreise um den Punkt Γopt für optimale Rauschanpassung.

Abbildung 3: Messplatz für die automatische Messung der Rauschparameter eines Verstärkers

Die Auswertung der Rauschzahl unter Berücksichtigung der Ohmschen Verluste und dem Reflexionsfaktor der Rauschquelle ist sehr aufwändig. Die Anwendung der Y-Faktor Methode oder der Cold Source Methode alleine reicht dabei nicht aus. Maury Microwave hat in der Software ATSv5 ein numerisches Verfahren implementiert, welches diese Korrekturen vornimmt. Dazu müssen vor der Rauschmessung zwei Kalibrationen mit dem Netzwerkanalysator durchgeführt werden: eine 2-Tor Kalibration an den beiden Referenzebenen des Probeverstärkers und eine 1-Tor Kalibration an der Referenzebene der Rauschquelle. Die Rauschparameter werden dabei mittels eines Fit-Verfahrens an die Messdaten gewonnen.

Die Fotographie oben zeigt einen Rauschmessplatz mit Verwendung eines Netzwerkanalysators mit den Optionen interner HF-Schalter und vektorieller Rauschempfänger. Mit den internen HF-Schaltern kann zwischen Messung der S-Parameter und der Rauschzahl umgeschaltet werden. Mit einer weiteren Option des Netzwerkanalysators könnte mit diesem Messplatz auch noch zusätzlich das 2-Ton Intermodulationsverhalten des Probeverstärkers gemessen werden.

Für einen automatischen Rauschmessplatz zur Bestimmung der Rauschparameter empfehlen wir die Komponenten, die in der folgenden Tabelle aufgeführt sind:

Rauschquelle

Wir empfehlen bei Verstärkern mit einem Gain von 10-20dB Rauschquellen mit einem ENR im Bereich um 15dB.

Tuner

Hier verwendet man idealerweise motorisierte mechanische Tuner, z.B. von Maury Microwave.

Probeverstärker Der zu testende Verstärkerbaustein wird mittels einer Messfassung oder auf dem Wafer­-Prober kontaktiert. Die Verfälschung der Messung durch elektromagnetische Störeinstrahlung kann durch Nutzung spezieller Schirmgehäuse mit EMV-dichten Durchführungen der Stromversorgung und der HF-Leitungen vermieden werden.
Rauschempfänger Hier können hochempfindliche Spektrum-Analysatoren verwendet werden. Eine sehr effiziente Alternative stellen die PNA-X Netzwerkanalysatoren von Keysight dar, die mit Option 029 (vektorielle Rauschmessung) und internen HF-Schaltern zum Umschalten zwischen Messungen des Gains und der Rauschleistung ausgestattet sind. Wird ein PNA-X verwendet, kann mit zusätzlichen Optionen in dem gleichen Messaufbau auch die 2-Ton Intermodulationsmessung integriert werden
Messkabel

Als Messkabel empfehlen wir phasenstabile und verlustarme Messkabel, z.B. W.L. GORE oder Maury Microwave. Grundsätzlich sollte die Rauschquelle so nahe wie möglich an der Probe oder dem Tuner angebracht werden. Bei Verwendung eines Wafer-Probers ist dies jedoch nicht immer möglich und es müssen leichtere HF-Kabel für die Kontaktierung der Probes verwendet werden.

HF-Schalter am Eingang des Probeverstärkers Am besten geeignet sind verlustarme und zuverlässige HF-Schalter, die über Software angesteuert werden.
Vorverstärker am Ausgang des Probeverstärkers

In vielen Fällen ist der Gain des Probeverstärkers oder die Eingangsempfindlichkeit des Spektrum-Analysators nicht ausreichend, um den Rauschpegel korrekt zu messen. In diesem Fall wird ein zusätzlicher rauscharmer Vorverstärker eingesetzt werden.

Software



Zur Steuerung und Messdatenerfassung empfiehlt sich die bewährte ATSv5 Test-SW von Maury Microwave mit den folgenden Modulen:

MT993B für grundlegende Rauschmessungen:

  • Die Rauschparameter werden nach menügeführter Kalibration und Messung an ausgewählten Impedanzen ermittelt.
  • Interaktive Rauschzahlmessung für Einzelmessungen der Rauschzahl bei frei wählbaren Impedanzen im Smith Chart.
  • „Swept Noise Display“ zur Darstellung von Rauschparametern, Gain und K-Faktor.
  • „Noise Statistics Display“ zur Darstellung der Abweichung von Messwerten zum Rauschparametermodel.

MT993B01 für die ultraschnelle Messungen der Rauschparameter

  • Durch eine effiziente Auswahl an Impedanzen und Messfrequenzpunkten werden die Rauschparameter für einen ausgewählten Frequenzbereich mit extrem hoher Messgeschwindigkeit ermittelt. Voraussetzung für die Verwendung ist das Modul MT993B.

Die folgenden Zusatzmodule können Ihre Messaufgaben sehr effizient machen:

MT993E zur externen Steuerung der ATS-SW

  • Die SNP DLL erlaubt die Steuerung von C#, C++, LabVIEW oder MATLAB Programmen aus.

MT993F System Kontroll-SW

  • Zur Steuerung der externen oder PNA-X internen HF-Schalter. Diese Option ist notwendig, um an einem Messplatz S-Parameter und Rausch­messungen abwechselnd durchführen zu können.

MT993G zur Darstellung von DC Strom-Spannungskennlinien

  • Das SW Modul MT993B kann mit diesem Modul erweitert werden.

MT993J zur Charakterisierung der Testfassung

  • Die SW ermöglicht 2-Tor S-Parametermessungen für das De-Embedding von Testfassungen.

Nachfolgend sehen Sie das Ergebnis von unseren Messungen an zwei unterschiedlichen Probeverstärkern:

  • SGA4363Z: Zwischenverstärker von QORVO. Am Eingang und Ausgang gut an 50Ω angepasst.
  • BFP193: diskreter HF-Transistor von der Infineon Technologies AG. Am Eingang nicht angepasst, der Ausgang hat näherungsweise 50Ω Ausgangsimpedanz.

Beide Verstärker wurden in ein metallisches Schirmgehäuse eingebaut und mit einer Batterie betrieben, um den Einfluss von externer Störeinstrahlung zu minimieren (Messaufbau siehe Abbildung 3). Zu Messwerterfassung und Ermittlung der Rauschparameter wurde die ATSv5 SW von Maury Microwave mit den Modulen MT993B und MT993B01 verwendet. Das folgende Bild zeigt, wie die einzelnen Komponenten des Konfigurationsmenüs der ATSv5 SW an die vorliegenden Messgeräte angepasst wurden:

Abbildung 4: Konfiguration des Rauschmessplatzes in der ATSv5 SW von Maury Microwave
Abbildung 5: Messergebnisse für den Probeverstärker SGA4363Z

Die Ergebnisse für die Rauschparameter des SGA4363Z sind in Abbildung 5 dargestellt. Die Rauschparameter wurden im Frequenzbereich von 0,8-3,0GHz mit einer Schrittweite von 100MHz ermittelt. Im rechten Teil des Bildes findet sich die Darstellung von Rn, Fmin, Associated Gain und Gmax. Der maximale Gain Gmax wird berechnet, er würde sich im Fall von optimaler Anpassung des Verstärkerausgangs an 50Ω ergeben. Im linken Teil des Bildes wird für jeden einzelnen Frequenzpunkt die Quellenimpedanz Γs im Smith Chart dargestellt. Nun kann ein Cursor auf einen Frequenzpunkt gesetzt werden, um die Kreise für konstante Rauschzahl anzuzeigen. In unserem Beispiel wurde als Frequenz 1,0GHz gewählt.

Das Ergebnis zeigt, dass der SGA4363Z sehr gut als Zwischenverstärker eingesetzt werden kann. Die minimale Rauschzahl wird sehr nahe bei 50Ω Quellenimpedanz erreicht; die Zunahme der Rauschzahl bei Fehlanpassung ist relativ flach. Für einen großen Bereich der Quellenimpedanz im inneren Bereich des Smith Charts bleibt die Rauschzahl auf einem akzeptablen Niveau. Die spezifizierten Rauschzahlen des SGA4363Z sind 2,7dB bei 850MHz, bzw. 3,1dB bei 1950MHz. Die gemessenen Rauschzahlen sind aufgrund der verlustbehafteten Leiterplatte und dem Einbau des Bausteins in das Schirmgehäuse etwas höher (z.B. 3,41dB bei 800MHz und 3,94dB bei 1900MHz).

Abbildung 6: Messergebnisse für den Probeverstärker BFP193

Ganz anders sieht das Ergebnis für den BFP193 aus. Die minimale Rauschzahl von 3,05dB wird bei einer Quellenimpedanz von 8,0 + j · 13,4Ω erreicht (ΓL= −0,64 — j · 0,38Ω). Allerdings steigt die Rauschzahl bei einer Quellenimpedanz von 50Ω auf über 6dB an. Soll dieser Verstärker in einer 50Ω-Umgebung verwendet werden, muss die Impedanz des Eingangs angepasst werden. Meist werden dazu Schaltungen mit diskreten Spulen und Kondensatoren verwendet. Problematisch ist dabei jedoch, dass in vielen Fällen dann nur noch eine gute Anpassung für 10-20% Frequenzbandbreite der Mittenfrequenz erreicht wird. Auch hier haben wir die theoretisch erreichbare minimale Rauschzahl des BFP193 (1dB bei 900MHz, bzw. 1,6dB bei 1800MHz) nicht erreicht, da unsere Testleiterplatte, die Gleichstromversorgung und der Einbau in das Schirmgehäuse zu hohe Ohmsche Verluste aufweisen.

Abbildung 7: Darstellung von Kreisen für konstanten Associated Gain für den Probeverstärker BFP193

Die ATSv5 SW ermöglicht auch die Einblendung von Kreisen für konstanten Associated Gain (siehe Abbildung 7). Das hilft sehr bei einer schnellen visuellen Analyse des Verstärkerverhaltens. Ferner ist die nachträgliche Auswertung der Messdaten möglich. So können Messdatensätze automatisch über Nacht aufgenommen und während der normalen Arbeitszeit ausgewertet werden. Damit wird eine optimale Auslastung des teuren Messgeräteparks ermöglicht.