Untersuchung einer Streuparameter- Testumgebung aus modularen RF PXI Instrumenten

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1 Untersuchung einer Streuparameter- Testumgebung aus modularen RF PXI Instrumenten Michael Hrobak, Marcus Schramm, Lorenz-Peter Schmidt Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

2 Überblick Die OKTOPUS Halbleiter-Testplattform Synthetische RF/mmWellen Instrumente Definition Das NxTest Programm Synthese von heterodynen Netzwerkanalysatoren Systempartitionierung / Testset-Architektur Die OKTOPUS Kalibrierumgebung Lowcost 6.6 GHz Streuparameter Testset

4 Die OKTOPUS Halbleiter-Testplattform Optimal-Konfigurierbare Test-Organisationsplattform mit Unterstützung der Synthese, BMBF, FKZ: 01M3182E Device Under Test Handler Interface Device Dependent Board Testsocket Probecard STANDARD PXI System and Components Virginia Panel Interface

5 Die OKTOPUS Halbleiter-Testplattform Device Under Test Handler Interface CUSTOM ABEX Rear Module ABEX Backplane Power Signal Device Dependent Board Testsocket Probecard Virginia Panel Interface CUSTOM ABEX Terminal Module STANDARD PXI System and Components

6 Die OKTOPUS Halbleiter-Testplattform Signal Integrity / Interconnection Topics: RF/mmWave Performance, Calibration Device Under Test Handler Interface CUSTOM ABEX Rear Module ABEX Backplane Power Signal Device Dependent Board Testsocket Probecard Hardware Synthesis RF, mmwave Performance Virginia Panel Interface CUSTOM ABEX Terminal Module STANDARD PXI System and Components

8 Synthetische RF/mmWellen Instrumente Box Instrument vs. Synthetic Instrument Power Meter Spectrum-, Network-Analyzer Noise-Figure-, Phase-Noise-Meter Specific Equipment for Functional Test Traditional-, Natural- vs. Synthetic-, Virtual-, Modular Instr. Traditional Instrument. Which tradition? A Synthetic is something that was synthesized out of generic components to be something specific. A Natural is something a priori specific as a consequence of its essential nature. Nadovich, 2005

9 Synthetische RF/mmWellen Instrumente Department of Defense (DoD ) NxTest IPT SI Definition, NxTest Requirements SIWG ARGCS, ATML-, CTI-, IVI-Working Group DoD Next Generation ATS, NxTest Requirements Provide greater flexibility through interoperable ATS Reduce logistics and physical footprints Reduce time to develop and field new or upgraded ATS Aeroflex STI1000/TRM1000, 1998 BAE Systems, IAIS, 2004 Agilent SI, LXI, 2004 Phasematrix, VXI/PXI, 2008 Honeywell, VXI, 2002

10 Synthetische RF/mmWellen Instrumente Department of Defense (DoD ) NxTest IPT SI Definition, NxTest Requirements SIWG ARGCS, ATML-, CTI-, IVI-Working Group DoD Next Generation ATS, NxTest Classification Generic SI = Loosely Coupled SI Commercial-Off-The-Shelve (COTS) SI Application Specific SI (Military, ) Aeroflex STI1000/TRM1000, 1998 BAE Systems, IAIS, 2004 Agilent SI, LXI, 2004 Phasematrix, VXI/PXI, 2008 Honeywell, VXI, 2002

12 Synthese von heterodynen Netzwerkanalysatoren Agilent PNA-X N5245, 4-Ports, f max =50/500GHz

13 Synthese von heterodynen Netzwerkanalysatoren

19 Synthese von heterodynen Netzwerkanalysatoren 1Tx, 2Rx, 1-DUT Die Hardware Struktur einer Testset-Zelle.

20 Synthese von heterodynen Netzwerkanalysatoren 1Tx, 2Rx, 2-DUT minimierter Hardware-Aufwand im Testset 2x2 Schaltmatrix

21 Synthese von heterodynen Netzwerkanalysatoren 1Tx, 2Rx, 2-DUT adäquater Hardware-Aufwand im Testset minimierte Anforderungen an die Schaltmöglichkeiten

22 Synthese von heterodynen Netzwerkanalysatoren 2Tx, 4Rx, 2-DUT Optimalkonfiguration für Zweitor-Prüflinge

23 Synthese von heterodynen Netzwerkanalysatoren 2Tx, 4Rx, 4-DUT minimierter Hardware-Aufwand im Testset 2x2 Schaltmatrizen

24 Synthese von heterodynen Netzwerkanalysatoren 2Tx, 4/8Rx, 4-DUT

25 Synthese von heterodynen Netzwerkanalysatoren 2Tx, 4/8Rx, 4-DUT

26 Synthese von heterodynen Netzwerkanalysatoren 2Tx, 4/8Rx, 4-DUT nichtlineare Messfähigkeit Intermodulation

27 Die OKTOPUS Kalibrierumgebung Benutzertransparente Implementierung der Standard Kalibrierverfahren: SOLT, TRL, LRRM, SOLR, Mix-N-Match Prinzip Flexible Anwendung der Verfahren auf verschiedene Fehlertermmodelle Bedarfsorientierte Berücksichtigung von Übersprechtermen bei Multiport-Szenarien Individuelle Ausnutzung der Freiheitsgrade bei Selbstkalibrierverfahren Voraussetzung, um kalibrierte Referenzebenen in synthetischen Testszenarien bereitzustellen

28 Die OKTOPUS Kalibrierumgebung Einfluss nichtidealer Kalibrierstandards vorhersagbar Rekalibrierung im Produktionstest Residuumsmathematik zur weiteren Minimierung von Messfehlern und der Ermittlung unbekannter Eigenschaften im Prüflingspfad Einfache Integration weiterer Kalibrierstrategien Für die neueste NWA-Generation sind in vielen Fällen noch keine ausgereiften Kalibriermethoden verfügbar (Mixed-Mode, X-Parameter, )

30 Lowcost 6.6 GHz S-Parameter Testset 1Tx, 1Rx, 2-DUT

33 Lowcost 6.6 GHz S-Parameter Testset 1Tx, 1Rx, 1-DUT Skalare Messung!

36 Lowcost 6.6 GHz S-Parameter Testset 1-8 GHz MSL-Directional Coupler Substratwahl, Meanderform Defect Ground Structure 1/ä = 10 db D = 30 db Fertigbare Strukturabmessungen

37 Lowcost 6.6 GHz S-Parameter Testset 1-8 GHz MSL-Directional Coupler Return Loss > 25 db Insertion Loss < 2 db

38 Lowcost 6.6 GHz S-Parameter Testset High Isolation GaAs Switch Terminal Module: CTRL- und PWR- Signal Conditioner NI PXI-7952R FlexRio FPGA DC 15 GHz Insertion Loss < 2 db Isolation > 40 db t rise, t fall < 3-5 ns

39 Lowcost 6.6 GHz S-Parameter Testset 1Tx, 1Rx, 1-DUT Vektorielle Streuparameter Messung mit einem Receiver!

40 Lowcost 6.6 GHz S-Parameter Testset DSP f RF

41 Lowcost 6.6 GHz S-Parameter Testset DSP Das Derivat 3. Ordnung erlaubt die Rekonstruktion der Trapez- und Rechteckfunktionen. Die Signaltrennung in Burst_a/b [t] ist möglich.

42 Lowcost 6.6 GHz S-Parameter Testset DSP Das Derivat 3. Ordnung erlaubt die Rekonstruktion der Trapez- und Rechteckfunktionen. Die Signaltrennung in Burst_a/b [t] ist möglich.

43 Lowcost 6.6 GHz S-Parameter Testset DSP

44 Lowcost 6.6 GHz S-Parameter Testset DSP

45 Lowcost 6.6 GHz S-Parameter Testset DSP Drei Möglichkeiten zur Gewinnung der Phaseninformation Direkte Auswertung im Zeitbereich Rekonstruktion der sinusoidalen Verläufe. Burst_a [t 1 ], Burst_b [t 2 ] Δ Spektrale Betrachtung von Burst_a/b [t]. Numerische Korrektur Digitale Quadratur Demodulation der Burst_a/b [t] Signale. Auswertung von Real- und Imaginärteil nach dig. Tiefpassfilterung. Numerische Korrektur

46 Lowcost 6.6 GHz S-Parameter Testset Genauigkeitslimitierende Einflüsse Basis-Instrumentierung (ΔA, Δf, Δ, Δt) Systemkalibrierung Elemente des linearen Fehlertermmodells werden im synthetisierten Lowcost NWA bestimmt Lineares Fehlertermmodell Zeitvarianz direkter Messfehler Downconversion MAG, PHASE Õ MAG, PHASE

47 Lowcost 6.6 GHz S-Parameter Testset Genauigkeitslimitierende Einflüsse Return Loss, SPDT-Isolation Beschränkung der Messgenauigkeit SPDT-Kaskade, Matching-Networks Insertion Loss, Endliche Coupler-Directivity Beschränkung der Messdynamik SPDT-Schaltvorgang folgt Trapez- statt Rechteckfunktion, Totzeit, t rise Õ t fall, T ON Õ T OFF Samplezeit Numerische Korrektur anpassen! Numeric Oscillator zeitliche Asynchronität direkter Phasenmessfehler

48 Zusammenfassung Zunehmende Synthetisierung der RF/mmWellen Messtechnik im Labor- und ATS-Umfeld Die OKTOPUS Testplattform bietet optimale Voraussetzungen zur Umsetzung zukunftssicherer Halbleiter Testsysteme, vergleichbar mit den NxTest ATS (Next Generation ATS) Der Einsatz von COT-SI (PXI, LXI) in Verbindung mit Konrad S-Parameter Testsets im Terminal Modul Formfaktor und der erarbeiteten Software- Kalibrierumgebung erlaubt die problemspezifische Realisierung synthethischer VNWAs. Das Testset ist eine generische Komponente.