§ 7.1. Многозондовый датчик для измерения комплексных сопротивлений

1. Методы измерений. Общие соображения.

При разработке и производстве модулей ОИС СВЧ возникает необходимость исследования электрических характеристик как модуля в целом, так и отдельных его элементов. Использование для таких исследований стандартной измерительной аппаратуры оказалось невозможным. Отсутствует также возможность измерения отдельных функциональных элементов устройства без разрушения самого устройства, а при измерении устройства в целом не удается реализовать требуемую точность измерений (по и фазе ) из-за сильных искажений в распределении электромагнитного поля, создаваемых переходами с микроминиатюрных линий передачи на стандартные коаксиальные и волноводные тракты [366].

В этой связи представляет интерес метод измерений комплексных сопротивлений СВЧ микросхем, позволяющий избежать коаксиально-полосковых переходов на НПЛ [367]. Однако этот метод имеет ряд серьезных недостатков, ограничивающих область его применения: узкую полосу рабочих частот и невысокую точность измерений, обусловленные невозможностью точного учета изменений электрических длин между измерительными зондами при изменении частоты сигнала, резонансным характером связи измерительного зонда и исследуемой линии, использованием традиционной для многозондовых систем осциллографической индикации, дающей хорошую наглядность, но невысокую точность отсчета результатов измерений, существенное искажение истинной картины электромагнитного поля в исследуемой линии широкими измерительными зондами, выполненными на НПЛ.

Известен также метод исследования структуры поля СВЧ микросхем с помощью фотоуправляемых полупроводниковых пластин [368]. Такой метод относится к неразрушающим, однако имеет существенный недостаток: необходимо иметь в исследуемых ЛП большие мощности (порядка сотен ватт), что для измерительной техники нецелесообразно.

Учитывая, однако, что в настоящий момент большинство научно-исследовательских организаций располагает значительным парком вполне современного и качественного измерительного оборудования и проводит успешные исследования по использованию его в комплексе с малыми ЭВМ [368, 369], цена которых постепенно снижается, выгодно использовать более перспективный многозондовый метод.

В данном параграфе рассматриваются зонды на СЩЛ, которые вполне отвечают требованиям электромагнитной совместимости с НПЛ. Использование СЩЛ в многозондовом методе позволяет при значительном упрощении конструкции измерительного датчика получить достаточно широкую полосу рабочих частот (более октавы) при одновременном увеличении точности измерений. Такой подход дает возможность при минимальных экономических затратах уже сейчас значительно повысить точность и комплексно автоматизировать многие виды измерений СВЧ схем.

Рис. 7.1. Датчик для измерения полных комплексных сопротивлений

Необходимо также отметить, что рассматриваемая конструкция измерительного датчика может быть использована в составе измерительного прибора со встроенным специализированным процессором, создание которого является одной из основных тенденций развития измерительной техники.

2. Конструкция измерительного датчика комплексных сопротивлений ИС СВЧ.

Основы датчика (рис. 7.1) составляют: диэлектрическая подложка на одной стороне которой расположен узкий проводник другой стороны подложки, в экранном слое 5, перпендикулярно НПЛ выполнены четыре измерительных зонда в виде закороченных с одной стороны СЩЛ на расстоянии равном 1/8 средней длины волны в НПЛ [370]. Измерительный

датчик изготавливается из материала той же толщины что и измеряемая СВЧ ИС. Подсоединение измеряемой ИС к датчику производится с помощью гальванических прижимов.

Особенности работы измерительного датчика состоят в следующем. Отрезок с одной стороны подключается к генератору СВЧ колебаний, а с другой — нагружается на измеряемую комплексную нагрузку, между которыми в НПЛ возникает стоячая волна.

В СЩЛ ответвляется небольшая часть мощности, распространяющейся по НПЛ. Поперечное магнитное поле НПЛ совпадает по направлению с магнитным полем СЩЛ, причем амплитуда сигнала, распространяющегося по СЩЛ, пропорциональна суммарной амплитуде падающей и отраженной от исследуемой нагрузки волны в соответствующей точке НПЛ. Коэффициент связи между НПЛ и СЩЛ зависит от расстояния между центром НПЛ и короткозамкнутым концом СЩЛ, а также от волнового сопротивления СЩЛ. Мощность волны, возбуждаемой в СЩЛ, через переключатели на -диодах 4—13 подается на общую квадратичную детекторную секцию 14.

Рис. 7.2. Частотная зависимость коэффициента связи от поперечных размеров сплошные кривые — расчет, точки — эксперимент

Расчет коэффициента связи СЩЛ с НПЛ осуществляется с помощью выражения (2.3.1), которое позволяет по заданному коэффициенту связи определить геометрию расположения зондов. На рис. 7.2 приведены экспериментальные и расчетные зависимости ширины СЩЛ от частоты и коэффициента связи. Видно, что при уменьшении поперечных размеров СЩЛ снижается частотная зависимость зонда, что указывает на возможность увеличения точности измерения в широком частотном диапазоне из-за локализации геометрии измерительного датчика практически в точку.

3. Метод измерения. Погрешности.

После квадратичного детектирования сигналов, снимаемых с зондов измерительного датчика (рис. 7.1) при условии стабилизации мощности СВЧ генератора, получаются напряжения, которые описываются следующими выражениями:

где модуль амплитуды и фаза коэффициента отражения,

расстояние между измерительными зондами, коэффициенты пропорциональности амплитуды волны в зависимости от напряжения в детекторе.

Допуская, что т. е. все четыре зонда и детекторы идентичны по всем параметрам, из (1) получаем

Решая систему уравнений относительно находим

По найденным определяются комплексное сопротивление и и нагрузки:

где комплексное сопротивление нагрузки, волновое сопротивление НПЛ, - коэффициент отражения нагрузки.

Однако высказанное выше допущение об идентичности всех параметров измерительных зондов и характеристик детекторов реализовать очень сложно. Если технологически выполнить четыре одинаковых зонда не представляет больших сложностей, то подобрать четыре детектора с одинаковыми характеристиками практически невозможно. Если даже перед измерением выровнять характеристики детекторов по чувствительности (например, с помощью входных потенциометров усилителей), то и в этом случае не удается добиться желаемых результатов из-за нестабильности характеристик детекторов во времени, различных частотных и вольт-амперных характеристик. Поэтому в измерительном датчике используется один детектор, который последовательно переключается с одного зонда на другой с помощью -канального переключателя на -диодах. При этом при подключении к детектору (например, зонда А) нужно подать напряжение смещения на -диоды. Аналогично происходит подключение к детектору других зондов (рис. 7.1).

Применение переключателя на -диодах позволяет существенно повысить точность измерений при незначительном усложнении конструкции. В простейшем случае переключатель представляет собой несколько -диодов, включенных на расстоянии 1/4 средней длины волны в СЩЛ.

При необходимости Получения большой развязки при минимальном числе -диодов может быть применен метод, предложенный в [371]. В основе проектирования лежат известные [372] расчеты полосового фильтра, который в состоянии «открыто» имел бы требуемый минимальный коэффициент отражения и малые потери, а в состоянии «закрыто» — необходимую развязку в заданной полосе пропускания.

Применение переключателя исключает проблему подбора идентичных по характеристикам детекторов, что существенно повышает точность датчика.

Анализ погрешностей метода проводился по формулам (3), (4) и (6); при этом конечное приращение заменялось полным дифференциалом. Для погрешности модуля коэффициента отражения

где погрешность определения волнового числа из-за неточности измерения частоты генератора погрешность в расстоянии между зондами, с — скорость света.

Первое слагаемое в формуле (7) определяет погрешность модуля коэффициента отражения, обусловленную конечной шириной зонда При всех выводах полагалось, что зонд бесконечно тонкий, а фактически он имеет конечную ширину Это ведет к ошибке в определении напряжения на зонде. Так, при выводе формулы (1) фигурирует напряжение, взятое в центре реальной щели, а при измерении получаем напряжение, равное среднему интегральному значению по ширине щели. Если то эта погрешность мала и ее можно не учитывать.

Частота генератора может быть определена только с какой-то погрешностью и это ведет к погрешности модуля коэффициента отражения, учитываемой вторым слагаемым формулы (7). При современных методах установления частоты она может быть определена с погрешностью, не превышающей ±0,05%. Для в диапазоне частот относительная погрешность в модуле коэффициента отражения не превышает 1% при

Третье слагаемое формулы (7) — это погрешность, обусловленная разным расстоянием между зондами Эта погрешность имеет технологический характер и при не превышает 3%.

Таким образом, определяющими в (7) являются второе и третье слагаемые, а их суммарная погрешность не превышает 4% в октавном диапазоне частот.

Помимо погрешностей, указанных в (7), имеются также следующие погрешности:

погрешность, обусловленная взаимным влиянием зопдов, определяется тем, что зонды, расположенные на расстоянии влияют друг на друга, но известно, что плотность тока СЩЛ резко спадает с расстоянием от края щели. Поэтому для случая взаимное влияние зондов практически незначительно и эту погрешность можно не учитывать;

погрешность из-за неидентичности зондов, которая намного меньше погрешностей, даваемых (7), но о которой необходимо знать, определяется следующими причинами. Во-первых, неодинаковым в силу технологической погрешности изготовления расстоянием между НПЛ и концами зондов. Во-вторых, технологической погрешностью в ширине зондов Это ведет к разным коэффициентам связи между НПЛ и зондами и, следовательно, к погрешности в модуле коэффициента отражения;

погрешность из-за переключателя на -диодах, которая определяется как неполной развязкой детектора и зондов в закрытом положении переключателя, так и разбросом в ослаблении сигнала, проходящего по зондам в открытом состоянии.

Поскольку датчик ориентирован на цифровую обработку сигнала, две последние погрешности в модуле коэффициента отражения могут быть легко определены при калибровке датчика и учтены при измерениях.

Для фазы и погрешность определяется следующими выражениями:

В диапазоне частот погрешность по фазе не превышает ±9° и Ксти 4% при

Таким образом, анализ теоретического значения погрешностей показывает высокую точность датчика в октавном диапазоне частот.

4. Экспериментальные исследования измерительного датчика.

Для определения влияния СЩЛ на НПЛ, коэффициента связи НПЛ и СЩЛ исследовался переключатель на -диодах, а также измерялись и фаза калиброванных нагрузок датчиком.

Эксперименты проводились в диапазоне частот на макете датчика, показанного на рис. 7.1. Сопротивление НПЛ и СЩЛ составляло 50 Ом. При измерениях использовался переход с СЩЛ на коаксиальный тракт, описанный в гл. 3 и которого в октавном диапазоне частот Макет датчика изготовлен из материала

При исследовании влияния СЩЛ на НПЛ было получено, что и фаза нагрузки при наличии СЩЛ и расстоянии между НПЛ и отличаются не более чем на 5% от значений фазы в отсутствие СЩЛ. При уменьшении связи, т. е. при увеличении расстояния влияние СЩЛ уменьшается.

Результаты исследования коэффициента связи НПЛ и СЩЛ от расстояния и ширины щели представлены на рис. 2.27 и 7.2. Видно, что экспериментальные данные хорошо согласуются с теоретическими значениями коэффициента связи. При этом ошибка не превосходит Зависимость коэффициента связи от частоты в октавном диапазоне частот практически отсутствует.

При исследовании переключателя было получено, что развязка между зондами составляет в октавном диапазоне частот. В результате измерений и фазы известных нагрузок датчиком было получено, что погрешность по КСти составляет меньше 4,7%, а по. фазе — меньше ±8,2°.

Теоретические значения погрешностей, определяемые согласно дают хорошую оценку экспериментальным погрешностям; при этом погрешность не превышает 5%.