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Die Erfindung betrifft ein Kalibriermodul mit integriertem Leistungsdetektor. Das Kalibriermodul dient insbesondere zur Kalibrierung eines Netzwerkanalysators.
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Systemfehler in der Messanordnung verfälschen die Charakterisierung von hochfrequenztechnischen Komponenten, Baugruppen und Systemen mithilfe eines vektoriellen Netzwerkanalysators. Im Rahmen einer Systemfehlerkalibrierung vor Durchführung der Messung werden die Systemfehler an den einzelnen Messtoren des vektoriellen Netzwerkanalysators durch sequentielles Verbinden des jeweiligen Messtores mit mehreren Kalibrierstandards, Anregen des jeweiligen Kalibrierstandards mit einem Anregungssignal und Messen des vom Kalibrierstandard reflektierten Signals ermittelt. Mit den ermittelten Systemfehlern werden die bei der Charakterisierung gemessenen Signale korrigiert.
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Neben der Systemfehlerkalibrierung ist für eine korrekte Darstellung der gemessenen Signale als nicht-normierte Signale eine Leistungskalibrierung jedes einzelnen Messtores des vektoriellen Netzwerkanalysators mithilfe eines Leistungsdetektors erforderlich.
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Aus der
DE 10 2005 018 073 A1 ist ein Kalibriermodul bekannt, mit dem jedes von mehreren Messtoren eines vektoriellen Netzwerkanalysators jeweils über Umschalter alternativ mit einem von mehreren Kalibrierstandards verbindbar ist. Das Kalibriermodul ist folglich nur für eine Systemfehlerkalibrierung geeignet. Eine zusätzliche Leistungskalibrierung der einzelnen Messtore des vektoriellen Netzwerkanalysators ist mit einem derartigen Kalibriermodul nicht möglich.
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Die
DE 10 2009 030 471 A1 betrifft einen Chuck zur Aufnahme und Halterung eines Testsubstrats mit einer Vorrichtung zur Aufnahme und Halterung eines Kalibriersubstrats. Der Chuck umfasst eine erste Aufnahmefläche zur Aufnahme eines Testsubstrats und eine zweite, zur ersten seitlich versetzte Aufnahmefläche zur Aufnahme eines Kalibriersubstrats. Das Kalibriersubstrat weist planare Kalibrierstandards zur Kalibrierung einer Messeinheit eines Probers auf und unterhalb des Kalibriersubstrats im Bereich der Kalibrierstandards ist dielektrisches Material oder Luft angeordnet. Um die tatsächlichen thermischen Verhältnisse am Testsubstrat und insbesondere auch an den bekannten sowie unbekannten Kalibrierstandards und damit den thermischen Einfluss auf das elektrische Verhalten der verwendeten Kalibrierstandards berücksichtigen zu können, wird vorgeschlagen, die zweite Aufnahmefläche mit Mitteln zur Temperierung des Kalibriersubstrats auszustatten.
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Die
DE 20 2008 013 687 U1 zeigt ein Kalibriersubstrat mit wenigstens einem Kalibrierstandard, welches zwei elektrische Anschlussstellen für jeweils ein Messtor eines Vektornetzwerkanalysators aufweist. Wenigstens eine elektrische Anschlussstelle von wenigstens einem Kalibrierstandard ist mit einem Schalter ausgebildet. Der Schalter weist einen ersten elektrischen Kontakt, welcher mit einer elektrischen Anschlussstelle des Kalibrierstandards elektrisch verbunden ist, einen zweiten elektrischen Kontakt, welcher zum elektrischen Verbinden mit einem Messtor des Vektornetzwerkanalysators ausgebildet ist, und einen dritten elektrischen Kontakt auf. Der Schalter ist derart ausgebildet, dass bei freiem, elektrisch mit nichts verbundenem zweiten elektrischen Kontakt der Schalter eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten und dritten elektrischen Kontakt herstellt.
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Die Messvorrichtung der WO 2011/ 110 255 A2 dient zur Erfassung eines Messsignals ausgehend von einer auf einem Wafer aufgebrachten Schaltungsstruktur. Die Messvorrichtung weist zumindest eine Messspitze und zumindest einen Messwandler auf. Der zumindest eine Messwandler ist mit der zumindest einen Messspitze elektrisch leitend verbunden. Der Messwandler ist dabei an der Messspitze angeordnet.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Kalibriermodul derart weiterzuentwickeln, dass neben einer Systemfehlerkalibrierung auch eine Leistungskalibrierung möglich ist.
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Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Kalibriermodul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte technische Erweiterungen sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen aufgeführt.
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Erfindungsgemäß ist das Kalibriermodul auf einem Substrat realisiert und enthält mindestens einen Hochfrequenzanschluss, der jeweils mit zumindest einem Kalibrierstandard oder einem Leistungsdetektor über eine Schalteinrichtung verbindbar ist. Der mindestens eine Hochfrequenzanschluss, die zugehörige Schalteinrichtung, die zugehörigen Kalibrierstandards und der zugehörige Leistungsdetektor sind erfindungsgemäß auf demselben Substrat angeordnet.
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Um den Leistungsdetektor alternativ als breitbandigen, angepassten Kalibrierstandard zu verwenden und damit einen Kalibrierstandard einzusparen oder einen Kalibrierstandard zur Verifikation der Kalibrierung zu verwenden, weist der Leistungsdetektor bevorzugt eine angepasste Eingangsimpedanz auf.
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Der Leistungsdetektor ist hierbei in einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auf einem Teilbereich des Substrats des Kalibriermoduls aufgebaut. Hierzu werden auf der Oberseite des Teilbereiches des Substrats die für einen Leistungsdetektor erforderlichen Elemente als Schichten bevorzugt mittels Dünnschichttechnologie aufgebracht. Auf der Unterseite des Teilbereiches des Substrats, in dem der Leistungsdetektor realisiert wird, ist bevorzugt eine Ausnehmung vorgesehen, die gegenüber dem Substrat eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist und damit einen nachteiligen Abfluss von Wärme aus dem Leistungsdetektor verhindert.
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In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird für den Leistungsdetektor eine Membran verwendet, die mit einer geeigneten Verbindungstechnologie - beispielsweise mittels Kleben - mit dem Substrat des Kalibriermoduls in Verbindung gebracht wird. Auf der Oberseite der Membran, die typischerweise dünnwandig ist, werden die für einen Leistungsdetektor erforderlichen Elemente als Schichten bevorzugt mittels Dünnschichttechnologie aufgebracht. Die Unterseite der Membran, auf der der Leistungsdetektor realisiert ist, ist bevorzugt mit mindestens einem Stützelement verbunden, um einen Hohlraum unterhalb der Membran zu realisieren, der bevorzugt mit Luft gefüllt ist. Da die Wärmeleitfähigkeit von Luft deutlich geringer gegenüber der Wärmeleitfähigkeit des Wirkstoffs der Membran ist, wird damit ein Abfluss von Wärme aus dem Leistungsdetektor verhindert.
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Zwischen der Schalteinrichtung und dem Leistungsdetektor ist bevorzugt ein Entkopplungskondensator als Teil eines Gleichspannungs- und Hochfrequenz-Entkopplungsnetzwerkes - so genanntes bias-tee - vorgesehen, um einzig das an der Schalteinrichtung anliegende Hochfrequenzsignal dem Leistungsdetektor zuzuführen. Eine Weiterleitung der an einer Spule des Gleichspannungs- und Hochfrequenz-Entkopplungsnetzwerkes anliegenden Gleichspannung, die den Leistungsdetektor über die Schalteinrichtung mit dem Hochfrequenzanschluss des Kalibriermoduls verbindet, an den Leistungsdetektor wird somit unterbunden. Um eine Verbindung zwischen dem auf einer Membran realisierten Leistungsdetektor und einer mit dem Entkopplungskondensator verbundenen Hochfrequenzleitung auf einem gleichen Niveau zu realisieren, ist im Substrat des Kalibriermoduls bevorzugt eine Ausnehmung vorgesehen, die den auf der Membran realisierten Leistungsdetektor zusammen mit dem Stützelement aufnimmt. Die Tiefe der Ausnehmung entspricht dabei der Höhe des Leistungsdetektors zuzüglich der Höhe des Stützelements.
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Die Ausnehmung kann zusätzlich vom Bereich, der die Membran mit dem Leistungsdetektor aufnimmt, bevorzugt bis zum nächstliegenden Anschluss des EntkopplungsKondensators verlängert werden. Im Bereich der Verlängerung ist die Ausnehmung z.B. mit einer Klebmasse aufgefüllt und trägt auf der Oberseite die Hochfrequenzleitung.
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Der Leistungsdetektor ist bevorzugt über eine weitere Hochfrequenzleitung mit einem ebenfalls auf dem Substrat des Kalibriermoduls aufgebrachten Analog-Digital-Wandler verbunden, der eine Analog-Digital-Wandelung des vom Leistungsdetektor gelieferten Leistungspegels des dem Leistungsdetektor zugeführten Hochfrequenzsignals durchführt.
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Die Hochfrequenzleitung vom Entkopplung-Kondensator zum Leistungsdetektor ist in Richtung des Leistungsdetektors bevorzugt konisch ausgeführt, um eine Impedanzanpassung zu erzielen.
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Der analog gewandelte Leistungspegel des dem Kalibriermodul zugeführten Hochfrequenzsignals wird über eine weitere Hochfrequenzleitung an Anschlüsse einer Datenschnittstelle, bevorzugt einer Universal-Serial-Bus(USB)-Datenschnittstelle, geführt, die ebenfalls auf dem Substrat aufgebracht sind.
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Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kalibriermoduls werden im Folgenden anhand der Zeichnung im Detail beispielhaft erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen:
- 1 ein Schaltdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kalibriermoduls,
- 2A eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer Anordnung eines Leistungsdetektors in dem erfindungsgemäßes Kalibriermodul,
- 2B eine Draufsicht der ersten Ausführungsform einer Anordnung des Leistungsdetektors in dem erfindungsgemäßen Kalibriermodul,
- 3A eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer Anordnung eines Leistungsdetektors in dem erfindungsgemäßen Kalibriermodul und
- 3B eine Draufsicht der zweiten Ausführungsform der Anordnung des Leistungsdetektors in dem erfindungsgemäßen Kalibriermodul.
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Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Kalibriermodul 1 anhand von 1 im Detail erläutert. Das gesamte Kalibriermodul 1 ist auf einem Substrat 2 - bevorzugt aus einem keramischen Material realisiert. Das Kalibriermodul weist bevorzugt vier Hochfrequenzanschlüsse 31 , 32 , 33 und 34 auf, die mit jeweils einem Messtor eines in 1 nicht dargestellten vektoriellen Netzwerkanalysators über jeweils eine Hochfrequenzleitung verbunden sind. Somit kann jeweils ein Messtor des vektoriellen Netzwerkanalysators sequenziell mit einem von mehreren Kalibrierstandards oder dem Leistungsdetektor, die sich auf dem Kalibriermodul 1 befinden, verbunden werden. Alternativ werden jeweils zwei Messtore des vektoriellen Netzwerkanalysators mittels einer Durchverbindung über das Kalibriermodul 1 verbunden.
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Die Tatsache, dass das Kalibriermodul 1 in 1 vier Hochfrequenzanschlüsse 31 , 32 , 33 und 34 aufweist, ist nur beispielhaft. Von der Erfindung ist auch eine andere Anzahl von Hochfrequenzanschlüssen im Kalibriermodul 1 mit abgedeckt.
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Jedes dieser Hochfrequenzanschlüsse 31 , 32 , 33 und 34 ist über jeweils einen Entkopplungskondensator 41 , 42 , 43 und 44 mit einer zugeordneten Schalteinrichtung 51 , 52 , 53 und 54 verbunden. Diese Schalteinrichtung 51 , 52 , 53 und 54 weist im Ausführungsbeispiel jeweils einen Eingang und jeweils sechs Ausgänge - so genannter Single-Pole-6-Through(SP6T)-Schalter - auf.
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Jeweils drei Ausgänge jeder SP6T-Schalteinrichtung 51 , 52 , 53 und 54 sind jeweils mit einem Ausgang einer der anderen drei SP6T-Schalteinrichtungen über einen Entkopplungskondensator 61 , 62 , 63 , 64 , 65 und 66 verbunden.
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Über die Entkopplungskondensatoren 61 , 62 , 63 , 64 , 65 und 66 lässt sich jeweils eine Durchverbindung zwischen zwei Hochfrequenzanschlüssen 31 , 32 , 33 und 34 realisieren. Die Ansteuerung der Durchverbindung über den jeweiligen Entkopplungskondensator 61 , 62 , 63 , 64 , 65 und 66 erfolgt über eine als Gleichspannung ausgelegte Ansteuerspannung an einem Anschluss einer Spule 71 , 72 , 73 , 74 , 75 , 76 , 77 , 78 , 79 , 710 und 711 , die jeweils eingangs- und ausgangsseitig zum Entkopplungskondensator 61 , 62 , 63 , 64 , 65 und 66 angeordnet sind. Die Entkopplungskondensatoren 61 , 62 , 63 , 64 , 65 und 66 und die jeweils eingangs- und ausgangsseitig angeordneten Spulen 71 , 72 , 73 , 74 , 75 , 76 , 77 , 78 , 79 , 710 und 711 bilden jeweils ein Gleichspannungs-Hochfrequenz-Entkopplungsnetzwerk (so genanntes bias-tee).
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Ein vierter Ausgang jeder SP6T-Schalteinrichtung 51 , 52 , 53 und 54 ist mit jeweils einem als offenen Anschluss (Open) realisierten Kalibrierstandard 231 ,232 ,233 und 234 verbunden, während ein fünfter Ausgang jeder SP6T-Schalteinrichtung 51 , 52 , 53 und 54 mit jeweils einem als Kurzschluss (Short) realisierten Kalibrierstandard 241 , 242 , 243 und 244 verbunden ist. Der als offener Anschlüsse realisierte Kalibrierstandard bzw. der als Kurzschluss realisierte Kalibrierstandard wird an die jeweilige SP6T-Schalteinrichtung 51 , 52 , 53 und 54 über eine im Gleichspannungspfad eines zugeordneten Gleichspannungs-Hochfrequenz-Entkopplungsnetzwerkes angelegte und als Gleichspannung ausgelegte Ansteuerspannung geschaltet. Die jeweiligen Gleichspannungs-Hochfrequenz-Entkopplungsnetzwerke bestehen jeweils aus einem Entkopplungskondensator 67 , 68 , 69 , 610 , 611 , 612 , 613 und 614 sowie jeweils einer Spule 712 , 713 , 714 , 715 , 716 , 717 , 718 und 719 .
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Während am sechsten Ausgang der zweiten, dritten und vierten SP6T-Schalteinrichtung 52 , 53 und 54 über jeweils ein weiteres Gleichspannungs-Hochfrequenz-Entkopplungsnetzwerk bestehend aus jeweils einem Entkopplungskondensator 616 , 617 und 618 und jeweils einer Spule 720 , 721 und 722 jeweils ein als breitbandige angepasste Impedanz (Match) realisierter Kalibrierstandard 81 , 82 und 83 angeschlossen ist, ist am sechsten Ausgang der ersten SP6T-Schalteinrichtung 51 über ein Gleichspannungs-Hochfrequenz-Entkopplungsnetzwerk bestehend aus jeweils einem Entkopplungskondensator 620 und jeweils einer Spule 723 ein Leistungsdetektor 9 angeschlossen.
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Der vom Leistungsdetektor 9 ermittelte Leistungspegel des dem Leistungsdetektor 9 zugeführten Hochfrequenzsignals wird in einem über eine Hochfrequenzleitung dem Leistungsdetektor 9 nachgeschalteten Analog-Digital-Wandler 10 in ein korrespondierendes Digitalwort gewandelt. Das vom Analog-Digital-Wandler 10 erzeugte Datenwort wird über entsprechende einzelne Hochfrequenzleitungen an Anschlüsse 11 einer Datenschnittstelle - bevorzugt einer Universal-Serial-Bus(USB)-Datenschnittstelle - geführt, wo sie über ein entsprechendes Datenkabel - beispielsweise ein USB-Kabel - an den vektoriellen Netzwerkanalysator oder an ein anderes Messgerät zur Messauswertung übertragen werden.
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Der Leistungsdetektor 9 ist in 1 nur beispielhaft über die zugehörige SP6T-Schalteinrichtung 51 mit dem ersten Hochfrequenzanschluss 31 verbunden. Selbstverständlich kann der Leistungsdetektor 9 auch mit einem anderen der drei Hochfrequenzanschlüsse 32 , 33 und 34 verbunden sein. Aus Kostengründen ist aber bevorzugt nur ein Hochfrequenzanschluss mit einem Leistungsdetektor 9 verbunden.
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Für die Leistungskalibrierung eines Messtores des vektoriellen Netzwerkanalysators, das aktuell nicht mit dem Leistungsdetektor 9 verbunden ist, ergeben sich zwei Varianten zur Leistungskalibrierung:
- In einer ersten Variante zur Leistungskalibrierung wird das jeweils hinsichtlich seines Leistungspegels zu kalibrierende Messtor mittels Umstecken der Hochfrequenzmessleitung mit dem Hochfrequenzanschluss des Kalibriermoduls 1 verbunden, das intern über eine zugehörige SP6T-Schalteinrichtung mit dem Leistungsdetektor 9 verbunden ist.
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In einer zweiten Variante zur Leistungskalibrierung wird das hinsichtlich seines Leistungspegels zu kalibrierende Messtor des vektoriellen Netzwerkanalysators über einen Hochfrequenzanschluss des Kalibriermoduls 1 mit dem Hochfrequenzanschluss des Kalibriermoduls 1 verbunden, der über seine zugeordnete SP6T-Schalteinrichtung mit dem Leistungsdetektor 9 in Verbindung steht. Die Leistungskalibrierung erfolgt auf der Basis des vom Leistungsdetektor gemessenen Leistungspegels des Anregungssignals und des am hinsichtlich seines Leistungspegels zu kalibrierenden Messtor empfangenen und gemessenen Anregungssignals.
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Der Leistungsdetektor 9 kann nicht nur zur Leistungskalibrierung, sondern auch zur Systemfehlerkalibrierung eingesetzt werden. Falls der Leistungsdetektor 9 hierzu eine angepasste Eingangsimpedanz von bevorzugt 50 Ω aufweist, kann er als angepasster und breitbandiger Kalibrierstandard benutzt werden. Ein weiterer breitbandiger Kalibrierstandard kann somit für die Verifikation der Kalibrierung zur Verfügung stehen.
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In einer ersten Ausführungsform der Anordnung des Leistungsdetektors 9 in dem Kalibriermodul 1 gemäß den 2A und 2B ist der Leistungsdetektor 9 in einem Teilbereich 12 des Substrats 2 angeordnet. Hierzu werden mittels Masken-, Belichtungs- und Ätz-Prozessschritten, auf die im Detail an dieser Stelle nicht eingegangen wird, die für den Leistungsdetektor erforderlichen Schichten 13 auf dem Substrat 2 aufgebracht.
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Eine Kontaktierung zwischen der Hochfrequenzleitung 14, die eine Verbindung zwischen dem Entkopplungskondensator 620 und dem Leistungsdetektor 9 realisiert, und den Schichten 13 des Leistungsdetektors 9 und zwischen der Leitung 15, die eine Verbindung zwischen den Schichten 13 des Leistungsdetektors 9 und dem Analog-Digital-Wandler 10 realisiert, wird über hochfrequenztechnisch geeignete Kontaktierungstechniken hergestellt.
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Im Teilbereich 12 des Substrats 2 ist eine Ausnehmung 22 vorgesehen. Die in der Ausnehmung 22 befindliche Luft weist gegenüber dem als dünne Schicht realisierten Substrat 2 eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit auf und verhindert somit ein Entweichen der im Leistungsdetektor 9 befindlichen Wärme.
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In einer zweiten Ausführungsform der Anordnung des Leistungsdetektors 9 auf dem Kalibriermodul 1 gemäß den 3A und 3B ist der Leistungsdetektor auf einer dünnen Membran 15, bevorzugt aus einem Halbleitermaterial wie Silizium oder Siliziumoxid, aufgebracht.
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Die Membran 16 besteht aus einer dünnen Schicht 17, die auf ihrer Unterseite auf mindestens einem Stützelement 18 gestützt ist. Das Stützelement 18 kann z.B. ein unterhalb der Ecken der dünnen Schicht 17 jeweils angebrachter Stützfuß oder ein unterhalb der vier Ränder der dünnen Schicht 17 angebrachter Stützrahmen oder ein unterhalb von zwei Rändern der dünnen Schicht 17 jeweils angebrachter Stützsteg oder jede andere Ausformung zur Stützung der dünnen Schicht 17 der Membran sein. Durch die Stützung der dünnen Schicht 17 mittels mindestens eines Stützelements 18 entsteht unterhalb der dünnen Schicht 17 eine Ausnehmung 19. Auf der Oberseite der Membran 16 sind die für den Leistungsdetektor erforderlichen einzelnen Schichten 13 bevorzugt mittels Dünnschichttechnologie aufgebracht.
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Um eine elektrische Verbindung zwischen der Hochfrequenzleitung 14 und den einzelnen Schichten 13 des Leistungsdetektors 9 und den einzelnen Schichten 13 des Leistungsdetektors 9 und der Leitung 15 auf einem gleichen Niveau zu realisieren, ist im Substrat 2 eine Ausnehmung 20 vorgesehen, deren Tiefe der Höhe der dünnen Schicht 17 zuzüglich der Höhe des Stützelementes 18 in etwa entspricht.
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Im Bereich der Ausnehmung 19 der Membran 16 ist die Ausnehmung 20 des Substrats 2 mit Luft gefüllt, das gegenüber dem Substrat 2 eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist und somit ein Entweichen der Wärme aus dem Leistungsdetektor 9 über die Luft unterbindet.
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Die Ausnehmung 20 des Substrats 2 ist im Ausführungsbeispiel zusätzlich bis zum nächstliegenden Kontakt des Entkopplungskondensators 620 verlängert. Die Ausnehmung 20 ist in diesem Bereich mit einer Klebmasse 21 gefüllt, die die Hochfrequenzleitung 13 trägt.
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Die Hochfrequenzleitung 13 ist in Richtung des Leistungsdetektors 9 bevorzugt konisch, d.h. sich verengend, ausgeführt, um eine Anpassung des Wellenwiderstands der Leitung an den Wellenwiderstand des Leistungsdetektors 9 und damit eine korrekte Leistungspegelmessung des Hochfrequenzsignals zu erzielen.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen und Varianten beschränkt. Von der Erfindung sind insbesondere alle Kombinationen aller in den einzelnen Patentansprüchen jeweils beanspruchten Merkmale, aller in der Beschreibung jeweils offenbarten Merkmale und aller in den einzelnen Figuren der Zeichnung jeweils dargestellten Merkmale mit abgedeckt.
