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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Messsonde, insbesondere für
ein kontaktloses Vektornetzwerkanalysesystem, mit einem Gehäuse
und wenigstens einer am Gehäuse angeordneten Koppelstruktur,
welche zum Auskoppeln eines HF-Signals aus einer Signalleitung ausgebildet
ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die
Verwendung von kontaktlosen Schleifen-Messsonden zum Detektieren
von Störemissionen ist speziell in dem Bereich der elektromagnetischen
Verträglichkeit (EMV) beispielsweise aus
H. Whiteside,
R. W. P. King," The loop antenna as a probe," IEEE Transaction an
Antenna and Propagation, Band 12, Nr. 3, S. 291–297, Mai
1964;
M. Kanda, "An electromagnetic near-field
sensor for simultaneous electric and magnetic-field measurements,"
IEEE Transaction an Electromagnetic Compatibility, Band 26, Nr.
3, S. 102–110, August 1984 oder
M. E.
G. Upton, A. C. Marvin, "Improvements to an electromagnetic near-field
sensor for simultaneous electric and magnetic field measurements,"
IEEE Transaction an Electromagnetic compatibility, Band 35, Nr.
1, S. 96–98, Februar 1993 bekannt.
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Weiterhin
ist es beispielsweise aus K. W. Wagner, "Induktionswirkung
von Wanderwellen in Nachbarleitungen," Elektrotechnische Zeitschrift, Band
35, S. 639–643; 677–680; 705–708, 1914; P.
P. Lombardini, R. F. Schwartz, P. J. Kelly, "Criteria for the design
of loop-type directional couplers for the L band," IEEE Transaction
an Microwave Theory and Techniques, Band 4, Nr. 4, S. 234–239,
Oktober 1956; B. Maher," An 1-band loop-type coupler,
"IEEE Transactions an Microwave Theory and Techniques", Band 9,
Nr. 4, S. 362–363, Juli 1961; F. De Groote,
J. Verspecht, C. Tsironis, D. Barataud and J.-P. Teyssier, "An improved
coupling method for time domain load-pull measurements" European
Microwave Conference, Band 1, S. 4ff, Oktober 2005 oder K.
Yhland, J. Stenarson, "Noncontacting measurement of power in microstrip
circuits," in 65th ARFTG, S. 201–205, Juni 2006,
bekannt, Schleifensonden bei der Realisierung von Richtkopplern
zu verwenden. Ein Richtkoppler ist ein Viertor, welcher in der Regel
aus zwei miteinander verkoppelten Leitungen besteht. Der Richtkoppler
hat die Aufgabe, die auf einer Leitung hin- und rücklaufenden
Wellen zu trennen.
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Statt
Schleifensonden werden in der EMV-Technik und für die Charakterisierung
von elektrischen Bauteilen auch rein induktive oder kapazitive Sonden
verwendet, wie beispielsweise aus T. Zelder, H. Eul, "Contactless
network analysis with improved dynamic range using diversity calibration,"
Proceedings of the 36th European Microwave Conference, Manchester,
UK, S. 478–481, September 2006; T. Zelder,
H. Rabe, H. Eul, "Contactless electromagnetic measuring system using
conventional calibration algorithms to determine scattering parameters,"
Advances in Radio Science-Kleinheubacher Berichte 2006, Band 5,
2007; T. Zelder, I. Rolfes, H. Eul, "Contactless
vector network analysis using diversity calibration with capacitive
and inductive coupled grobes," Advances in Radio Science-Kleinheubacher
Berichte 2006, Band 5, 2007 oder J. Stenarson,
K. Yhland, C. Wingqvist, "An in-circuit noncontacting measurement method
for S-parameters and power in planar circuits," IEEE Transactions
an Microwave Theory and Techniques, Band 49, Nr. 12, S. 2567–2572,
Dezember 2001, bekannt.
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Eine
mögliche Koppelstruktur zur Trennung der hin- und rücklaufenden
Wellen ist der Schleifenrichtkoppler, welchen
P. P. Lombardini,
R. F. Schwartz, P. J. Kelly, "Criteria for the design of loop-type
directional couplers for the L band" IEEE Transaction an Microwave
Theory and Techniques, Band 4, Nr. 4, S. 234–239, Oktober
1956 und
B. Maher, "An 1-band loop-type coupler"
IEEE Transactions an Microwave Theory and Techniques, Band 9, Nr.
4, S. 362–363, Juli 1961 beschreiben. Ein Schleifenrichtkoppler
besteht aus einer Leiterschleife, welche über oder in einem
Wellenleiter positioniert wird. Dabei können beliebige
Wellenleiter wie Hohlleitungen, planare Streifenleitungen oder Koaxialleitungen verwendet
werden. Die Anwendung eines Schleifenrichtkopplers ist vielfältig.
Zum Beispiel verwendeten
F. De Groote et al. im Jahr 2005
(a. a. O.) und
Yhland et al. 2006 (a. a. O.) einen
Schleifenrichtkoppler als Komponente in einem kontaktlosen Messsystem.
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Die
Bestimmung von Streuparametern von innerhalb einer komplexen Schaltung
eingebetteten elektrischen Bauteilen ist mittels der kontaktlosen Vektornetzwerkanalyse
möglich. Dies ist beispielsweise beschrieben in T.
Zelder, B. Geck, M. Wollitzer, I. Rolfes, and H. Eul, "Contactless
network analysis system for the calibrated measurement of the scattering
parameters of planar two-port devices" Proceedings of the 37th European
Microwave Conference, München, Deutschland, S. 246–249,
Oktober 2007. Im Vergleich zum herkömmlichen kontaktbehafteten Netzwerkanalyseverfahren
werden die internen Richtkoppler eines Netzwerkanalysators durch
kontaktlose Nahfeldmesssonden ersetzt, die direkt mit den vektoriellen
Messstellen des Analysators verbunden sind.
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Zur
Bestimmung der Streuparameter eines Testobjektes (DUT) mit einem
kontaktlosen, meist vektoriellen Messsystem werden induktive und/oder kapazitive
Koppelstrukturen verwendet. Die Messsonden werden im elektromagnetischen
Nahfeld über den Signalleitungen des Messobjektes positioniert.
Mittels dieser Koppelstrukturen werden entweder der Strom und/oder
die Spannung einer Signalleitung, welche direkt mit dem Testobjekt
verbunden ist, bestimmt. Alternativ werden auch die hin- und rücklaufenden
Wellen auf der Signalleitung gemessen, wobei dann Richtkoppler,
insbesondere Schleifenrichtkoppler, als Koppelstrukturen zur Trennung
der beiden Wellen verwendet werden. Um die Streuparameter zu messen,
werden herkömmliche Kalibrierverfahren, wie beispielsweise
TRL (G. F. Engen and C. A. Hoer, "Thru-reflect-line: An
improved technique for calibrating the dual six-port automatic network analyzer,"
IEEE Transaction an Microwave Theory and Techniques, Band 12, S.
987–993, Dezember 1979), wie bei der kontaktbehafteten
Netzwerkanalyse verwendet.
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Bei
der kontaktlosen Vektometzwerkanalyse wird für jedes Messtor
eines unbekannten Testobjektes (DUT) mindestens eine Messsonde,
beispielsweise eine Leiterschleife oder zwei kapazitive Sonden, benötigt.
Beispielsweise werden kontaktlose Leiterschleifen, die aus koaxialen
Semi-Rigid-Leitungen hergestellt sind, verwendet (vgl. F.
De Groote, J. Verspecht, C. Tsironis, D. Barataud and J.-P. Teyssier, "An
improved coupling method for time domain load-pull measurements",
European Microwave Conference, Band. 1, S. 4 ff, Oktober 2005 und K.
Yhland, J. Stenarson, "Noncontacting measurement of power in microstrip
circuits", in 65th ARFTG, S. 201–205, Juni, 2006.
Alternativ werden ausschließlich kapazitive Sonden in den
kontaktlosen Messsystemen eingesetzt (vgl. T. Zelder, H.
Eul, "Contactless network analysis with improved dynamic range using
diversity calibration", Proceedings of the 36th European Microwave
Conference, Manchester, UK, S. 478-481, September 2006 und T.
Zelder, H. Rabe, H. Eul, "Contactless electromagnetic measuring
system using conventional calibration algorithms to determine scattering
parameters", Advances in Radio Science-Kleinheubacher Berichte 2006,
Band 5, 2007. Die Messsysteme in T. Zelder, I.
Rolfes, H. Eul, "Contactless vector network analysis using diversity
calibration with capacitive and inductive coupled grobes", Advances
in Radio Science-Kleinheubacher Berichte 2006, Band 5, 2007 und J.
Stenarson, K. Yhland, C. Wingqvist, "An in-circuit noncontacting
measurement method for S-parameters and power in planar circuits",
IEEE Transactions an Microwave Theory and Techniques, Band 49, Nr.
12, S. 2567–2572, Dezember, 2001, wurden mit einer
Kombination aus kapazitiven und induktiven Sonden realisiert. Die
Besonderheit der Sonden in T. Zelder et al. (a. a. O.) ist,
dass sie zusammen mit der Signalleitung auf demselben Substrat hergestellt
sind.
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Obwohl
die kontaktlose Vektornetzwerkanalyse das Potenzial hat, kontaktlos
Bauteile zu charakterisieren, wurde bislang keine kontaktlose Streuparametermessung
von innerhalb einer Schaltung eingebetteten HF- und Mikrowellenkomponenten
durchgeführt. Bisher wurden die Positionen der kontaktlosen
Sonden während und nach der Kalibrierung nicht verändert,
welches jedoch notwendig ist, wenn innerhalb einer Schaltung gemessen
werden soll. Unter der Verwendung einer pseudo-kontaktlosen Messung,
wurden in T. Zelder, B. Geck, M. Wollitzer, I. Rolfes, and
H. Eul, "Contactless network analysis system for the calibrated
measurement of the scattering parameters of planar two-port devices",
Proceedings of the 37th European Microwave Conference, München,
Deutschland, S. 246–249, Oktober 2007 unbekannte,
eingebettete Zweitore charakterisiert. Eine pseudo-kontaktlose Messung
bedeutet dabei, dass statt vollständig kontaktlosen Sonden
gedruckte Koppelstrukturen verwendet werden.
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Für
die kontaktlose Bestimmung komplexwertiger Streuparameter eines
Zweitores sind zwei kontaktlose Schleifensonden mit jeweils zwei
Messstellen eines vektoriellen Netzwerkanalysators verbunden. Die
Sonden sind zur Charakterisierung eines zwischen mehreren Bauelementen
eingebettetes DUTs (Devide Under Test) beidseitig im Nahfeld der
Zuleitungen des DUTs positioniert. Zur Bestimmung der Streuparameter
werden die hin- und rücklaufenden Wellen des DUTs in zwei
verschiedenen Zuständen gemessen. Um zwei verschiedene
Zustände zu erzeugen, besitzt ein Netzwerkanalysator einen
Umschalter, so dass das Signal einmal von links oder von rechts
in die Schaltung gegeben werden kann. Werden für beide
Schalterstellungen die hin- und rücklaufenden Wellen gemessen,
dann können daraus die vollständigen Zweitor-Streuparameter
eines eingebetteten DUTs bestimmt werden. Jedoch existieren bei
der kontaktlosen Bestimmung der Streuparameter Fälle, bei
denen eine Bestimmung der vollständigen Streuparameter
nicht möglich ist. Zwei Fälle werden im Folgenden
erläutert.
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Fall
1: Ist beispielsweise das letzte Zweitor (34 in 3 zwischen 44 und 46)
in der Schaltung, in der das DUT eingebettet ist, ein Verstärker
der nur in Vorwärtsrichtung (Schalterstellung I, vgl. 3)
betrieben werden kann (in der anderen Richtung besitzt er einen
sehr hohen Eingangswiderstand) und sind die beiden Ausgänge
des Schalters 54, wie bisher bei der kontaktlosen Vektornetzwerkanalyse üblich
ist, statt wie in 3 mit der planaren Leitung 16 an
den Positionen 36 bzw. 46 miteinander verbunden,
dann ergeben sich nur für die Schalterstellung I auswertbare
Ergebnisse.
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Für
die Schalterstellung II wird nahezu die gesamte Leistung durch den
verkehrt betriebenen Verstärker zum Generator zurück
reflektiert und das Messsignal an den Messstellen der kontaktlosen Schleifensonden
verschwindet im Rauschen.
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Fall
2: Ist die Dämpfung der Zweitore in der Schaltung links
und rechts vom DUT zu hoch, dann ist der Dynamikbereich für
eine genaue Messung zu gering.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messsonde der o. g. Art
hinsichtlich der Messgenauigkeit und des Anwendungsspektrums zu
verbessern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Messsonde
der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen
beschrieben.
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Bei
einer Messsonde der o. g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen,
dass an dem Gehäuse zusätzlich wenigstens eine
Signalsonde zum Einkoppeln eines elektrischen Signals in die Signalleitung angeordnet
ist.
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Dies
hat den Vorteil, dass das über ein DUT geführte
Signal für die Durchführung von Messungen nicht über
alle Bauelemente der Schaltung, in welches das DUT eingebettet ist,
hinweg zum DUT geleitet werden muss, sondern statt dessen das Signal direkt
vor bzw. nach dem DUT mit einer Messspitze (Probe) eingespeist wird.
Hierdurch können DUTs unabhängig von den weiteren,
in der Schaltung vorhandenen Bauteilen vollständig hinsichtlich
ihrer Streuparameter vermessen werden.
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Zweckmäßigerweise
ist die Signalsonde als kontaktlose Leiterschleife oder als eine
die Signalleitung elektrisch und mechanisch kontaktierende Messspitze
ausgebildet, wobei die Messspitze derart angeordnet und ausgebildet
ist, dass sich die Koppelstruktur wenigstens im Nahfeld der Signalleitung
befindet oder die Signalleitung elektrisch und mechanisch kontaktiert,
wenn die Messspitze die Signalleitung elektrisch und mechanisch
kontaktiert.
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Zweckmäßigerweise
ist die kontaktlose Signalsonde als rein induktive, rein kapazitive
oder kombiniert induktive und kapazitive Sonde ausgebildet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist die Koppelstruktur
als kontaktlose Leiterschleife oder als die Signalleitung elektrisch
und mechanisch kontaktierende Messspitze ausgebildet.
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Zweckmäßigerweise
ist die kontaktlose Koppelstruktur als rein induktive, rein kapazitive
oder kombiniert induktive und kapazitive Sonde ausgebildet.
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Zweckmäßigerweise
sind ein Massekontakt der Koppelstruktur und der Signalsonde elektrisch miteinander
verbunden.
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Dadurch,
dass die Koppelstruktur impedanzkontrolliert ist, wird eine hohe
Richtdämpfung sowie eine hohe Eingangsimpedanz erzielt
und werden weniger Mantelwellen erzeugt, wobei die Messsonde dadurch
auch analytisch besser beschreibbar und die Grenzfrequenz höher
ist als bei nicht impedanzkontrollierten Messsonden.
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Zur
Verbesserung der Signalqualität ist in einem Eingangspfad
der Signalsonde und/oder in einem Ausgangspfad der Koppelstruktur
ein elektrischer Signalverstärker angeordnet.
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Zum
Einstellen eines Arbeitspunktes des Verstärkers sind/ist
die Signalsonde und/oder die Koppelstruktur mit einer Gleichspannung
beaufschlagt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse
aus einem metallischen Werkstoff, einem Absorberwerkstoff und/oder
aus einem Kunststoff hergestellt.
-
Zweckmäßigerweise
ist das Gehäuse mit einem Absorberwerkstoff ummantelt.
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Zum
abstandskontrollierten Anordnen der Messsonde nahe bzw. in elektrischem
und mechanischem Kontakt mit dem Signalleiter ist zusätzlich eine
Vorrichtung zum Bestimmen eines Abstandes der Koppelstruktur von
dem Signalleiter vorgesehen.
-
Beispielsweise
umfasst die Vorrichtung zum Bestimmen des Abstandes einen optischen,
elektrischen, mechanischen und/oder elektromechanischen Abstandssensor.
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Zum
kontrollierten, dreidimensionalen Anordnen der Messsonde nahe oder
in mechanischem und elektrischem Kontakt mit dem Signalleiter ist
zusätzlich eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Position
der Messsonde im Raum vorgesehen.
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Beispielsweise
ist die Vorrichtung zum Bestimmen einer Position der Messsonde im
Raum ein Bildsensor.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform weist die Messsonde zusätzlich
wenigstens eine Positioniervorrichtung zum Positionieren derselben
im Raum auf, so dass die Messsonde in wenigstens einer Raumrichtung
verschiebbar ist. Die Positioniervorrichtung weist beispielsweise
wenigstens einen Stellmotor, insbesondere Schrittmotor, auf und
ist bevorzugt am Gehäuse angeordnet.
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Zum
unabhängigen Positionieren der Koppelstruktur und der Signalsonde
weist die Messsonde für die Koppelstruktur und die Signalsonde
jeweils eine separate Positioniervorrichtung auf.
-
Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher
erläutert. Diese zeigt in:
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1 eine
schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Messsonde in einem Messaufbau,
-
2 eine
Draufsicht der bevorzugten Ausführungsform gemäß 1 und
-
3 eine
schematische Darstellung eines Messaufbaus mit einem vektoriellen
Netzwerkanalysator (VNA).
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Die
in 1 und 2 dargestellte, bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Messsonde umfasst ein
Gehäuse 10, eine Koppelstruktur 12 in
Form einer kontaktlosen Messschleife bzw. Schleifensonde und eine
Signalsonde 14 in Form einer eine Signalleitung 16 elektrisch
und mechanisch kontaktierenden Messspitze. Die Koppelstruktur 12 ist
mit einem ersten Tor 18 und einem zweiten Tor 20,
die einen Ausgangspfad ausbilden, derart ausgebildet, dass diese
ein elektrisches Signal aus der Signalleitung 16 auskoppelt.
Die Signalsonde 14 ist mit einem Eingang 22 derart
ausgebildet, dass diese in die Signalleitung 16 ein elektrisches
Signal einkoppelt. Die Signalsonde 14 ist derart angeordnet
und ausgebildet, dass sich die Koppelstruktur 12 im Nahfeld der
Signalleitung 16 befindet, also kontaktlos ein Signal aus
der Signalleitung 16 auskoppelt, wenn die Signalsonde 14 die
Signalleitung 16 elektrisch und mechanisch kontaktiert,
wie in 1 dargestellt.
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Die
Signalleitung 16 ist Teil einer elektrischen bzw. elektronischen
Schaltung auf einer Leiterplatte 30, die ein zu testendes
elektrisches bzw. elektronisches, eingebettetes Bauteil 24 (DUT – Device
Under Test) sowie weitere elektrische bzw. elektronische Bauteile 26, 28 umfasst.
Die Signalleitung 16 ist beispielsweise als Streifenleitung
ausgebildet.
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In 3 sind
funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet,
so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung
der 1 verwiesen wird. Auf der Schaltungsplatine 30 umfasst
die elektronische Schaltung zusätzlich elektronische Bauteile 32 und 34,
die beispielsweise als Verstärker ausgebildet sind, die
nur in Vorwärtsrichtung betrieben werden können
und in der anderen Richtung einen sehr hohen Eigenwiderstand aufweisen.
Die Bauteile 26, 28, 32 und 34 sowie
das DUT 24 sind im Wesentlichen Zweitore, die in die Signalleitung 16 eingeschleift
sind. Weiterhin bezeichnet 36 eine erste Position, 38 eine
zweite Position, 40 eine dritte Position, 42 eine
vierte Position, 44 eine fünfte Position und 46 eine
sechste Position auf der Leiterplatte 30. Mit 48 sind
Referenzebenen bezeichnet. In 3 ist eine
Messanordnung mit zwei erfindungsgemäßen Messsonden
und einem vektoriellen Netzwerkanalysator 50 (VNA) dargestellt.
Der VNA 50 umfasst eine Signalquelle 52, einen
Schalter 54, mit einer Schalterstellung I und einer Schalterstellung
II, ein erstes Messtor 56, ein zweites Messtor 58,
ein drittes Messtor 60 und ein viertes Messtor 62.
Mit 64 ist ein komplexer Gerätewiderstand Zg bezeichnet. Die Signalquelle 52 ist über
den Schalter 54 mit jeweils einem Eingang 22 von
einer der Signalsonden 14 verbunden. Die Messtore 56, 58, 60 und 62 sind
mit den Ausgängen 18 und 20 verbunden.
Das Signal der Signalquelle 52 wird je nach Stellung des
Schalters 54 auf verschiedenen Seiten des DUT 24 in
die Signalleitung 16 durch die Signalsonden 14 eingekoppelt.
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Durch
die erfindungsgemäße Messsonde ist es möglich,
die Leistung des in die Signalleitung 16 eingekoppelten
Signals nicht über alle Bauelemente 26, 28, 32, 34 hinweg
zum DUT 24 zur leiten, sondern direkt vor dem DUT 24 mittels
der Signalsonden 12 einzuspeisen. Nach bzw. stromab der
Einspeisung der Leistung sind dann jeweils die Koppelstrukturen 12 positioniert.
Erfindungsgemäß sind die kontaktlose Koppelstruktur 12 und
die kontaktbehaftete Signalsonde zu einer Einheit, vorzugsweise
in einem Gehäuse, kombiniert. Ein weiterer Vorteil einer
kombinierten Messsonde liegt darin, dass eine optimierte Kombination
deutlich weniger Platz für die Positionierung benötigt.
In der Regel ist der Abstand zwischen zwei Messobjekten, wie den
Bauteilen 24, 26, 28, 32, 34 der
elektronischen Schaltung, stark begrenzt. Ein anderer Vorteil ist,
dass eine Gleichspannungszuführung über Bias zu
ggf. in der Messsonde vorhandenen Verstärkern möglich
ist. Durch die Verwendung von Verstärkern lässt
sich das Signal-zu-Rauschverhältnis verbessern. Durch die
Anwendung der erfindungsgemäßen Messsonde mit
Signalisierungsmessspitze 14 verbleiben die Enden der zu
untersuchenden planaren Schaltung offen, wie aus 3 ersichtlich.
Bei der Anwendung eines 7-Term-Kalibrierverfahrens beeinflusst die
Rückwirkung der offenen Enden das Messergebnis nicht.
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In 2 ist
beispielhaft dargestellt, wie der Aufbau einer zu untersuchenden
planaren Mikrostreifenschaltung auf der Schaltungsplatine 30 für
den Einsatz der erfindungsgemäßen, kombinierten
Messsonde verändert wird. Für die Signalisierung
ist in der in 2 beispielhaften Ausführung
neben der planaren Mikrostreifenleitung 16 eine Kontaktfläche
mit einem Via 66 gegen Masse vorgesehen. Falls in einer anderen
Ausführung die Messobjekte mit Koplanarleitungen verbunden
sind, müssen keine zusätzlichen Kontaktflächen
in der Schaltung vorgesehen sein. Dann entspricht die Form der speisenden
Signalsonde 14 beispielsweise der einer herkömmlichen On-Wafer-Messspitze,
welche mit der kontaktlosen Sonde 12 über das
Gehäuse verbunden ist.
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Die
erfindungsgemäße Kombinationsmesssonde umfasst
mindestens eine Koppelstruktur 12, die eine auf einer externen
Leitung 16 laufende, elektromagnetische Welle teilweise
auskoppelt, und mindestens eine Signalsonde 14 die die
Aufgabe hat, Leistung auf die externe Leitung 16 zu übertragen. Dabei
können Koppelstruktur 12 und Signalsonde 14 beide
kontaktlos oder kontaktbehaftet oder aus einer Kombination aus kontaktlos
und kontaktbehaftet sein. Mit anderen Worten ist mindestens eine
Koppelstruktur 12 mit mindestens einer Signalisierungsmessspitze 14 zu
einer Messsondeneinheit kombiniert. Die Masse der beiden Sondentypen
(Koppelstruktur 12 und Signalsonde 14) ist zweckmäßigerweise
miteinander elektrisch verbunden. Vorzugsweise besitzen die beiden
Sondentypen ein gemeinsames Gehäuse und eine gemeinsame
Halterung.
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Die
erfindungsgemäße Kombinationsmesssonde ist für
den Einsatz in einem kontaktlosen Vektornetzwerkanalysesystem besonders
geeignet, wie in 3 dargestellt. Andere Einsatzgebiete
sind jedoch auch möglich.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform entspricht die Geometrie
der kontaktbehafteten Messspitze 14 der Geometrie einer
herkömmlichen On-Wafer-Probe. Wichtig ist für
diese Ausführungsform, dass die Messspitze 14 über
mindestens ein Kontaktblech verfügt, mit der ein elektrischer
Kontakt mit einem (planaren) Wellenleiter 16, an dem das DUT 24 elektrisch
angeschlossen ist, hergestellt wird. Die Kontaktblech(e) sind optional über
einen inneren Wellenleiter (innerhalb des Gehäuses 10 der Messsonde)
mit einem äußeren Übergang (beispielsweise
einem SMA-Stecker) verbunden. Der äußere Übergang
dient zur Verbindung der Messspitze 14 mit einem Generator 52.
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Die
Messspitze 14 und die Koppelstruktur sind beispielsweise
jeweils impedanzkontrolliert ausgeführt, d. h. die Eingangsreflexionsdämpfung
ist maximiert.
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Als
Koppelstruktur 12 bzw. Signalsonde 14 werden beispielsweise
induktive Sonden, kapazitive Sonden und Kombinationen aus rein induktiven
und rein kapazitiven Sonden verwendet. Die kontaktlose Koppelstruktur 12 ist
beispielsweise als eine Schleifensonde ausgeführt.
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Im
Eingangspfad 22 der Messspitze 14 und/oder in
den Ausgangspfaden 18, 20 der Koppelstruktur 12 sind
in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung Verstärker
zur Verbesserung der Signalqualität vorgesehen. Damit wird
die erfindungsgemäße Kombinationsmesssonde zur
aktiven Messsonde. Bei einer aktiven Messsonde ist es ggf. sinnvoll,
die Messspitze 14 und die Koppelstruktur 12 mit einer
Gleichstromquelle (Biss) zu verbinden, um eine dem HF-Testsignal überlagerte
Gleichspannung den Verstärkern zur Einstellung des Arbeitspunktes
zur Verfügung zu stellen.
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Das
Gehäuse der erfindungsgemäßen Kombinationsmesssonde
kann aus beliebigen Materialien ausgeführt sein. Beispielsweise
ist ein Metallgehäuse vorgesehen, welches mit einem Absorbermaterial ummantelt
ist. Alternativ ist ein Kunststoffgehäuse oder ein Absorbergehäuse
vorgesehen.
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Die
erfindungsgemäßen Kombinationsmesssonde weist
beispielsweise Sensoren zur automatischen Positionierung oder zur
Detektierung einer dreidimensionalen Position auf.
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An
der Koppelstruktur 12 ist bevorzugt mindestens ein Wellenleiter
angeschlossen, wobei das Ende des Wellenleiters einen Übergang
ausbildet. Falls zwei Wellenleiter angeschlossen sind, spricht man
in der Regel von einer Sondenschleife. Es können auch mehr
als ein bzw. zwei Wellenleiter an die Koppelstruktur 12 angeschlossen
sein. Die Koppelstruktur 12 kann auch einzelnen Sonden
(beispielsweise kapazitiven Sonden) umfassen.
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Die
erfindungsgemäße Kombinationsmesssonde besitzt
in einer bevorzugten Weiterbildung eine dreidimensionale Verstellmöglichkeit,
so dass beispielsweise der Abstand der kontaktlosen Koppelstruktur 12 zu
dem Wellenleiter 16, an dem das DUT 24 angeschlossen
ist, eingestellt werden kann. Beispielsweise wird mit einer dreidimensionalen
Verstellmöglichkeit (beispielsweise X-Y-Z-Lineartisch) die
relative Position der Koppelstruktur 12 zur Messspitze 14 verändert.
Dabei ist die Verstellmöglichkeit beispielsweise mechanisch
oder elektrisch steuerbar ausgebildet. Der Verstellprozess kann
automatisiert sein, so dass stets die beste Koppelposition ausgewählt
wird.
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Eine
andere bevorzugte Weiterbildung der Erfindung betrifft die Kombination
der Kombinationsmesssonde mit einer Positionseinrichtung, so dass die
Kombinationsmesssonde in allen Dimensionen oder nur in einer oder
zwei etc. verschoben werden kann. Die Positionseinrichtung ist beispielsweise
in dem Gehäuse 16 integriert oder über
eine Halterung mit der Kombinationsmesssonde verbunden. Die Positionseinrichtung
ist beispielsweise manuell bedienbar und/oder motorisiert. Sie ist
also aktiv oder passiv. Die Positionseinrichtung enthält
bevorzugt zur Steuerung eine Steuerleitung.
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Die
erfindungsgemäße Kombinationsmesssonde besitz
beispielsweise zwei getrennte Positionseinrichtungen, die es ermöglichen,
dass die kontaktbehaftete Signalsonde 14 und die kontaktlose Koppelstruktur 12 unabhängig
von einander positionierbar sind bzw. die Position unabhängig
voneinander einstellbar ist.
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Die
Koppelstruktur (12) kann auch mehrere einzelne kapazitive,
induktive und/oder induktiv und kapazitiv koppelnde Sonden umfassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - H. Whiteside,
R. W. P. King," The loop antenna as a probe," IEEE Transaction an
Antenna and Propagation, Band 12, Nr. 3, S. 291–297, Mai 1964 [0002]
- - M. Kanda, "An electromagnetic near-field sensor for simultaneous
electric and magnetic-field measurements," IEEE Transaction an Electromagnetic
Compatibility, Band 26, Nr. 3, S. 102–110, August 1984 [0002]
- - M. E. G. Upton, A. C. Marvin, "Improvements to an electromagnetic
near-field sensor for simultaneous electric and magnetic field measurements," IEEE
Transaction an Electromagnetic compatibility, Band 35, Nr. 1, S.
96–98, Februar 1993 [0002]
- - K. W. Wagner, "Induktionswirkung von Wanderwellen in Nachbarleitungen,"
Elektrotechnische Zeitschrift, Band 35, S. 639–643; 677–680; 705–708,
1914 [0003]
- - P. P. Lombardini, R. F. Schwartz, P. J. Kelly, "Criteria for
the design of loop-type directional couplers for the L band," IEEE
Transaction an Microwave Theory and Techniques, Band 4, Nr. 4, S. 234–239,
Oktober 1956 [0003]
- - B. Maher," An 1-band loop-type coupler, "IEEE Transactions
an Microwave Theory and Techniques", Band 9, Nr. 4, S. 362–363,
Juli 1961 [0003]
- - F. De Groote, J. Verspecht, C. Tsironis, D. Barataud and J.-P.
Teyssier, "An improved coupling method for time domain load-pull
measurements" European Microwave Conference, Band 1, S. 4ff, Oktober
2005 [0003]
- - K. Yhland, J. Stenarson, "Noncontacting measurement of power
in microstrip circuits," in 65th ARFTG, S. 201–205, Juni
2006 [0003]
- - T. Zelder, H. Eul, "Contactless network analysis with improved
dynamic range using diversity calibration," Proceedings of the 36th
European Microwave Conference, Manchester, UK, S. 478–481, September
2006 [0004]
- - T. Zelder, H. Rabe, H. Eul, "Contactless electromagnetic measuring
system using conventional calibration algorithms to determine scattering
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