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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Kalibriersubstrat mit wenigstens
einem Kalibrierstandard, welches wenigstens zwei elektrische Anschlussstellen
für jeweils
ein Messtor eines Vektornetzwerkanalysators aufweist, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektronische
Schaltung mit wenigstens einem in die elektronische Schaltung eingebettetem
elektrischen Messobjekt (DUT – Device
Under Test), welches elektrische Kontaktstellen aufweist, die mit
der elektronischen Schaltung elektrisch verbunden sind, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 6. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Messanordnung
mit dem Kalibriersubstrat und der elektronischen Schaltung, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 100.
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Bei
der Entwicklung beispielsweise von komplexen planaren Mikrowellenschaltungen,
welche aus mehreren Unterschaltkreisen aufgebaut sind, ist es nützlich,
die Streuparameter für
jeden Unterschaltkreis oder ggf. für einzelne elektronische Bauteile
separat zu bestimmen. Hierdurch kann die Leistungsfähigkeit
der verschiedenen Unterschaltkreise bzw. elektronische Bauteile
individuell analysiert und überprüft werden.
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Die
Bestimmung der Streuparameter eines elektrischen Messobjektes (DUT – Device
Under Test) erfolgt mit einem Vektornetzwerkanalysator (VNA). Der
Nachteil der Vektornetzwerkanalyse ist, dass eine zerstörungsfreie
Messung von eingebetteten Messobjekten (DUT) nur mit sehr großem Aufwand
durchgeführt
werden kann, da für
jede Messung eines eingebetteten DUTs die elektrische Peripherie
während
der Kalibrierung mit berücksichtigt werden
muss.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kalibriersubstrat, eine
elektronische Schaltung und eine Messanordnung der o. g. Art hinsichtlich
der Bestimmung von Streuparametern eines elektrischen Messobjektes,
welches in einer elektronischen Schaltung eingebettet ist, zu vereinfachen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Kalibriersubstrat der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten
Merkmalen, durch eine elektronische Schaltung der o. g. Art mit
den in Anspruch 6 gekennzeichneten Merkmalen und durch eine Messanordnung
der o. g. Art mit den in Anspruch 100 gekennzeichneten Merkmalen
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren
Ansprüchen
beschrieben.
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Bei
einem Kalibriersubstrat der o. g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen,
dass wenigstens eine elektrische Anschlussstelle von wenigstens
einem Kalibrierstandard mit einem Schalter ausgebildet ist, wobei
der Schalter 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, aufweist, wobei der
Schalter derart ausgebildet ist, dass bei freiem, elektrisch mit nichts
verbundenem zweiten elektrischen Kontakt der Schalter eine elektrische
Verbindung zwischen dem ersten und dritten elektrischen Kontakt
herstellt, wobei eine elektrische Verbindung zwischen dem zweiten
und ersten elektrischen Kontakt sowie zwischen dem zweiten und dritten
elektrischen Kontakt getrennt ist, und dass bei mit einem Messtor
des Vektornetzwerkanalysators elektrisch verbundenen zweiten elektrischen
Kontakt der Schalter die elektrische Verbindung zwischen dem dritten
und dem ersten Kontakt trennt und eine elektrische Verbindung zwischen
dem ersten und zweiten elektrischen Kontakt herstellt, wobei eine
elektrische Verbindung zwischen dem dritten elektrischen Kontakt
einerseits und dem zweiten elektrischen Kontakt andererseits getrennt
ist.
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Dies
hat den Vorteil, dass auf einem Kalibriersubstrat mehrere Kalibrierstandards
ausgebildet sein können,
wobei die Messtore des Vektornetzwerkanalysators immer mit genau
einem Kalibrierstandard verbunden werden können.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Kalibriersubstrat als Leiterplatte, gedruckte Schaltungsplatine
oder Wafer und der Kalibrierstandard mit dem wenigstens einen Schalter
als integrierte Schaltung auf der Leiterplatte, der gedruckten Schaltungsplatine
oder dem Wafer ausgebildet.
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Zum
HF-technischen Abschließen
des dritten elektrischen Kontaktes mit einem vorbestimmten Wellenwiderstand,
ist der dritte elektrische Kontakt des Schalters in einer bevorzugten
Ausführungsform mit
einem HF-Abschlusswiderstand oder einem Leistungsübergang
elektrisch verbunden.
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Zweckmäßigerweise
ist der Schalter derart ausgebildet, dass die Umschaltung der elektrischen Verbindungen
bei Anschluss des zweiten Kontaktes an das bzw. Trennung des zweiten
Kontaktes von dem Messtor des Vektornetzwerkanalysators elektrisch,
mechanisch oder optisch erfolgt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Schalter derart ausgebildet, dass die Umschaltung der elektrischen
Verbindungen bei Anschluss des zweiten Kontaktes an das bzw. Trennung
des zweiten Kontaktes von dem Messtor des Vektornetzwerkanalysators
durch Anlegen einer vorbestimmten elektrischen Spannung erfolgt.
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Bei
einer elektronischen Schaltung der o. g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen,
dass wenigstens eine elektrische Kontaktstelle von wenigstens einem
elektrischen Messobjekt mit einem Schalter ausgebildet ist, wobei
der Schalter einen ersten elektrischen Kontakt, welcher mit einer
elektrischen Kontaktstelle des elektrischen Messobjekts elektrisch
verbunden ist, einen zweiten elektrischen Kontakt, welcher zum elektrischen
Verbinden mit einem Messtor eines Vektornetzwerkanalysators ausgebildet
ist, und einen dritten elektrischen Kontakt, welcher mit der elektronischen
Schaltung elektrisch verbunden ist, aufweist, wobei der Schalter
derart ausgebildet ist, dass bei freiem, elektrisch mit nichts verbundenem
zweiten elektrischen Kontakt der Schalter eine elektrische Verbindung
zwischen dem ersten und dritten elektrischen Kontakt herstellt,
wobei eine elektrische Verbindung zwischen dem zweiten elektrischen
Kontakt einerseits und dem ersten sowie dritten elektrischen Kontakt
andererseits getrennt ist, und dass bei mit einem Messtor des Vektornetzwerkanalysators
elektrisch verbundenen zweiten elektrischen Kontakt der Schalter
die elektrische Verbindung zwischen dem dritten und dem ersten Kontakt trennt
und eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten und zweiten
elektrischen Kontakt herstellt, wobei eine elektrische Verbindung
zwischen dem dritten elektrischen Kontakt einerseits und dem zweiten
elektrischen Kontakt andererseits getrennt ist.
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Dies
hat den Vorteil, dass mit der Vektornetzwerkanalysators an das in
die elektronische Schaltung eingebettete elektrische Messobjekt
direkt und ohne elektrischen Kontakt zur elektronischen Schaltung
und ohne das elektrische Messobjekt aus der elektronischen Schaltung
mechanisch lösen
zu müssen
elektrisch angeschlossen werden kann, so dass die Streuparameter
des elektrischen Messobjekts unabhängig von den elektrischen Eigenschaften
der restlichen elektronischen Schaltung bestimmt werden können.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die elektronische Schaltung, das wenigstens eine elektrische
Messobjekt und der wenigstens eine Schalter als integrierte Schaltung
auf einer Leiterplatte, einer gedruckten Schaltungsplatine oder
einem Wafer ausgebildet.
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Zweckmäßigerweise
ist der Schalter derart ausgebildet, dass die Umschaltung der elektrischen Verbindungen
bei Anschluss des zweiten Kontaktes an das bzw. Trennung des zweiten
Kontaktes von dem Messtor des Vektornetzwerkanalysators elektrisch,
mechanisch oder optisch erfolgt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Schalter derart ausgebildet, dass die Umschaltung der elektrischen
Verbindungen bei Anschluss des zweiten Kontaktes an das bzw. Trennung
des zweiten Kontaktes von dem Messtor des Vektornetzwerkanalysators
durch Anlegen einer vorbestimmten elektrischen Spannung erfolgt.
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Bei
einer Messanordnung der o. g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Schalter des Kalibriersubstrates und die Schalter der elektronischen
Schaltung, die jeweils demselben Tor des Vektornetzwerkanalysators
zugeordnet sind, identische elektrische Eigenschaften aufweisen.
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Dies
hat den Vorteil, dass der Kalibrieraufwand minimiert ist, da alle
elektrischen Messobjekte einer Schaltung unter Verwendung von nur
einem Kalibriersubstrat charakterisiert werden können. Es ergeben sich eindeutige
Messergebnisse, da die Schalter bzw. deren elektrische Eigenschaften
auch bei der Kalibrierung des Vektornetzwerkanalysators berücksichtigt
sind.
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Zweckmäßigerweise
weisen alle Schalter des Kalibriersubstrates und der elektronischen Schaltung
identische elektrische Eigenschaften auf.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weisen die Schalter mit identischen elektrischen Eigenschaften auch
identische mechanische Eigenschaften auf. Insbesondere sind die
die Schalter mit identischen elektrischen Eigenschaften identisch
ausgebildet sind.
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In
besonders bevorzugte Weise sind die elektronische Schaltung und
das Kalibriersubstrat auf derselben Leiterplatte, derselben gedruckten Schaltungsplatine
oder demselben Wafer ausgebildet.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese
zeigt in:
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1 eine
schematische Anordnung einer ersten bevorzugten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kalibriersubstrates
mit Schaltern,
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2 eine
schematische Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform
eines Schalters,
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3 eine
schematische Darstellung des Schalters von 2 in einem
ersten Schaltzustand,
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4 eine
schematische Darstellung des Schalters von 2 in einem
zweiten Schaltzustand,
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5 eine
schematische Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen elektronischen
Schaltung mit elektrischen Messobjekten,
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6 eine
schematische Darstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen elektronischen
Schaltung mit elektrischen Messobjekten,
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7 eine
schematische Darstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kalibriersubstrates
mit Schaltern,
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8 eine
schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung,
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9 eine
schematische Darstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
eines Schalters in einer ersten Schaltstellung,
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10 eine
schematische Darstellung des Schalters von 9 in einer
zweiten Schaltstellung und
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11 eine
schematische Darstellung des Schalters von 9 in einer
dritten Schaltstellung.
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Die
in 1 dargestellte, erste bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kalibriersubstrates 100 in
Form eines planaren TLR-Kalibriersubstrates
(TLR = Thu-Line-Reflect) umfasst drei Kalibrierstandards 12, 14 und 16,
die als beispielsweise gedruckte Schaltungen auf dem Kalibriersubstrat 100 ausgebildet
sind. Jeder Kalibrierstandard 12, 14 und 16 ist über jeweilige
erste Wellenleiter 18 mit einem ersten Schalter 20 und
einem zweiten Schalter 22 elektrisch verbunden. Jeder Schalter 20, 22 ist
wiederum mit einem Abschlusswiderstand 26 elektrisch verbunden.
Der erste Wellenleiter 18 ist beispielsweise ein planarer
Wellenleiter.
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Wie
aus 2 bis 4 ersichtlich, umfasst jeder
Schalter 20, 22 einen ersten elektrischen Kontakt 30,
einen zweiten elektrischen Kontakt 32 und einen dritten
elektrischen Kontakt 34. Der erste elektrische Kontakt 30 ist über einen
ersten Wellenleiter 18 mit dem Kalibrierstandard 12, 14, 16 elektrisch
verbunden. Der dritte elektrische Kontakt 34 ist ebenfalls über einen
ersten Wellenleiter 18 mit dem Abschlusswiderstand 26 elektrisch
verbunden. Der zweite elektrische Kontakt 32 ist wahlweise
mit einem zweiten Wellenleiter 36, welcher beispielsweise
als koaxialer Wellenleiter ausgebildet ist, elektrisch verbindbar. Ggf.
ist ein Teil des zweiten Wellenleiters 36 auf dem Kalibriersubstrat 100 ausgebildet.
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Wie
aus 1 ersichtlich, ist der zweite elektrische Kontakt 32 der
ersten Schalter 20 wahlweise mit einem ersten Messtor 38 eines
Vektornetzwerkanalysators 40 verbindbar und der zweite
elektrische Kontakt 32 der zweiten Schalter 22 wahlweise
mit einem zweiten Messtor 42.
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Die
Schalter 20, 22 sind derart ausgebildet, dass,
wie aus 3 ersichtlich, in einer ersten Schaltstellung
bzw. Grundstellung, in der der zweite Kontakt 32 frei ist,
d. h. der zweite Kontakt ist nicht mit einem Messtor 38 bzw. 42 des
Vektornetzwerkanalysators 40 elektrisch verbunden, der
erste Kontakt 30 mit dem dritten Kontakt 34 elektrisch
verbunden ist. Gleichzeitig ist der zweite elektrische Kontakt 32 vom ersten
und dritten elektrischen Kontakt 30, 34 elektrisch
getrennt, wobei eine für
die Anwendung ausreichende elektrische Isolationsdämpfung zwischen dem
ersten und zweiten elektrischen Kontakt 30, 32 sowie
dem dritten und zweiten elektrischen Kontakt 32, 34 durch
den Schalter 20, 22 bereitgestellt wird.
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Sobald
der zweite elektrische Kontakt 32 über den zweiten Wellenleiter 36 mit
einem Messtor 38 bzw. 42 des Vektornetzwerkanalysators 40 elektrisch
verbunden ist, schaltet der Schalter 20, 22 in die
in 4 dargestellte zweite Schaltstellung um. Hierbei
ist die elektrische Verbindung zwischen dem ersten und dem dritten
elektrischen Kontakt 30, 34 getrennt und stattdessen
ist der erste elektrische Kontakt 30 mit dem zweiten elektrischen
Kontakt 32 elektrisch verbunden. Gleichzeitig ist der dritte
elektrische Kontakt 34 vom ersten und zweiten elektrischen
Kontakt 30, 32 elektrisch getrennt, wobei eine für die Anwendung
ausreichende elektrische Isolationsdämpfung zwischen dem ersten
und dritten elektrischen Kontakt 30, 34 sowie
dem zweiten und dritten elektrischen Kontakt 32, 34 durch
den Schalter 20, 22 bereitgestellt wird. Auf diese
Weise wird also das jeweilige Messtor 38, 40 durch
den Schalter 20, 22 mit einem jeweiligen elektrischen
Anschluss des jeweiligen Kalibrierungsstandards 12, 14, 16 auf
dem Kalibriersubstrat 100 durch einfaches elektrisches Verbinden
eines der Messtore 38, 42 bzw. eines zweiten Wellenleiters 36 mit
einem der zweiten elektrischen Kontakte 32 hergestellt.
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In 5 sind
funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in 1 bis 4 bezeichnet,
so dass zu deren Erläuterung
auf die obige Beschreibung der 1 bis 4 verwiesen
wird. 5 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform einer elektronischen
Schaltung 200 die in Form einer planaren Schaltung ausgebildet
ist, in die mehrere elektronische Messobjekte (DUT – Device
Under Test) 210, 212, 214 eingebettet
sind. Das zweite DUT 212 soll mittels des Vektornetzwerkanalysators 40 charakterisiert
werden. In die elektronischen Schaltung 200 sind Schalter 20, 22 eingebettet,
wobei die ersten Kontakte 30 der Schalter 20, 22 jeweils
mit dem DUT 212 und die dritten Kontakte 34 der
Schalter 20, 22 jeweils mit der Schaltung 200 verbunden sind.
Bezugszeichen 218 bezeichnet eine Referenzebene.
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Da
die Eigenschaften der Schalter 20, 22 in der Kalibrierung,
wie zuvor unter Bezugnahme auf 1 bis 4 erläutert, mit
berücksichtigt
sind, müssen
die gleichen Schalter 20, 22 auch bei der Charakterisierung
des DUT 212 mit berücksichtigt werden.
Der Ausdruck "gleicher
Schalter" bedeutet hierbei
Schalter mit zumindest gleichen elektrischen Eigenschaften, wobei
bevorzugte die Schalter 20, 22 in der elektronischen
Schaltung 200 identisch wie die Schalter 20, 22 in
dem Kalibriersubstrat 100 ausgebildet sind. Die Schalter 20, 22 sind
in allen Zuleitungen des zu untersuchenden DUT 212 zur
restlichen Schaltung 200 implementiert, wie in 5 dargestellt.
Die Schalter sind derart eingebaut, dass sie eine Verbindung zwischen
den Messtoren 38, 42 des Vektornetzwerkanalysators 40 und
dem zu charakterisierenden DUT (hier DUT 212) ermöglichen.
Nach der Charakterisierung bzw. Fehlerkontrolle des DUT 212 verbleiben
die Schalter 20, 22 in der Schaltung 200.
Sobald die elektrische Verbindung zwischen den Messtoren 38, 42 des
Vektornetzwerkanalysators 40 und den zweiten Kontakten 32 der
Schalter 20, 22 getrennt sind, verbindet der jeweilige
Schalter 20, 22 wieder das DUT 212 mit
den anderen, benachbarten Teilen der Schaltung 200, nämlich mit
den DUTs 210, 224, wie bereits zuvor in Bezugnahme
auf 3 und 4 beschrieben.
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Mit
dem gleichen Kalibriersubstrat 100 aus 1 können auch
alle anderen DUTs 210, 214 der planaren Schaltung 200 charakterisiert
werden. Dazu muss lediglich in jeder Zuleitung des zu untersuchenden
DUT 210, 214 jeweils ein Schalter 20, 22 platziert werden.
Ein Beispiel zur Charakterisierung des DUT 210 ist in 6 dargestellt.
In 6 sind funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen
versehen wie in 1 bis 5, so dass
zu deren Erläuterung auf
die obige Beschreibung der 1 bis 5 verwiesen
wird. 6 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform
einer elektronischen Schaltung 300 in Form einer planaren
Schaltung, wobei im Unterschied zur ersten bevorzugten Ausführungsform
gemäß 5 zusätzliche
Schalter 20a und 22a beidseits des DUT 210 angeordnet
sind. Diese Schalter 20a und 22a sind identisch
ausgebildet wie die Schalter 20 und 22. Zur Charakterisierung
des DUT 210 werden die Messtore 38 und 42 des
Vektornetzwerkanalysators 40 statt mit den zweiten elektrischen Kontakten 32 der
Schalter 20 und 22 mit den zweiten elektrischen
Kontakten 32 der Schalter 20a und 22a elektrisch
verbunden.
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Durch
die Verwendung der Schalter 20, 20a, 22, 22a nimmt
die elektrische Peripherie, wie die weiteren DUTs 212 und 214 bzw.
die weiteren DUTs 210, 214 der restlichen Schaltung 200 bzw. 300,
keinen Einfluss auf die Messung und Charakterisierung des DUT 210 bzw. 212.
Voraussetzung für
eine genaue Messung ist, dass die Schalter 20, 20a und/oder
die Schalter 22, 22a während der Kalibrierung einerseits, wie
in 1 bis 4 dargestellt, und der Messung andererseits,
wie in 5 und 6 dargestellt, möglichst
identische Eigenschaften, insbesondere identische elektrische Eigenschaften,
aufweisen. Die Isolationsdämpfung
zwischen den jeweiligen elektrischen Kontakten 32 und 34 sollte
so groß wie
möglich
sein. Die zweiten elektrischen Kontakte 32 der Schalter 20 und 22 sind
frei, d. h. elektrisch nicht mit einem Messtor 38, 42 eines
Vektornetwerkanalysators 40 verbunden. Dadurch stellen
die Schalter 20, 22 jeweils eine elektrische Verbindung
zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 30 mit dem dritten
elektrischen Kontakt 34 her.
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Über die
Schalter 20, 20a, 22, 22a wird
jeweils die Signalenergie aus dem Vektornetzwerkanalysator 40 an
das jeweilige Kalibrierelement 12, 14, 16 bzw.
das jeweilige DUT 210, 212, 214 übertragen. Das
Kalibriersubstrat 100 umfasst verschiedene Kalibrierelemente 12, 14, 16 (beispielsweise
Kurzschluss-Standard, Leerlauf-Standard, Widerstandsstandard, Leitungsstandard,
etc.), wobei die Kalibrierelemente 12, 14, 16 je
Messtor an der ersten Wellenleitung 18 (beispielsweise
Mikrostreifenleitung, Koplanarleitung, etc.) angeschlossen sind,
wobei wiederum der erste Wellenleiter 18 mit einem Umschalter
bzw. Signalschalter 20, 22 verbunden ist. Der
Umschalter bzw. Signalschalter 20, 22 ist mit
einer Abschlussimpedanz Zab terminiert.
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Auf
dem Kalibriersubstrat 100 sind ggf. auch beliebige andere
Messobjekte oder Verifikationsstandards zur Überprüfung der Kalibrierung angeordnet. Die
Kalibrierelemente 12, 14, 16 besitzen
allgemein N-Tore, N erste Wellenleitungen 18 und mindestens N
Schalter 20, 22 (je erste Wellenleitung 18 mindestens
einen Schalter), wobei je Tor auf dem Kalibriersubstrat die ersten
Wellenleitungen 18 und Schalter 20, 22 unterschiedlich
hinsichtlich der Geometrie und der Position sein können. Die
Aufgabe der Schalter 20, 20a, 22, 22a ist
die Verbindung der einzelnen Messtore 38, 42 des
Vektornetzwerkanalysators 40 mit den Kalibrier-/Verifikationsstandards 12, 14, 16 bzw.
den Messobjekten (DUTs) 210, 212, 214,
so dass die umgebende, leitungsgebundene Peripherie der restlichen
elektronischen Schaltung 200, 300 keinen Einfluss
auf die Messergebnisse hat. Die Funktion des Schalters 20, 20a, 22, 22a wurde
zuvor bereits unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 erläutert. Der
Schalter 20, 20a, 22, 22a kann
ein beliebiges Aussehen bzw. eine beliebige Form haben. Es ist jedoch
wichtig, dass er die beschriebene Funktion aufweist und wenigstens
die einem bestimmten Messtor 38 bzw. 42 zugeordneten
Schalter 20, 20a bzw. 22, 22a identische
elektrische Eigenschaften aufweisen bzw. identisch ausgebildet sind.
Die Schalter 20, 20a, 22, 22a verschiedener
Messtore 38, 42 können unterschiedlich gestaltet
sein und auch unterschiedliche elektrische Eigenschaften aufweisen.
Die voranstehende Beschreibung mit identischen Schaltern 20, 20a, 22, 22a an
allen Messtoren 38, 42 ist lediglich beispielhaft.
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Der
Schalter 20, 20a, 22 bzw. 22a können auch
aus verschiedenen Schaltern kombiniert sein.
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Das
Kalibriersubstrat 100 ist beispielsweise als gedruckte
Schaltungsplatine (PCB), Wafer, etc. ausgebildet, wobei das Trägermaterial
aus beliebigen, festen, nicht oder schwach leitenden Substratmaterialien
(wie beispielsweise Glas, Keramik, FR4, Rogers RO 4003, Epoxydmaterial,
etc.) hergestellt ist. Das Kalibriersubstrat 100 ist beispielsweise
als Mehrlagenplatine mit mehreren Substratlagen ausgebildet, wobei
die Schalter 20, 20a, 22, 22a sich
auf derselben Substratlage wie die ersten Wellenleiter 18 befinden.
Die Anordnungen/Positionen der Kalibrierstandards 12, 14, 16 auf
dem Kalibriersubstrat 100 bzw. DUTs 210, 212 214 auf
der elektronischen. Schaltung 200, 300 sind beliebig.
Die Positionen und die Ausführungsformen
der Schalter 20, 20a, 22, 22a und
der ersten Wellenleitungen 18 können für jedes der N Messtore eines
Kalibrierstandards 12, 14, 16 verschieden
sein, jedoch müssen
für alle
Kalibrierstandards 12, 14, 16, die für eine Kalibrierung
notwendig sind, und für
alle DUTs 210, 212, 214 die erste Wellenleitung
und die entsprechenden Schalter 20, 20a, 22, 22a je
Tor stets identisch sein, d. h. zumindest identische elektrische
Eigenschaften aufweisen. 7 zeigt beispielhaft ein Kalibriersubstrat 100 bzw.
eine elektronische Schaltung mit verschiedenen 1-Tor-Kalibrierstandards/-DUTs 102,
2-Tor-Kalibrierstandards/-DUTs 104 und
3-Tor-Kalibrierstandards/-DUTs 106. In 7 sind
funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wie
in 1 bis 6, so dass zu deren Erläuterung
auf die obige Beschreibung der der 1 bis 6 verwiesen
wird. Der 3-Tor-Kalibrierstandard bzw. das 3-Tor-DUT 106 umfasst
neben dem ersten Schalter 20 für das erste Tor, welches mit
dem ersten Messtor 38 des Vektornetzwerkanalysators 40 verbindbar
ist, und dem zweiten Schalter 22 für das zweite Tor, welches mit
dem zweiten Messtor 42 des Vektornetzwerkanalysators 40 verbindbar
ist, zusätzlich
einen dritten Schalter 24, welcher mit einem entsprechenden dritten
Messtor (nicht dargestellt) des Vektornetzwerkanalysators 40 verbindbar
ist. Die Schalter 24 sind analog aufgebaut und ausgebildet,
wie die Schalter 20 bzw. 22. Mit anderen Worten
gilt die obige Beschreibung der Schalter 20, 22 analog
auch für
die dritten Schalter 24. Auf dem Kalibriersubstrat 100 befinden
sich beispielsweise auch mehrere N-Tor-Kalibrierstandards für verschiedene
Kalibrierungen. Mit 108 ist ein Übergang bezeichnet. Sofern
es sich bei 102, 104 und 106 nicht um
einen Kalibrierstandard, sondern um ein DUT handelt, ist statt des
Abschlusswiderstandes 26 ggf. ein Übergang zu einer restlichen
Schaltung oder ein Leistungsübergang
vorgesehen.
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Wie
beispielhaft in 8 dargestellt, können das
Kalibriersubstrat 100 bzw. die Kalibrierelemente 12, 14, 16 auch
zusammen mit Anwenderschaltungen, die entsprechende DUTs 210, 212, 214 enthalten,
gemeinsam auf einem Substrat 400 befinden. 8 zeigt
eine Anwender Schaltung mit einem Eingang/Ausgang 402 und
einem Eingang/Ausgang 404. Ansonsten sind in 8 funktionsgleiche
Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wie in 1 bis 7,
so dass zu deren Erläuterung
auf die obige Beschreibung der 1 bis 7 verwiesen
wird.
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Eine
Hilfsstruktur kann sich entlang, aber auch quer zur ersten Wellenleitung 18 erstrecken.
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Die
Schalter 20, 22, 24 sind bevorzugt impedanzkontrolliert
ausgeführt.
Wichtig ist, dass eine möglichst
hohe Isolationsdämpfung
zwischen den elektrisch nicht miteinander verbunden elektrischen Kontakten 30, 32 und 34 vorhanden
ist. Am Ende des mit dem zweiten elektrischen Kontakt 32 verbundenen
zweiten Wellenleiters 36 ist bevorzugt ein Übergang
zu einem anderen Wellenleiter ausgebildet, wie beispielsweise ein
Mikrostreifen-Koplanar-Übergang,
ein Mikrostreifen-Koaxial-Übergang,
ein Koplanar-Koaxial-Übergang,
ein Koplanar-Mikrostreifen-Übergang
etc.. Dadurch kann die Leistungszufuhr beispielsweise über Koaxialleitungen,
PCB- oder On-Wafer-Messspitzen erfolgen. Das Kalibriersubstrat weist
ggf. eine Grundmetallisierung auf.
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Für die praktische
Handhabung können
auch zwei Schalter 20, 20a, 22, 22a zusammen
in einem Gehäuse
angeordnet sein. Die beiden Schalter können dann als eine Schaltstruktur
aufgefasst werden. In 6 wäre dann beispielsweise die
Kombination aus Schalter 22a und Schalter 20 zwischen
den DUTs 210 und 212 eine derartige Schaltstruktur.
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Der
Schalter 20, 22, 24 ist ein Dreitor-Bauelement.
Wird der Schalter 20, 22, 24 zwischen
zwei Wellenleitern montiert, die mit den elektrischen Kontakten 30 und 34 elektrisch
verbunden sind, dann verbindet er die beiden Wellenleiter elektrisch.
Das Umschalten kann automatisch erfolgen, sobald ein weiterer Wellenleiter
bzw. ein Messtor 38, 42 eines Vektornetzwerkanalysators 40 mit
dem zweiten Kontakt 32 des Schalters 20, 22, 24 elektrisch
verbunden ist. Wird dieser weitere Wellenleiter wieder entfernt, schaltet
der Schalter wieder in die Ursprungsposition. Alternativ erfolgt
das Umschalten durch andere Mechanismen. Beispielsweise kann das
Umschalten elektrisch, mechanisch oder optisch erfolgen. Der Schalter 20, 22, 24 kann
auch ein aktives Element sein. Dann kann beispielsweise durch Änderung
eines anliegenden Spannungspotentials der Schaltprozess ausgelegt
werden.
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Es
ist auch möglich,
dass der Schalter 20, 22 bzw. 24 alle
Kombination zwischen den Kontakten 30, 32, 34 paarweise
elektrisch miteinander verbindet, also auch den zweiten Kontakt 32 mit
dem dritten Kontakt 34, was beispielsweise elektrisch durch
Anlegen einer elektrischen Spannung 44 gesteuert wird, wie
in 9 bis 11 dargestellt. In 9 bis 11 sind
funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wie
in 1 bis 8, so dass zu deren Erläuterung
auf die obige Beschreibung der 1 bis 8 verwiesen
wird. In 9 ist beispielsweise eine elektrische
Spannung 44 von 0 Volt, bei 10 ist
beispielsweise eine elektrische Spannung 44 von –5 Volt
und in 11 ist beispielsweise eine elektrische
Spannung 44 von +5 Volt angelegt. Auf diese Weise sind
beispielsweise in 6 zwei Schalter 22a und 20 zu
einem einzigen kombinierten Schalter 28 zusammengefasst,
welcher beim Messen des DUT 210 dem zweiten Messtor 42 und beim
Messen des DUT 212 dem ersten Messtor 38 zugeordnet
ist. Vorteilhafterweise ist ein identischer kombinierter Schalter 28 auch
auf dem Kalibriersubstrat an dem entsprechenden Tor des jeweiligen
Kalibrierstandards angeordnet.
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Für die richtige
Messung der Streuparameter eines N-Tores muss das Messsystem kalibriert
werden. Je nach Kalibrierung werden M verschiedene N-Tor-Kalibrierstandards
(Kalibrierelemente), die bekannt oder nur teilweise bekannt sind,
benötigt.
Für eine
Kalibrierung unter Verwendung von M Kalibrierstandards müssen die
elektrischen Eigenschaften des Schalters 20, 22, 24 und
der ersten Wellenleitung 18 bzw. auch der zweiten Wellenleitung 36 jeweils
für ein
Tor identisch sein, können
aber zwischen den N-Toren unterschiedlich sein.
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Beispielsweise
sollen die Streuparameter eines 2-Tor-Objektes gemessen werden.
Für eine
LLR (TRL)-Kalibrierung sind drei 2-Tor-Kalibrierstandards notwendig.
Dies können
zum Beispiel zwei unterschiedlich lange Leitungen und zwei Kurzschlüsse sein,
wobei die Kurzschlüsse
jeweils ein 1-Tor-Objekt darstellen, aber zusammen einem 2-Tor-Objekt
entsprechen. Die drei 2-Tor-Standards können je Tor zwei unterschiedliche
Zuleitungen (erste Wellenleitungen 18) besitzen. Die Schalter 20, 22, 24 können ebenfalls
an jeder Zuleitung (jeder ersten Wellenleitung 18) unterschiedliche
Eigenschaften (z. B Verluste) aufweisen. Jedoch müssen die
ersten Wellenleitungen 18 und die Schalter 20, 22, 24 an
den jeweiligen Toren 1 der Kalibrierstandards 12, 14, 16 und DUTs 210, 212, 214 identisch
sein. Auch am Tor 2 der Kalibrierstandards 12, 14, 16 müssen die
ersten Wellenleiter 18 und die Hilfsstrukturen untereinander übereinstimmen,
jedoch können
sie sich zu denen am Tor 1 unterscheiden.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Bestimmen von Streuparametern
eines elektrischen Messobjektes (DUT – Device Under Test), welches ein
oder mehrere elektronische Bauteile umfasst, die elektrisch miteinander
verschaltet sind, mit einem Vektornetzwerkanalysator, wobei das
elektrische Messobjekt in einer elektronischen Schaltung eingebettet
ist, wobei wenigstens ein, insbesondere zwei Tore des Vektornetzwerkanalysators
mit einem Kalibriersubstrat, welches wenigstens einen Kalibrierstandard
aufweist, elektrisch verbunden werden und der Vektornetzwerkanalysator
kalibriert wird, wobei anschließend
das Kalibriersubstrat vom Vektornetzwerkanalysator getrennt wird
und das wenigstens eine Tor mit einer elektrischen Kontaktstelle
der elektronischen Schaltung elektrisch verbunden wird, wobei das
wenigstens eine Tor des Vektornetzwerkanalysators über jeweils
wenigstens einen in dem Kalibriersubstrat integrierten Schalter
mit dem Kalibriersubstrat elektrisch verbunden wird und dass das
wenigsten eine Tor des Vektornetzwerkanalysators über jeweils
wenigstens einen in der elektronischen Schaltung integrierten Schalter
mit der elektronischen Schaltung elektrisch verbunden wird, wobei
der wenigstens eine in dem Kalibriersubstrat integrierte Schalter
sowie der wenigstens eine in der elektronischen Schaltung integrierte
Schalter, die jeweils demselben Tor des Vektornetzwerkanalysators
zugeordnet sind, identische elektrische Eigenschaften aufweisen.
Dies hat den Vorteil, dass der Kalibrieraufwand minimiert ist, da
alle elektrischen Messobjekte einer Schaltung unter Verwendung von
nur einem Kalibriersubstrat charakterisiert werden können.
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Bei
einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Absätze werden
auf dem Kalibriersubstrat ein oder mehrere Kalibrierstandards angeordnet,
wobei jedem Kalibrierstandard wenigstens ein, insbesondere zwei
Schalter zugeordnet sind.
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Bei
einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Absätze wird
auf der elektronischen Schaltung der wenigstens eine Schalter zwischen dem
elektrischen Messobjekte und der elektronischen Schaltung, in der
das elektrische Messobjekt eingebettet ist, angeordnet. Dadurch
können
die Streuparameter des elektrischen Messobjektes unabhängig und
isoliert von der elektrischen Eigenschaften der restlichen elektronischen
Schaltung bestimmt werden.
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Bei
einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Absätze wird
auf der elektronischen Schaltung jeweils ein Schalter an wenigstens
einer, insbesondere zwei oder allen, elektrischen Kontaktstellen
zwischen dem elektrischen Messobjekt und der elektronischen Schaltung
angeordnet.
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Bei
einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Absätze wird
eine einfache, schnelle und funktionssichere elektrische Verbindung
mit hoher elektrischer Qualität
insbesondere hinsichtlich der HF-Güte dadurch erzielt, dass beim
elektrischen Verbinden der Tore des Vektornetzwerkanalysators mit einem
jeweiligen Schalter dieser Schalter eine elektrische Verbindung
zwischen dem elektrischen Messobjekt und der elektronischen Schaltung
trennt und eine elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen
Messobjekt und dem jeweiligen Tor des Netzwerkanalysators herstellt.
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Bei
einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Absätze weisen
die Schalter des Kalibriersubstrats und der elektronischen Schaltung
mit identischen elektrischen Eigenschaften auch identische mechanische
Eigenschaften auf.
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Bei
einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Absätze sind
alle Schalter des Kalibriersubstrats und der elektronischen Schaltung
mit identischen elektrischen Eigenschaften identisch ausgebildet.
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Bei
einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Absätze wird
als Schalter ein elektronischer Mikroschalter verwendet.
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Bei
einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Absätze wird
die Umschaltung der elektrischen Verbindungen bei Anschluss des
zweiten Kontaktes an das bzw. Trennung des zweiten Kontaktes von
dem Messtor des Vektornetzwerkanalysators elektrisch, mechanisch
oder optisch durchgeführt.
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Bei
einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Absätze wird
die Umschaltung der elektrischen Verbindungen bei Anschluss des
zweiten Kontaktes an das bzw. Trennung des zweiten Kontaktes von
dem Messtor des Vektornetzwerkanalysators durch Anlegen einer vorbestimmten
elektrischen Spannung durchgeführt.