Caratterizzazione del Banco di Misura

Al fine di assemblare il banco di Figura 29 è necessario caratterizzare i componenti del banco di misura tramite i parametri [S], ed in particolare:

• lo switch in ingresso nelle due posizioni che connettono

rispettivamente il Tuner ad il VNA ed il Tuner al DUT.

• il bias tee di uscita, cavi ed isolatori.

Tali caratterizzazioni sono effettuate tramite calibrazioni in cavo SOLT, Short Open Load Through, mentre per i componenti non-insertable, le sonde a RF, si effettua una calibrazione on wafer adapter-removal, che ha permesso di determinare i parametri [S] della sonda di uscita e della cascata della sonda e bias tee di ingresso. La qualità delle calibrazioni in cavo e soprattutto on wafer sono fondamentali per una buona caratterizzazione di rumore, in quanto influiscono sia sull’accuratezza di misura del carico sintetizzato dal Tuner sia sulla fase di elaborazione delle potenze di rumore.

Con l’obiettivo di mostrare le differenze fra l’estrazione dei parametri [S] dei componenti non-insertable, come la cascata della sonda e del bias tee d’ingresso, sono state effettuate due differenti approcci di calibrazione; il primo è basato sulla tecnica unterminating mentre il secondo si basa sull’adapter-removal. Il confronto dei parametri [S] estratti dai due metodi permette di determinare la tecnica più corretta in modo da minimizzare i possibili errori sul valore di carico sintetizzato all’ingresso dei FET. Si osserva infatti che una variazione del carico d’ingresso rispetto al valore stimato determina variazioni sensibili del Fattore di rumore estratto dalle misura di potenza fredda poiché un valore differente di ΓS genera un errore diretto nella

(61).

La prima, nota come unterminating, prevede una calibrazione in cavo del VNA ad una porta. Una volta calibrato lo strumento e connesso bias tee di ingresso si effettuano misure di coefficiente di riflessione appoggiando la sonda su tre differenti carichi noti (SOL).

In questo modo è possibile determinare per elaborazione delle misure i parametri s11,probe, s22,probe ed s12,probe●s_21,probe della sonda.

Il secondo metodo prevede invece una calibrazione adapter-removal. La verifica dei parametri [S] della sonda di ingresso e bias tee, estratti attraverso le due differenti calibrazioni, è stata effettuata calibrando il VNA on wafer ad una porta alla sonda di uscita. Connettendo un thru fra le due sonde e chiudendo la sonda di ingresso su un carico riflessivo noto, si è misurato alla sonda di uscita il coefficiente di riflessione.

Effettuando il de-embedding del thru presente fra le due sonde in misura, si sono confrontate la misura con i parametri [S] della cascata della sonda di ingresso e bias tee, estratti precedentemente con le calibrazioni unterminating e adapter removal, e carico noto, uno short del Kit di Calibrazione K dell’Anritsu Modello 3652, in Figura 37.

0 1. 0 1 . 0 - 1 . 0 1 0 . 0 10.0 -1 0. 0 5 . 0 5.0 -5 .0 2 . 0 2. 0 - 2 . 0 3 . 0 3. 0 - 3 . 0 4 . 0 4.0 -4 .0 0 . 2 0. 2 -0.2 0 . 4 0 . 4 -0 .4 0 . 6 0 . 6 -0 .6 0 . 8 0 . 8 -0 .8 Swp Max 6GHz Swp Min 0.1GHz Unterminating Adapter Removal 1 Port Calibration

Figura 37: Coefficiente di riflessione della sonda di ingresso, chiusa su uno short.

Come è possibile notare in Figura 37, la calibrazione unterminating presenta un errore maggiore in fase sull’s11, stimato tramite la calibrazione ad una porta.

La calibrazione adapter-removal, invece, presenta s11 fondamentalmente

identico in modulo e fase alla misura effettuata con calibrazione ad una porta. E’ quindi evidente che per minimizzare ogni errore ripetibile è stata adottata la calibrazione adapter-removal per estrarre i parametri [S] delle sonde e bias tee

a RF presenti nel banco di misura necessari per l’estrazione della figura di rumore dei dispositivi attivi.

I transistori considerati come veicoli di prova sono:

• un coplanare fornito dalla fonderia QinetiQ basato su un substrato in

GaN formato da 4 finger ciascuno lungo 125µm (4x125=500µm come

periferia di Gate) e una lunghezza di canale pari a 0.25µm con distanza

tra i contatti di Drain e Source pari a 4µm.

• un field plate microstriscia fornito dalla fonderia Selex Sistemi Integrati

basato su un substrato in GaAs formato da 4 finger ciascuno lungo 100µm (4x100=400µm come periferia di Gate) e una lunghezza di

canale pari a 0.5µm con distanza tra i contatti di Drain e Source pari a

5µm.

Il primo transistore è caratterizzato on wafer a parametri [S] per le polarizzazioni a VDS costante e pari a 10V al 10%, 20% e 30% IDSS. Il secondo

è caratterizzato on wafer a parametri [S] per le polarizzazioni a VDS=2.5 e 5V

al 30% IDSS e IDSS. Le misure effettuate al VNA utilizzano rispettivamente per

il primo e il secondo transistore una calibrazione TRL, Through Reflect Lines, su substrato GaN e su substrato GaAs.

Come la calibrazione adapter-removal, anche la calibrazione TRL, adottata per misurare i parametri [S] del DUT, è determinante nella fase di estrazione del fattore di rumore dalle misure di potenza fredda. In particolare, come per i componenti non-insertable, la misura di s11 del dispositivo attivo è critica per

un’estrazione accurata del fattore di rumore. Infatti un errore in fase di pochi gradi, derivante per esempio dalla calibrazione on wafer come mostrato in Figura 38, su s11 può inficiare l’estrazione del parabolide di rumore.

E’ stato quindi necessario adottare una calibrazione on wafer 2 porte sullo stesso substrato del dispositivo attivo e con lo stesso modo di propagazione; per il DUT QinetiQ si è adottata una calibrazione coplanare TRL su GaN, mentre per il DUT Selex S.I. una calibrazione microstriscia TRL su GaAs.

0 1. 0 1 . 0 - 1 . 0 1 0 . 0 10.0 -1 0. 0 5 . 0 5.0 -5 .0 2 . 0 2. 0 - 2 . 0 3 . 0 3.0 - 3 . 0 4 . 0 4.0 -4 .0 0 . 2 0. 2 -0.2 0 . 4 0 . 4 -0 .4 0 . 6 0 . 6 -0 .6 0 . 8 0 . 8 -0 .8 Swp Max 10.1GHz Swp Min 0.1GHz m3 m2m1 SOLT Allumina TRL Allumina TRL GaN m1: 5 GHz Mag 0.87 Ang -93 Deg m2: 5 GHz Mag 0.87 Ang -96 Deg m3: 5 GHz Mag 0.87 Ang -89 Deg

Figura 38: s11 misurato del dispositivo QinetiQ @ VDS=10V e 20%IDSS. La linea nera, ed il marker 1, è stata ottenuta per una calibrazione TRL in GaN, la linea blu, ed il marker 3, ottenuta in SOLT su allumina e la

linea rossa, ed il marker 2, ottenuta in TRL su allumina,.

I marker in Figura 38 evidenziano come a 5GHz i tre parametri s11 misurati

differiscano in fase di quattro gradi, rispetto al valore ottenuto dalla calibrazione TRL su GaN, nominalmente la migliore. Una variazione di questo ordine di grandezza può risultare determinante nell’accuratezza dell’estrazione del parabolide di rumore.

Terminata la fase di pre-caratterizzazione del banco di Cold-Source Pull e dei dispositivi attivi in misura, si è calibrato il ricevitore di rumore, come descritto nel paragrafo 1.5.1, estraendo i parametri di rumore kBG e FRCVR necessari per

rimuovere dalle misure il contributo rumoroso del ricevitore stesso.

Infine, prima della fase di misura Cold-Source Pull, l’analizzatore di reti è calibrato ad una porta, tramite standard in cavo coassiale (SOL), ed è connesso allo switch. Mediante le procedure descritte nel Capitolo 1 si sono effettuate le misure di Cold-Source Pull su differenti HBV FET.