Verbesserte Kalibrierstrukturen für Frequenzen bis 110 GHz
Abb. 1: Messsystem mit einer kurzen CPW-Leitung und Andeutung einer parasitären Mode (PPL, Parallelplattenmode)
Abb. 2: Gemessene und simulierte Ergebnisse für die Dämpfung
Für die Charakterisierung von Hochfrequenzschaltungen im oberen GHz-Bereich bilden Messungen mit Netzwerkanalysatoren die wichtigste Grundlage. Bei On-Chip-Messungen kommen Messspitzen (Abb. 1) zum Einsatz, die auf koplanaren Pads auf dem Chip aufsetzen (Koplanarleitung, engl. CPW, Coplanar Waveguide). In die Messergebnisse fließen jedoch nicht nur die Eigenschaften der untersuchten Struktur ein, sondern auch unerwünschte Einflüsse der Messspitzen, der Messapparatur und der Umgebung. Diese Einflüsse müssen herausgerechnet werden, um die Eigenschaften der untersuchten Messobjekte selbst zu erhalten. Das wird durch eine sogenannte Kalibrierung erreicht, die durch Messung ausgewählter CPW-Strukturen und mittels spezieller Algorithmen eine anschließende Korrekturrechnung ermöglicht.
Eine kritische Bewertung des derzeitigen Standes dieser Kalibrationsrechnungen ergab, dass nicht alle Effekte optimal erfasst werden. Tatsächlich führen diese zu Fehlern bzw. Abweichungen in den Korrekturfaktoren und damit zu verzerrten Messergebnissen. Um diese Effekte besser zu verstehen, arbeitet eine kleine Gruppe von Wissenschaftlern an deren Beschreibung für den Fall der Koplanarleitung. Dazu werden unterschiedliche elektromagnetische Einflüsse wie Mehrmodenausbreitung, Strahlung und Substratmoden identifiziert sowie deren Anteile simuliert und messtechnisch untersucht. Im Frequenzbereich bis 110 GHz zeichnen die Ergebnisse bereits ein klareres Bild: Es handelt sich im Wesentlichen um verschiedene parasitäre Parallelplattenmoden (engl. PPL-Modes, Parallel Plate Line Modes), die für das wellige Verhalten in Abb. 2 verantwortlich sind. Zudem zeigen sich Oberflächenwellen, die Abstrahlung und damit einen steigenden Verlust bewirken. Im unteren Frequenzbereich bis 50 GHz beschränken sich die Effekte hauptsächlich auf die erwünschte CPW-Mode und die parasitäre PPL-Mode erster Ordnung, so dass dort ein relativ einfaches Kopplungsmodell gültig ist und aktuell aufgestellt wird.
Publikation:
F.J. Schmückle, R. Doerner, G.N. Phung, W. Heinrich, D. Williams, U. Arz, "Radiation, Multimode Propagation, and Substrate Modes in W-Band CPW Calibrations", European Microwave Conf. (EuMC 2011), Manchester, UK, Oct. 10-13, pp. 297-300 (2011).
FBH-Forschung: 20.10.2011