AgilentENAシリーズRFネットワーク・アナライザとカスケード・マイクロテック社のプローブ・システムを使用したテスト・フィクスチャ・キャラクタリゼーションプロダクト・ノートE5070/71-4

これまで、テスト・フィクスチャによる測定結果への影響を取り除く手法として、数多くの方法が検討されてきました。こうした手法は、大きく2つの方法に分類することができます。一つは、専用の校正スタンダードを用いてテスト・フィクスチャの先端で校正する方法、そしてもう一つは、シミュレーションを使用して、テスト・フィクスチャの特性をディエンベディングする方法です。前者は、テスト・フィクスチャの先端で校正するための特別なスタンダードが必要となり、こうしたスタンダードは非常に高価なだけでなく、特定のテスト・フィクスチャでしか使えないため、使用範囲が限定された方法になります。これに対して、ディエンベディングは、テスト・フィクスチャのモデルを使用して、フィクスチャの影響を測定結果から数学的に取除く方法です。通常、ディエンベディング用のデータは、ADS（AdvancedDesign System）のようなシミュレーション・ツールを使用してテスト・フィクスチャをモデル化した結果より求められますが、テスト・フィクスチャの正確なモデリングは、非常に困難で時間のかかる仕事です。そのため、簡単かつ正確にテスト・フィクスチャのキャラクタリゼーションを実現できる方法が望まれています。

このプロダクト・ノートでは、テスト・フィクスチャのキャラクタリゼーションの新しい手法として、ENAシリーズRFネットワーク・アナライザと、カスケード・マイクロテック社のプローブ・システムを用いた方法について説明します。特に、マルチポート・デバイス用テスト・フィクスチャのキャラクタリゼーションを行なう場合には、非常に有効な方法です。この方法を用いることで、複雑なシミュレーション・モデルを作成することなく、ディエンベディング用のデータが簡単に得られます。さらに、このプロダクト・ノートでは、ADSを用いたテスト・フィクスチャのディエンベディング手法についても上記方法との比較として説明します。

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はじめに

ENAシリーズとカスケード・マイクロテック社製プローブ・ステーションを組み合わせたテスト・フィクスチャのキャラクタリゼーション・システムの構成を図1に示します。

このソリューションを使用することで、テスト・フィクスチャのキャラクタリゼーションを、8.5 GHzまでの周波数範囲で実現することができます。さらに、ACP（Air Coplanar Probe）シリーズ、あるいはFPC（Fixed-Pitch Compliant）シリーズ・コンプライアンス・プローブとの組み合わせにより、ENAシリーズからテスト・フィクスチャの電極への接続を、広い周波数範囲に渡り安定して行なうことが可能になります。また、両プローブともに、150μmから1250μmまでの電極間隔に対応しているため、テスト・フィクスチャの電極間隔に応じた各種プローブを選択できます。

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1. システム構成

図1 測定システム概要：ENAシリーズRFネットワーク・アナライザとSummit 9100 RFプローブ・ステーション

図2 ACPシリーズ・プローブ

テスト・フィクスチャのキャラクタリゼーションでは、プローブ先端における高精度な1ポート校正が必要になります。精度の高い校正を実現するために、カスケード・マイクロテック社は、インピーダンス基準基板（ISS）と呼ばれる校正スタンダード、およびENA Wafer Calソフトウェア1)を提供しています。（図4および図5参照）ENA Wafer Cal ソフトウェアはENAシリーズ上で動作するプログラムで、校正キットの入力や校正手順をナビゲートしてくれます。そのため、精度だけでなく、再現性の高い校正を実現することができるようになります。

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図3 FPCシリーズ・コンプライアンス・プローブ

図4 インピーダンス基準基板（ISS）1）ENA Wafer Cal ソフトウェアは、ENAシリーズのBモデル（Windows® 2000搭載）に対応しています。

この章では、今回提案するカスケード・マイクロテック社製プローブを使用したテスト・フィクスチャのキャラクタリゼーションの概要と、その手順について説明します。

2.1 フィクスチャ・ディエンベディングとは？フィクスチャ・ディエンベディングとは、測定結果からテスト・フィクスチャの特性を、数学的に取除く方法です。ENAシリーズには、フィクスチャ・ディエンベディング2）がフィクスチャ・シミュレータ機能の一部として搭載されています。そのため、ディエンベディング・データが入手できれば、外部PCやシミュレーション・ツール等を使用しなくても、テスト・フィクスチャの影響を簡単に取除くことができます。

2.2 テスト・フィクスチャ・キャラクタリゼーションの概要図6は、1ポート・デバイスを測定する場合に影響を受ける、3つのシステマチック誤差を示したものです。Edf は、ポート1の方向性カプラを通過する信号漏れにより生じる順方向方向性誤差を表現しています。Erf は、テスト経路と基準経路の経路差異により生じる順方向反射トラッキング誤差を表現しています。そして、Esf は、ENAのテスト・ポート・インピーダンスが、ソース・インピーダンスと整合していないために生じる順方向ソース・マッチ誤差を表現しています。これら3つの誤差項を、1ポート測定システムの誤差アダプタ係数と呼びます。

ある意味では、ベクトル・ネットワーク・アナライザの校正プロセスは、図6に示す誤差アダプタ係数を、測定値からディエンベディングすることといえます。以下に示すテスト・フィクスチャのキャラクタリゼーション手法は、まさにこの考え方を応用したものです。

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2. テスト・フィクスチャのキャラクタリゼーション

図6 1ポート誤差アダプタ・モデルのシグナル・フロー図2）フィクスチャ・ディエンベディングに関する詳細情報については、アプリケーション・ノート1364-1、“Agilent ベクトル・ネットワーク・アナライザを使用したSパラメータ・ネットワークのディエンベディングおよびエンベディング”を参考にして下さい。

図5 ENA Wafer Calソフトウェア

具体的には、3つの校正スタンダード（オープン、ショート、ロード）のS11測定結果と、各スタンダードのS11の定義値を使用して、測定ポートとDUT（Device Under Test）間に存在する誤差アダプタ係数を求める方法で、ここで得られた誤差アダプタ・モデルをディエンベディングで使用します。これにより、テスト・フィクスチャの影響を除いたデバイス測定が実現できます。

2.3 テスト・フィクスチャ・キャラクタリゼーション手順以下に示すフィクスチャ・キャラクタリゼーションは、表1に示す製品と図7に示す評価用ボートを使用して行なっています。

この評価用ボードは、平衡SAWフィルタの測定用にデザインされたものです。使用した平衡SAWフィルタは、不平衡の入力端子と平衡の出力端子を持つ3ポート・デバイスで、中心周波数が942.5 MHz、パスバンドの挿入損失が最大3.5 dBで仕様化されています。

以下に、実際のテスト・フィクスチャ・キャラクタリゼーションの手順を各ステップ毎に説明します。

ステップ1：ENAとACPまたはFPCプローブを接続し、ISSとENAWafer Calソフトウェアを使用して1ポート校正3)を実施します。

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表1．使用した製品

製品名 型番 備考ENAシリーズRFネット E5071B Opt.414 300 kHz～8.5 GHzワーク・アナライザ 4ポート・テスト・セット付きSummitシリーズRF/ Summit 9101マイクロ波解析用プローブ・ステーションFPCシリーズ・コンプラ FPC-GS-1250 1250 µmピッチイアンス・プローブインピーダンス基準基板（ISS） 106-683 ワイド・ピッチのGS/SG用ENA Wafer Cal 125-950 ENAシリーズBモデル対応ソフトウェア (E5070B/E5071B)

図7 評価用ボード

3）カスケード・マイクロテック社のプローブと、ISSを用いた校正の詳細情報については、プロダクト・ノート E5070/71-3、“ENAシリーズ・ネットワーク・アナライザとカスケード・マイクロテック社のプローブを用いたマルチポート校正”を参考にして下さい。

ステップ2：図8に示すアダプタ・キャラクタリゼーション・プログラム（VBAのマクロ・プログラム）を使用することで簡単にフィクスチャのキャラクタリゼーションを行うことができます。このプログラムは、3つの校正スタンダード（オープン、ショート、ロード）を評価用ボードの同軸ポートに接続し、測定して得られた3つのS11 から計算により2ポート・Sパラメータを求めることができます（図9参照）。さらに、一般的に使用される同軸校正キットの定義値があらかじめ登録されているので、フィクスチャ・キャラクタリゼーションに使用する校正キットの値を再登録する必要がありません。

ステップ3：最終的に、3つのS11 から2ポートSパラメータが計算により求められ、タッチストーン・フォーマット（.s2p）で保存されます。

ステップ4：テスト・フィクスチャの各ポートについて、ステップ1から3までを繰り返し行ない、全信号経路の2ポートSパラメータを求めます。

ステップ5：図10に示すように、保存したディエンベディング・データを各テスト・ポートに適用し、評価用ボードの影響を取除きます。

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図9 カスケード・マイクロテック社製FPCシリーズ・コンプライアンス・プローブを使用した評価用ボードのキャラクタリゼーション

図8 アダプタ・キャラクタリゼーション・プログラム

テスト・フィクスチャのキャラクタリゼーションとして一般的に用いられる方法の1つに、Agilent ADSのようなシミュレーション・ソフトウェアの使用があります。ADSは、システムや回路設計、そして電磁界シミュレーションなど、各種デザインを1つのプラットフォーム上で行なうことができるソフトウェアです。ここでは、ADSを用いたテスト・フィクスチャ・キャラクタリゼーションについて説明します。

3.1 評価用ボードのモデル化図11に示すように、ADSを使用して評価用ボードをモデル化します。まず、短い同軸を使用して、評価ボードの同軸-マイクロストリップ・コネクタの同軸部分をモデル化します。同軸からマイクロストリップへの変換部分を集中定数の直列インダクタと並列キャパシタとしてモデル化し、評価用ボードの測定結果を基に最適化を行ないます。評価用ボードの測定結果は、評価用ボード上の電極をショートした状態で測定したS11パラメータを使用します。次に、マイクロストリップ・スルー・ラインを、直列インダクタと並列キャパシタの後段に配置します。このマイクロストリップ・ラインは、使用している基板の正確な誘電率と誘電正接（tan δ）の値が必要になります。これらの値が不正確な場合、モデルの精度に直接影響します。通常こうした値は、各部品を製造しているメーカから提供されています。

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3. ADSを用いたテスト・フィクスチャ・キャラクタリゼーション

図11 評価用ボードのADSモデル

図10 ENAシリーズのフィクスチャ・ディエンベディング機能

3.2 評価用ボードの最適化インダクタとキャパシタのモデル値を、ADSを使用して測定値とシミュレーション結果が良く一致するまで最適化を行ないます。テスト・ボードのS11の測定結果と、最適化結果を図12に示します。Sパラメータをすべて最適化した後、測定したパラメータと比較することで、シミュレーション値が正確かどうかを検証します。

同軸からマイクロストリップへの変換部分においては、ノンリニアな影響があるため、この変換部分を簡略化した集中定数モデルは、狭い周波数範囲でのみ有効となります。広帯域での動作が必要な場合には、測定されたSパラメータのノンリニア動作を周波数の関数として考慮したモデルを組み込む必要があります。

ここでの注意点としては、上記で最適化したモデルは1ポート・モデルですが、最終的には2ポート・モデルに変更し、2ポートSパラメータをタッチストーン・フォーマット（.s2p）で保存する必要があります。なぜならば、ENAシリーズのディエンベディング機能では、2ポートSパラメータ（タッチストーン・フォーマット）が必要となるためです。

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図12 測定したS11とモデル化したS11の比較（評価用ボード）

この章では、ディエンベディングを使用したSAWフィルタの評価結果について説明します。

4.1 平衡SAWフィルタの評価平衡SAWフィルタを、評価用ボードとディエンベディング・データを使用して評価しました。図13にプローブを用いた場合と、ADSを用いた場合に得られた、それぞれのディエンベディング・データを使用した測定結果を示します。また、これらの２つの方法によるディエンベディングの有効性を示すために、ポート延長を使用した測定データも併せて示しています。

全体的なフィルタの形状を比較すると、3つの測定トレースは、ほとんど一致しているように見えますが、実際にはパスバンドにおける測定値が異なります。（図14参照）

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4. ディエンベディングを使用した実際のデバイス評価

図13 平衡SAWフィルタ測定結果の比較

図14 平衡SAWフィルタのパスバンドにおける測定データ比較

残念ながら、基準となる平衡SAWフィルタが無いため、デバイスの真値にどの値が近いのかを議論することはできません。しかしながら、プローブを使用したディエンベディングによる測定結果と、ADSのディエンベディングを使用した結果を比較すると、測定値が最大でも0.1 dB程度しかずれていないことが分かります。また、パスバンドにおけるフィルタの形状もお互いに酷似していることから、双方のディエンベディングによる測定結果は、ポート延長と比較して強い相関性があると言えます。これに対して、ポート延長による結果は、他の2つとは大きく異なります。特に、パスバンドの左肩の部分では、ディエンベディングによる結果と比較して0.4 dB以上の差が見られます。

プローブを使用したディエンベディングによる測定結果と、ADSのディエンベディングによる結果の差については、評価用ボード内で発生する測定信号の反射や結合といった影響を考慮してモデルを最適化することで減少させることができますが、実際にこうしたモデルを作成することは非常に困難な作業となります。

表2に、プローブを用いた方法と、ADSを用いた方法のメリットとデメリットをまとめました。

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方　法 プローブ ADSメリット ●簡単にディエンベディング・ ●カスケード・マイクロテック

データが入手できる 社のプローブによる方法と●複雑なテスト・フィクスチャ 比較して低価格のモデリングが不要

デメリット ●ADSによる方法と比較して ●テスト・フィクスチャの正確な高価 モデリングには時間を要する

●モデリング手法を学習する必要がある

表2 プローブを用いた方法とADSを用いた方法の比較

このプロダクト・ノートを通じて、ENAシリーズとカスケード・マイクロテック社のプローブ・システムを使用した、新たなテスト・フィクスチャのキャラクタリゼーション方法について説明しました。今回ご紹介したディエンベディング手法を使用することで、マルチポート・テストフィクスチャであっても簡単にキャラクタライズすることが可能になります。このプロダクト・ノートが、テスト・フィクスチャのキャラクタリゼーションの作業効率を改善するだけなく、より正確なデバイス評価を行なうための一助になれば幸いです。

まとめ

Microsoft®及びVisual Basic®は、Microsoft社の米国における登録商標です。

5988-6522JA0000-03H

October 10, 2003

参考文献1) ENAシリーズ2，3，4ポートRFネットワーク・アナライザ、プロダクト・オーバービュー (P/N 5988-3765JA)

2) Agilent ベクトル・ネットワーク・アナライザを使用したSパラメータ・ネットワークのディエンベディングおよびエンベディング、アプリケーション・ノート 1364-1 (P/N 5980-2784J)

3) ENAシリーズ・ネットワーク・アナライザとカスケード・マイクロテック社のプローブを用いたマルチポート校正、プロダクト・ノートE5070/71-3 (P/N 5988-5886JA)

4) ENAシリーズRFネットワーク・アナライザ　フィクスチャ・シミュレータ機能の紹介、プロダクト・ノートE5070/71-1 (P/N 5988-4923JA)

カスケード・マイクロテック社の製品に関しては、直接カスケード・マイクロテック社にお問い合わせ下さい。

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