MEMORIA OMI XV Evaluación en Banda Ancha(.045-50Hz) de Las Técnicas de Calibración y LRL(multilíneas) Utilizando Líneas Largas J. A. Reynoso-Hernández 1, C.Fabiola Estrada-Maldonado, Jesús Ibarra-illaseñor 1, Benjamín Ramírez-urán 1 1 Centro de Investigación Científica y de Educación uperior de Ensenada (CICEE), ivisión de Física Aplicada, Km. 107 Carretera Tijuana-Ensenada, 860 Ensenada, B.C. México; email: apolinar@cicese.mx Resumen En este trabajo se evalúa el rendimiento en frecuencia de las técnicas de calibración Line-Reflect-Line multilíneas y Line-Reflect-Match en el intervalo de frecuencia de 0.040-50Hz. Para evaluar el rendimiento de las técnicas de calibración y utilizamos los parámetros y la dispersión frecuencial de los elementos del circuito eléctrico equivalente de transistores PHEMTs determinados con ambas técnicas de calibración. 1.1.1.1 I. INTROUCCIÓN En el proceso de caracterización de dispositivos a frecuencias de microondas se utiliza un sistema de medición como el mostrado en la Fig.1. El sistema está formado por un analizador de redes y un soporte mecánico llamado base de pruebas. En la caracterización de dispositivos no coaxiales ( transistores, líneas coplanares) la corrección de los errores sistemáticos originados en el analizador de redes (Test set, acopladores direccionales) y en el soporte de pruebas ( base de pruebas, máquina de puntas) se pueden estimar utilizando técnicas de calibración. Las técnicas de calibración se pueden implementar en una etapa o en dos etapas. Las técnicas de calibración en una etapa estiman tanto los errores del analizador de redes como los de la base de prueba. Por otra parte, la técnica de calibración en dos etapas permite en su primera etapa estimar los errores propios del analizador de redes y en la segunda etapa se estiman los errores del soporte de pruebas. Una ventaja de la técnica de calibración en dos etapas es que permite caracterizar, además, del dispositivo el conjunto de conectores utilizados para asegurar el contacto eléctrico y mecánico del transistor. Las técnicas de calibración LRL[1] y [] son las más utilizadas en la corrección de errores de los analizadores de redes y en la corrección de errores de bases de prueba. El objetivo de este trabajo es evaluar el rendimiento de las técnicas de calibración utilizando líneas largas de longitud eléctrica θ (θ > 180 k, k=1,.,..n)[3-6] y [5-6]. Para lograr tal objetivo utilizamos la dispersión en frecuencia de los elementos del circuito eléctrico equivalente calculados de los parámetros de transistores PHEMTs corregidos con ambas técnicas de calibración. II. IMPLEMENTACION E LA TÉCNICA E CALIBRACIÓN: MULTILINIA UTILIZANO LÍNEA LARA y. La técnica de calibración fue implementada utilizando los resultados [3-6]. e utilizaron cinco líneas para cubrir el intervalo de frecuencias de.040-50hz. e acuerdo al método de multilineas, el numero de combinaciones de cinco líneas escogidas en pares generan diez pares distintos de líneas en total lo cuál es imposible de implementar en analizadores de redes comerciales. Además, no hay analizador de redes en el mundo capaz de utilizar líneas largas de longitud eléctrica θ (θ > 180 k, k=1,.,..n), lo cual requiere del desarrollo de un programa de cálculo. En lo que concierne a la técnica de calibración, esta técnica fue implementada utilizando los resultados [1,5,6]. La técnica de calibración implementada no hace uso de la constante de propagación para la localización del plano de referencia ni se impone que la línea tenga una longitud eléctrica de 1ps. Esto es una originalidad de este trabajo. El programa de cálculo para resolver las
MEMORIA OMI XV ecuaciones de las técnicas de calibración y fueron implementadas en PC utilizando el software MATLAB. En la presentación oral se hará una demostración en vivo de este software. III. MEICIÓN Y REULTAO Para evaluar el rendimiento de las técnicas de calibración y (m) se utilizo el procedimiento de calibración en dos etapas two tier calibration. En la primera etapa se corrigen los errores del analizador de redes HP8510C en el rango de frecuencias de 0.040-50 Hz utilizando la técnica de calibración OLT hort-open-load-thru, implementada con elementos coaxiales. La segunda etapa de la calibración se efectúo con las técnicas de calibración y utilizando un kit de calibración comercial ProbePoint CMO5 implementada con estructuras planares (transición coplanar-microcinta). Más detalles serán dados en la presentación del articulo. etalles de la base de pruebas se reportan en la Fig.. En la Fig.3 se muestran los parámetros 11 y del PHEMT (NE400) medidos en el punto de operación V =V y V =10mA después del proceso de de-embedding con las dos técnicas de calibración y. Utilizando la topología del circuito eléctrico equivalente mostrado en la Fig.4 (Topo1) y siguiendo el procedimiento reportado en[7] los elementos del circuito eléctrico equivalente fueron calculados utilizando los parámetros medidos (en diferentes puntos de operación del PHEMT) con la técnica y. En la fig.5 se muestran los elementos más significativos. Agradecimientos.- Este trabajo fue desarrollado con fondos conjuntos del CICEE y CONACYT (proyecto 5737) 1.1.1.1.1 IV. CONCLUIÓN El rendimiento de las técnicas de calibración y, utilizando tanto los parámetros de transistores PHEMTs así como los elementos del circuito eléctrico equivalente fue investigado. Los resultados de la dispersión de los elementos del circuito eléctrico equivalente de PHEMTs indican que a frecuencias bajas las dos técnicas son muy similares. in embargo, a medida que la frecuencia aumenta la técnica de calibración parece ser más confiable que la técnica de calibración. Esta desviación se origina principalmente a la no idealidad del elemento de calibración Match. 1.1.1.1.1.1 REFERENCIA [1]. F. Engen and C.A.Hoer, "Thru-Reflect-Line: An improved Technique for Calibrating the ual ix- Port Automatic Network Analyzer," IEEE Trans. Microwave Theory Tech.,Vol.MTT-7,No.1, pp. 987-993, ecember 1979. [] H. J. Eul and B. chieck, "Thru-Match-Reflect: One result of a rigorous theory for de-embedding and network analyzer calibration," in Proc. 18th Microwave Conf., tockholm, weden, 1988, pp. 909-914 [3]. F. Engen and C.A.Hoer, "Thru-Reflect-Line: An improved Technique for Calibrating the ual ix- Port Automatic Network Analyzer," IEEE Trans. Microwave Theory Tech.,Vol.MTT-7,No.1, pp. 987-993, ecember 1979. [4] R. B. Marks, "Multiline Method of Network Analyzer Calibration," IEEE Trans. Microwave Theory Tech.,Vol.MTT-39,No.7, pp. 105-115, July 1991. [5] J. A. Reynoso-Hernández, C. F. Estrada-Maldonado, "Broadband determination of two-port transmission ( 1, 1 ) parameters of PHEMT s embedded in transmission lines," 55 th Automatic RF Techniques roup Conference, pp.49-5, Boston, Massachusetts June 15-16, 000. [6] J.A.Reynoso, et al" Un metodo simple de de-embedding(sin restricciones frecuenciales) de los parametros de transmisión1 y s1 de cuadripolos: Activos y pasivos utilizando dos líneas de transmision ", Memorias OMI XIV Congreso de instrumentacion,tonantzintla Puebla, Mexico, octubre, 1999, pp-09-13. [7] J. A. Reynoso-Hernández, F. Rángel-Patiño, and Julio Perdomo, "Full RF characterization for extracting the small-signal equivalent circuit in microwave FET's," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 44, no. 1, pp. 65-633, ecember 1996.
MEMORIA OMI XV Errores del Puerto A Analizador de Redes Ideal Errores del Puerto B L1 UT L1 T A T L T UT T L T B Fig.1. Montaje para la caracterización de dispositivos. L1 L LRL Zo =50 Ω γ=α+jβ L 100 Ω 100 Ω C.O C.O C.C C.C Fig.. Base de pruebas y patrones de calibración para implementar las tecnicas de calibración y.
j0.5 MEMORIA j1 OMI XV j j0. 0 0. 0.5 1 -j0. -j0.5 -j Fig.3.- Comparación en la carta de mith de los parametros 11 y calculados con la técnica y. -j1 L R intrinsic R L transistor CP CP L R intrinsic R L transistor Topo 1 R L CP R L CP Topo C C R i C g m g C intrisic transistor g m =g mo e -jωτ L R intrinsic R L transistor CP CP R L Topo 3 Fig.4.- Topológia de circuito eléctrico equivalente utilizada (Topo1) para para evaluar el rendimiento de las tecnicas de calibración y.
MEMORIA OMI XV 3. x 10-13 3.8 Cgs,(F).6.4. 1.8 1.6 1.4 0 5 10 15 0 5 30 35 40 45 50 Fig.5a.- Capacitancia compuerta-fuente Cgs calculada con las tecnicas de calibración y utilizando la topología I (topo1). Frecuencia F, (Hz) x 10-14 4 3 Cds (F) 1 0-1 - -3 0 5 10 15 0 5 30 35 40 45 50 Frequency F, (Hz) Fig.5b.- Capacitancia drenador-fuente Cds calculáda con las tecnicas de calibración y utilizando la topología I (topo1). 0.15 0.14 0.13 gm,(m) 0.1 0.11
MEMORIA OMI XV Fig.5c.- Transconductancia gm calculada con las tecnicas de calibración y utilizando la topología I (topo1). 0.04 0.035 gds (m) 0.03 0.05 0.0 0.015 0.01 0.005 0 5 10 15 0 5 30 35 40 45 50 Fig.5d.- Conductancia gds calculada con las tecnicas de calibración y utilizando la topología I (topo1). Frecuencia F, (Hz) 30 5 0 Ri,(Ω) 15 10 5
MEMORIA OMI XV Fig.5e.- Resistencia Ri calculada con las tecnicas de calibración y utilizando la topología I (topo1). x 10-1 4 3 Tau, (seg) 1 0-1 - 0 5 10 15 0 5 30 35 40 45 50 Frecuencia F, (Hz) Fig.5f.- Tiempo de propagación τ calculado con las tecnicas de calibración y utilizando la topología I (topo1).