- Dans cet article, Anritsu aborde l’utilisation d’un substrat de calibration sous pointes, basé sur la méthode TRL (Thru – Reflect – Line), se montrant particulièrement efficace dans le cadre d’applications de mesure large bande.
- Pour illustrer l’étude présentée, Anritsu prend à titre d’exemple le VNA (Vector Network Analyzer pour Analyseur de Réseau Vectoriel) de la série ME7838G de la gamme VectorStar.
- Différents scénarios de mesure seront présentés, afin de mettre en évidence le champ du possible et les limites d’un substrat de calibration TRL.
- Aussi, cet article s’attache à comparer les deux approches suivantes : substrat de calibration industriel (solution commercialisée) et substrat de calibration artisanal (solution customisée).
Introduction
Tout utilisateur d’analyseur de réseau vectoriel (VNA pour Vector Network Analyzer) vise à obtenir une caractérisation la plus précise possible de leurs DUTs (Dispositif Sous Test), pouvant s’interfacer de différentes façons (coaxial, guide d’onde, sous pointes, voire sans interfaces). La calibration du VNA (qui sera sous pointes dans notre contexte) est une étape cruciale (puisque l’objectif sera de positionner le plan de référence autour du DUT en question), permettant de garantir des mesures intègres, répétables et fiables.
Après avoir choisi une configuration VectorStar adéquate, assemblé et monté la station sous pointes (incluant l’intégration et le positionnement des modules, y compris le montage des pointes sur ces derniers), puis paramétré correctement le VNA, nous pouvons donc nous diriger vers l’étape de calibration. La question qui se pose ici est de savoir vers quelle solution de calibration devons-nous se diriger ? (Substrat de calibration industriel ou bien artisanal ?).
Généralement, un substrat de calibration sous pointes est défini par de multiples standards tels que Open, Short, Load / Match, Thru et Line. Les avantages de se reposer une solution de calibration industrielle résident dans la précision des différents standards précédemment mentionnés et leur disponibilité, qui va varier en fonction du type de calibration envisagé (SOLT, TRL, etc…). Une calibration TRL fait intervenir au minimum deux ports de mesure et repose sur 3 standards : Thru (T), Reflect (R), et Line (L). La figure 2 montre un exemple de substrat de calibration TRL, comprenant trois lignes (soit trois standards Line).
Plusieurs variantes de calibration sous pointes existent et sont aujourd’hui adoptées par la communauté hautes fréquences. On retrouve couramment les méthodes TRM (Thru, Reflect, Match), LRL (Line, Reflect, Line), LRM (Line, Reflect, Match), où le standard Reflect peut être considéré comme Open ou Short, ayant pour objectif de réfléchir totalement le signal incident (entrainant un déphasage de 180° entre les 2 standards). La méthode TRL est principalement utilisée dans des environnements non-coaxiaux : mesures sous pointes ou bien lorsque nous sommes contraints d’utiliser des supports de mesure (= Test Fixture) pour atteindre le DUT en question. La méthode SOLT (Short, Open, Load, Thru) permet une calibration large bande, depuis de très basses fréquences (DC), jusqu’à la fréquence maximale permise par le connecteur du kit de calibration dont il est question. La méthode TRL a été développée dans le but de mesurer des DUTs non-coaxiaux aux fréquences micro-ondes, voire millimétriques.
En se basant sur ce qui a été dit précédemment, il est clair qu’un substrat de calibration industriel semble être l’option la plus convaincante ; cependant il existe certains cas où les utilisateurs se voient obligés de se tourner vers le développement d’un substrat de calibration artisanal. À titre d’exemple, concevoir des circuits micro-ondes ou millimétriques peuvent faire appel à des substrats de calibration sous pointes customisés et adaptés à des exigences spécifiques comme une précision conséquente, la mise en œuvre de techniques de mesure novatrices, l’adaptation du substrat pour des configurations de mesure automatisées ou bien dans une optique impliquant une mutualisation des DUTs entre plusieurs utilisateurs ou bien au sein de multiples projets industriels. Un substrat de calibration sur-mesure va également favoriser l’optimisation des puces électroniques, grâce à une implémentation technologique plus efficace adaptée à l’environnement sous pointes et aux procédés de mesure associés.
De plus, DUT et substrat de calibration personnalisé peuvent loger sur le même support physique (technologie MMIC = Monolithic Microwave Integrated Circuit).
Concevoir un substrat de calibration basé une méthode SOLT n’est pas une mince affaire où l’élément Load ou les vias peuvent manquer de précision une fois produits sur certains substrats. C’est pourquoi l’approche TRL est la plus répandue lorsqu’on souhaite concevoir son propre substrat de calibration. Puisque l’élément Line dépend de la longueur d’onde, peut-on donc parler de bande de fréquences pour un substrat de calibration basé sur la méthode TRL ?
Nous montrerons par ce qui suit qu’un substrat de calibration TRL peut être employé pour des applications de mesure large bande, devenant ainsi une ressource vitale pour un VNA tel que le ME7838G d’Anritsu. Nous adresserons également le mode opératoire pour dimensionner un substrat de calibration TRL en fonction des besoins de mesures (large bande ou bande étroite). Comme expliqué précédemment, un même support peut contenir plusieurs substrats de calibration, permettant ainsi de mutualiser différentes ressources de calibration.
Comment dimensionner la longueur de l’élément Line ?
Il demeure toujours un infime écart entre les pointes (Fig. 3) pour mesurer un standard Thru et c’est d’ailleurs la raison pour laquelle la longueur physique du standard Thru est très courte. Le standard Thru est défini comme étant de longueur électrique nulle ou négligeable (en termes de phase), mais sa longueur physique dépend de l’impédance et de la vitesse de propagation du substrat. Les standards Line et Thru définissent l’impédance de référence de mesure après calibration. La longueur de l’élément Line est spécifiquement choisie afin d’introduire un déphasage mesurable mais surtout distinct par rapport à l’élément Thru, tout en satisfaisant certaines conditions essentielles.
Typiquement, la longueur de l’élément Line est choisi dans l’intervalle [20° ; 160°] pour garantir une calibration sans ambigüités. En d’autres termes, la longueur électrique ne doit pas être inférieure à 20° à la plus basse fréquence de mesure envisagée et ne doit pas être supérieure à 160° à la plus haute fréquence de mesure souhaitée. Cette longueur électrique est bien souvent choisie en milieu d’intervalle, soit 90° (quart d’onde = lamda/4 ), à la fréquence centrale de la bande de mesure définie par l’utilisateur. En conséquence, dans le cadre d’applications de mesure très large bande, l’intégralité de la bande de mesure utile (qui devra donc être calibrée) peut se voir divisée en plusieurs sous-bandes afin de se conformer à la règle des 20°/160° énoncée plus tôt. La longueur physique de l’élément Line dépendra de la bande de fréquences, du type de ligne (microruban, coplanaire), des dimensions et propriétés du substrat et du contexte de mesure [A, B].
Combien d’éléments Line ai-je besoin afin d’avoir une calibration intègre ?
Dans un premier temps, exprimons le nombre d’éléments Line (nommé ) nécessaire pour une calibration TRL en fonction du ratio de bande passante nommé . Ici, il sera plus pratique d’associer la bande passante à un ratio, qui s’obtient simplement à l’aide de la formule suivante :
En associant ce concept de ratio à la règle des 20°/160° mentionnée précédemment, cela nous donne un rapport de 8:1. Par exemple un standard Line ayant une longueur électrique de 20° à 1GHz pourra donc être exploitée jusqu’à 8GHz [A;B]. Ce qui donne la relation suivante :
À présent, nous pouvons exprimer le nombre de lignes (= éléments Line) d’après l’expression ci-dessus :
Remarque : le paramètre NLines devra être arrondi à l’unité supérieure pour garantir la conformité du substrat de calibration en vue des exigences de l’utilisateur.
Comment concevoir un substrat de calibration TRL de manière générale, et à titre d’exemple, l’adapter à notre système 70kHz-220GHz (ME7838G) ?
Premièrement, calculons le nombre d’éléments Lines nécessaires pour couvrir la bande de fréquences du ME7838G (70kHz-220GHz). En se basant sur les précédentes expressions, nous obtenons :
Couvrir plusieurs dizaines de kHz jusqu’à plusieurs centaines de GHz nécessite donc 8 standards Line ! Les ingénieurs du milieu des hautes fréquences l’auront remarqué, un tel résultat requiert un ensemble de lignes extrêmement longues. La plus longue ligne serait de l’ordre de plusieurs mètres, ce qui n’est clairement pas envisageable pour un élément de référence ; de plus, une telle conception ne serait pas possible sur un substrat fin ou bien sur une puce de silicium).
C’est pourquoi un compromis est de rigueur dans ce cas présent. Dans la majeure partie des cas, modifier la fréquence maximale de mesure entrainerait des répercussions conséquentes, surtout dans la région fréquentielle des 220GHz où les enjeux sont de taille (caractérisation incomplète, manque d’informations sur le comportement du DUT à très hautes fréquences, impossibilité de valider les modélisations et simulations établies en amont, production et commercialisation du produit menacées, etc…). Il sera plus sage de venir modifier la fréquence minimale de mesure ; par conséquent, nous considèrerons la bande 1GHz-220GHz pour la suite de notre étude (par ailleurs, cette bande suffit amplement pour la plupart des applications large bande). Finalement, les calculs précédents montrent que 3 éléments Line seulement seront requis pour cette nouvelle bande de fréquences !
De nouveaux paramètres s’immiscent à ce stade, qu’il faudra calculer pour finaliser notre substrat de calibration. Il s’agit des points ou fréquences de transition (couramment appelés « Crossover points »). Autrement dit, ces points de transition définissent des instants où les lignes changent de comportement en fonction de la fréquence. Ces points jouent un rôle crucial dans le processus de calibration en définissant une segmentation des lignes où les calculs demeurent valides.
Les 2 points de transition (nommés FTn) sont calculés comme suit [B] :
Avec
F min : 1GHz (Fréquence minimale de mesure)
F max : 220GHz (Fréquence maximale de mesure)
n : Index du point de transition
N : Nombre de lignes nécessaires
Nous en déduisons donc :
Nous allons désormais nous intéresser à la délimitation des lignes en déterminant les fréquences centrales de chaque segment, délimités par les fréquences de mesure minimale, maximale et les points de transition calculés ci-dessus :
Les longueurs de lignes peuvent être désormais déterminées, pour une longueur électrique de 90° (ligne quart d’onde), de fréquence centrale respective 
Afin d’apporter du réalisme dans les calculs qui vont suivre, considérons un cas concret (soit une propagation dans un milieu différent de l’air), où nous tiendrons compte des paramètres et dimensions du substrat décrits dans [C]. Pour rappel, il s’agit d’un substrat polyimide (PI) présentant les spécifications suivantes :
Il ne reste plus qu’à renseigner toutes les spécifications précédentes dans le calculateur dont il est question dans [D], en fonction d’une impédance de ligne 
et d’une épaisseur de ligne 
Les longueurs de lignes résultantes sont les suivantes : L1 = 13,71mm, L2 = 2,27mm, L3 = 0,376mm.
Conclusion
Le premier point clé de cet article à souligner est l’importante couverture fréquentielle mise en évidence à travers ce scénario, mais aussi la bande d’analyse proposée par Anritsu avec le VNA ME7838G. Maitriser une couverture fréquentielle allant de 70kHz à 220GHz n’est pas une chose aisée lorsqu’on aborde par exemple la thématique de calibration du VNA. Une calibration TRL standard ne permet pas de fenêtrer un si large spectre ; la bande de fréquence est un paramètre clé qui permet l’exploitation raisonnable de la méthode TRL sans ambigüités, trois lignes suffisent à calibrer un VNA à partir d’1GHz jusqu’à 220GHz. Enfin, le monde de la mesure sous pointes apporte son lot de complexité ; la calibration du VNA devient conséquemment une étape critique où les ingénieurs cherchent à atteindre les meilleures performances, c’est pourquoi il vaudrait mieux se tourner vers une solution de calibration large bande commercialisée à l’inverse de se lancer dans une conception de substrat de calibration artisanale.
Cependant, une calibration large bande de 70kHz à 220GHz n’a jamais fermé ses portes à la thématique de calibration sous pointes ! [E] présente un exemple où l’utilisation d’un substrat permet de calibrer un système VNA de 70kHz à 220GHz, en venant combiner deux méthodes de calibration existantes : SOLT + TRL. [E] mentionne également une autre approche de calibration large bande, basée sur le principe de réflectométrie proposée par le VNA (fonctionnalité communément appelée DTF : Distance To Fault). Dans les grandes lignes, deux calibrations (coaxiale et guide d’onde) ont été combinées en une unique correction, qu’on vient finalement appliquer au VNA. L’analyse DTF permet de compenser mathématiquement les pointes de mesures (= de-embedding), pour intégrer ces dernières dans le plan de référence du VNA.
References :
[A] Müller, D., 2018. RF Probe-Induced On-Wafer Measurement Errors in the Millimeter-Wave Frequency Range (Vol. 89). KIT Scientific Publishing.
[B] Microwaves101, ‘TRL calibration,’ [Online]. Available: https://www.microwaves101.com/encyclopedias/trl-calibration. [Accessed: Feb. 29, 2024].
[C] Sterzl, G., Dey, U. and Hesselbarth, J., 2021. Subnanoliter sensing of dielectric properties of liquid-in-flow at 190 GHz. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 31(6), pp.808-811.
[D] em: talk, ‘Electromagnetics and Microwave Engineering,’ [Online]. Available: https://www.emtalk.com. [Accessed: Feb. 29, 2024]
[E] Rumiantsev, A., Martens, J. and Reyes, S., 2020, August. Calibration, Repeatability and Related Characteristics of On-wafer, Broadband 70 kHz–220 GHz Single-Sweep Measurements. In 2020 95th ARFTG Microwave Measurement Conference (ARFTG) (pp. 1-4). IEEE.
