Study and Traceability of " LINE-REFLECT-ATTENUATOR " calibration for on-wafer measurements using Vector Network Analyzer
Etude et Traçabilité du calibrage " Line - Attenuator - Reflect", pour les mesures sous pointes à l'aide d'un analyseur de réseau vectoriel
Résumé
S-parameters are one of the base quantities of electricity-magnetism in the radiofrequency field. They are normalized to an impedance value called the reference impedance and measured using a vector network analyzer (Vector Network Analyzer (VNA)). The accuracy of S parameters measurements of microwave components depends on the accuracy of the calibration technique used to correct the systematic errors in the system. The calibration consists in measuring devices, called standards, and which can be accurately or partially known. The error parameters of the VNA are obtained from the calibration procedure and are finally used to characterize the true S-parameters of the device. The LAR (Line-Attenuator-Reflect) calibration procedure is particularly attractive because it is already integrated into modern VNAs and it enables broadband measurements with a limited number of standards. On the other hand, only a few studies concern the traceability assessment of this method. That is the reason why the LNE (Laboratoire National de Métrologie) decided to estimate the traceability and accuracy of S parameters measurement when the LAR calibration method is used. In this context, the thesis can be summarized as follows: 1)Realization of a on wafer calibration kit allowing to execute both the LAR calibration and the Multiline TRL calibration which is considered as the reference calibration for on wafer measurements. 2)Development of a new method in order to estimate the errors due to the fact that the input and output impedances of the standard attenuator is different from 50 Ω. This solution is very efficient and it does not require an accurate determination of the reference impedance of the LAR calibration technique. 3)Development of an original method for determining the input and output impedances of the LAR calibration procedure leading to a precise measurement of the reference impedance. 4)Realization of a calibration kit for users, with three different methods to determine the reference impedance. ● Electrical model of the standard attenuator. ● Polynomial interpolation of the reference impedance measurement. ● Development of a new simplified and low cost technique named the LAR-L procedure. 5)Analysis of errors when the substrate of the calibration kit is different from the substrate of the device under test. In order to reduce these errors, we proposed a solution to determine the coupling capacitance at the probe tip. For this purpose, a well-known transmission line is realized on the wafer of the device under test.
Les paramètres S constituent l'une des grandeurs de base de l'électricité-magnétisme dans le domaine radiofréquence. Ils sont normalisés par rapport à une valeur d'impédance dite de référence et sont mesurés à l'aide d'un analyseur de réseau vectoriel (Vector Network Analyzer (VNA)). La précision des paramètres S des composants micro-ondes avec un analyseur de réseau vectoriel (VNA) dépend de l'exactitude du calibrage utilisé pour corriger les erreurs inhérentes au système. Le calibrage consiste à mesurer des dispositifs particuliers plus ou moins bien connus, que l'on appelle étalons, afin de déterminer les erreurs systématiques du système avant la mesure du composant. Les coefficients d'erreurs calculés à partir de l'étalonnage seront utilisés pour caractériser les vrais paramètres S du dispositif. La procédure de calibrage LAR (Line-Attenuator-Reflect), intégrée dans les analyseurs de réseau modernes et qui permet une large bande de mesure avec un nombre limité d'étalons de référence sur wafer, est particulièrement attractive. Par contre, peu d'études sont réalisées pour évaluer sa traçabilité. C'est pourquoi le LNE (Laboratoire National de Métrologie et d'Essais) a décidé de mener des études afin d'évaluer la traçabilité et la précision de mesure quand la méthode de calibrage LAR est utilisée. Dans ce contexte, nos travaux de thèse se résument comme suit : 1)Réalisation d'un kit de calibrage sur Wafer pour exécuter à la fois le calibrage LAR et le calibrage Multiline TRL qui constitue le calibrage de référence pour les mesures sur wafer. 2)Proposition d'une méthode originale basée sur un calcul d'erreur pour tenir compte du fait que les impédances d'entrée et de sortie de l'atténuateur étalon sont différentes de 50 Ω. Outre sa précision, l'avantage de cette méthode est qu'elle ne nécessite pas la détermination précise de l'impédance de référence du calibrage LAR. 3)Proposition d'une méthode originale analytique pour déterminer l'impédance d'entrée et de sortie de calibrage et donc l'impédance de référence. 4)Réalisation d'un kit de calibrage large bande pour les utilisateurs, dont l'impédance de référence du calibrage LAR est peut être obtenue par trois moyens :. ● Modélisation électrique de l'atténuateur. ● Modélisation de l'impédance de référence par interpolation polynomiale. ● Mise au point d'une méthode simplifiée : la procédure LAR-L. 5)Analyse des erreurs dans le cas ou le substrat du kit de calibrage est différent du substrat du dispositif à caractériser. Pour déterminer cette capacité, une solution consiste à graver sur le wafer du dispositif sous test une ligne de transmission dont les dimensions doivent être connues, et dont on mesure les paramètres S après calibrage du VNA.
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