MEDIDAS EM MICRO-ONDAS

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Fernanda Frade Gusmão
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1 MEDIDAS EM MICRO-ONDAS - Matriz de Impedância e Matriz de Admitância - Matriz de Espalhamento - Medida de Matriz de Espalhamento - Medidas on chip Profa. Dra. Fatima Salete Correra 1

2 Matriz de Impedância e Matriz de Admitância 2

3 Rede arbitrária de micro-ondas No plano t n da porta N, tem-se V n+, I n + tensão e corrente incidentes V n-, I n - tensão e corrente incidentes Rede com N portas ou acessos Tensão total: V n = V n + + V n - Corrente total: I n = I n + - I n - 3

4 Matriz de Impedância [Z] Relaciona as tensões com as correntes nos acessos da rede Em forma matricial [V ] vetor das tensões V i, com i de 1 a N [I ] vetor das correntes I i, com i de 1 a N [Z ] Matriz de impedância ordem N x N 4

5 Matriz de Admitância [Y] Relaciona as correntes com as tensões nos acessos da rede Em forma matricial [I ] vetor das correntes I i, com i de 1 a N [V ] vetor das tensões V i, com i de 1 a N [Y] Matriz de admitância ordem N x N 5

6 Determinação da Matriz de Impedância Como Tem-se V i = Z i1 I 1 + Z i2 I 2 + +Z ij I j + + Z in I N Logo Medida de Z ij Porta j é alimentada por uma fonte de corrente I j Portas k, com k=j, terminadas em circuito aberto I k =0 Mede-se V i 6

7 Determinação da Matriz de Admitância Como Tem-se I i = Y i1 V 1 + Y i2 V 2 + +Y ij V j + + Y in V N Logo Medida de Y ij Porta j é alimentada por uma fonte de tensão V j Portas k, com k=j, terminadas em curto-circuito V k =0 Mede-se V i 7

8 Matriz de Espalhamento 8

9 Medidas em micro-ondas Matriz de Espalhamento [S] Scattering Matrix Denominações usuais Matriz S Parâmetros S Parâmetros de Espalhamento Relaciona ondas de tensão refletidas nas portas da rede com ondas de tensão incidentes nas portas da redes 9

10 Matriz de espalhamento [S] Relaciona ondas de tensão incidente e refletidas nas portas Em forma matricial [V - ] vetor das tensões refletidas V - i, com i de 1 a N [V + ] vetor das tensões incidentes V + i, com i de 1 a N [S ] Matriz de Espalhamento ordem N x N 10

11 Determinação da Matriz de Espalhamento Como Tem-se V i = S i1 V S i2 V S ij V j S in V N + Logo Medida de S ij Porta j é alimentada por uma fonte de tensão V j Portas k, com k=j, terminadas com cargas casadas V k- = 0 11

12 Redes com dois acessos Representação como quadripolo I1 I2 V1 V2 Porta 1 Porta2 12

13 Matriz S a1 b1 a2 b2 Porta 1 Porta2 b b 1 2 S S S S a. a a 1 e a 2 : ondas de potência incidentes nas portas 1 e 2 b 1 e b 2 : ondas de potência refletidas nas portas 1 e

14 Ondas de potência Portas 1 e 2 terminadas em Z 0 Z 0 Impedância de referência, real Micro-ondas Z 0 = 50 Impedância interna do gerador: Z G = Z 0 Impedância de carga: Z L = Z Z - I Z V 2 1 = b Z + I Z V 2 1 = a Z - I Z V 2 1 = b Z + I Z V 2 1 = a 14 Unidade de a 1, a 2, b 1, b 2 : raiz quadrada de potência

15 S 11 medida e conceito ZG= 50 a1 a2 ~ Porta 1 Porta 2 ZL= 50 b1 b2 Coeficiente de reflexão se tensão da porta 1 S 11 b a 1 1 Associado à Z 1 impedância de entrada, com a saída terminada por 50 S 11 Z Z 1 1 Z Z

16 S 11 - exemplos S 11 Z Z 1 1 Z Z 0 0 Z Z Ω 50 Ω Z 1 = 50 S 11 = 0 Z 1 = 0 S 11 = 1180 Z 1 S 11 = 10 Re{Z 1 } positiva 0 mod(s 11 ) 1 Z 1 indutiva 0 fase(s 11 ) 180 Z 1 capacitiva 180 fase(s 11 )

17 S 22 - medida e conceito a1 a2 ZG= 50 ZL= 50 Porta 1 Porta2 ~ b1 b2 Coeficientes de reflexão da porta 2 S 22 b a 2 2 Associado à Z 2 impedância de saída S 22 Z Z 2 2 Z Z

18 S 11 (db) Representação gráfica de S 11 e S 22 Forma retangular módulo (db) e fase x frequência 0 S 20.log 11 db S11-5 simulado medido ,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 Frequência (GHz) S 11 db de um amplificador de banda ultra-larga 18

19 Representação gráfica de S 11 e S 22 Forma polar Carta de Smith S 11 e S 22 de um transistor MESFET de 1 a 8 GHz 19

20 S 21 medida e conceito ZG= 50 a1 a2 ~ Porta 1 Porta2 ZL= 50 b1 b2 Coeficiente de transmissão direto S 21 b a 2 1 Ganho direto de potência com entrada e saída em 50 S

21 S 12 medida e conceito a1 a2 ZG= 50 ZL= 50 Porta 1 Porta2 ~ b1 b2 Coeficiente de transmissão reverso S 12 b a 1 2 Ganho reverso de potência em 50 S 2 12 G 21

22 Ganho (db) Representação gráfica de S 21 e S 12 Forma retangular módulo (db) e fase x frequência S db 20.log S21 21 Ganho(dB) 8 4 simulado medido ,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 Frequência (GHz) Ganho de um amplificador de banda ultra-larga 22

23 Representação gráfica de S 21 e S 12 Forma polar diagrama polar S 21 S 12 S 21 e S 12 de um transistor MESFET de 1 a 8 GHz 23

24 Tabelas de parâmetros S Extraído do Data Sheet do transistoratf-36077, da HP 24

25 Técnicas de medida 25

26 Medida de parâmetros S Analisador Vetorial de Redes Vector Network Analyzer - VNA Módulo e fase de S 11, S 21, S 12 e S 22 Analisadores de Rede de Micro-ondas o Fabricantes Keysight (HP), Anritsu, Wiltron, Rhode Schwarz o Exemplo HP MHz a 40 GHz 26

27 Analisador de redes HP

28 Analisador de redes Gerador Z G = 50 Porta 1 Porta 2 DUT Carga Z L = 50 a1 b1 a2 b2 Receptor Tela 28

29 Acessórios de medida da matriz S Cabos coaxiais Transições de micro-ondas Adaptação de diferentes tipos de conectores Tipo N, SMA, APC3.5, APC7 Kits de calibração 29

30 Arranjo de medidas Kit de calibração Analisador de redes Cabos e conectores Dispositivo em teste 30

31 Calibração da medida Corrigir erros do analisador vetorial de redes Deslocar os planos de medida para o plano das portas do dispositivo em teste Descontar perdas e rotação de fase Cabos coaxiais conectores e transições 31

32 Planos de calibração Portas 1 e 2 do analisador de redes Analisador de redes Cabos e conectores Dispositivo em teste Planos de calibração 32

Caixa com kit de calibração coaxial Mídia

33 Kit de calibração Terminações padrão Cargas de 50 Curto-circuitos Circuitos em aberto Linha direta Caixa com kit de calibração coaxial Mídia eletrônica modelos das terminações Cargas coaxiais de 50 33

34 Procedimento de calibração Ajuste do gerador Faixa de frequência Potência de saída Número de pontos Escolha do Kit de calibração Tipo de conector N, APC7, APC3.5 Kit do microprovador 34

35 Rotina interna de calibração Calibração da reflexão S 11 e S 22 Cargas de 50 Curto-circuitos Circuitos em aberto Calibração da transmissão S 21 e S 12 Linha direta Calibração da isolação Portas 1 e 2 terminadas em 50 35

36 Conclusão da calibração Salvar calibração Disco interno do equipamento Disquete externo Verificar a calibração Medida dos padrões de calibração 50 curto-circuito circuito em aberto linha direta Refazer calibração, se necessário 36

37 Procedimento de medida Arranjo de medida Ajustar o gerador Já existe calibração? NÃO Fazer calibração SIM Carregar calibração Realizar medida Salvar dados medidos 37

38 Medidas on Chip 38

39 Medidas da matriz S on chip Equipamentos gerais Analisador de redes Cabos coaxiais Conectores e transições Equipamentos específicos Estação microprovodora de microondas Pontas de prova de microondas Pontas de prova DC Kit de calibração para medidas on chip 39

40 Sistema de medidas on chip Analisador de redes Cabos e conectores Estação microprovadora 40

41 Estações microprovadoras de micro-ondas Fabricante CASCADE Microtech fixação do chip por vácuo pontas de prova DC e RF posicionamento micrométrico microscópio óptico 41

42 Pontas de prova de microondas Pontas DC tensões de alimentação tipo agulha tipo coaxial Pontas de microondas sinais de entrada e saída tipo coplanar tipo coaxial 42

43 Pontas de prova de micro-ondas Tipos SG signal-ground GS ground-signal GSG ground-signal-ground S G G S Pitch distância entre centro de contatos adjacentes G S G 100 m, 150 m, 200 m, 250 m... Compatível com o pad de R do chip 43

44 G S G Pads de RF Pontas de prova G-S-G pitch

45 G S S G Pads de RF Pontas de prova S-G Pontas de prova G-S 45

46 Exemplo de regras de leiaute dos pads Dimensão do pad mínimo recomendado 100 m x 100 m Pitch Mínimo recomendado 150 m 100 m 100 m 150 m 150 m 46

47 Exemplo de regras de leiaute dos pads Distância entre fileiras de pads Mínimo recomendado 200 m 200 m 200 m 47

48 Calibração on chip Lâmina de calibração Alumina Terminações padrão Cargas de 50 Curto circuito Linha direta Pontas S-G G-S G-S-G 48

49 Procedimento de medida on chip Arranjo de medida Ajustar o gerador Já existe calibração? NÃO Fazer calibração on chip SIM Carregar calibração on chip Realizar medida Salvar dados medidos 49

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