개요: 이 애플리케이션 노트는 부품의 S-파라미터의 측정에 사용되는 테스트 고정물에 의해 발생되는 오차를 보정하고 최소화하는 방법을 다루고 있다. 여기서 언급하고 있는 테스트 고정물은 SMA 커넥터를 사용하는 마이크로스트립 PCB로 구성되어 있다. 5GHz 저잡음 증폭기 MAX2648을 사용한 예를 살펴보고자 한다.
이 애플리케이션 노트는 부품의 S-파라미터의 측정에 사용되는 테스트 고정물에 의해 발생되는 오차를 보정하고 최소화하는 방법을 다루고있다. 여기서 언급하고 있는 테스트 고정물은 SMA 커넥터를 사용하는 마이크로스트립 PCB로 구성되어 있다. 5GHz 저잡음 증폭기 MAX2648을 사용한 예를 살펴보고자 한다.
측정 오차
벡터 네트워크 분석기(VNA; vector network analyzer) 측정에서의 오차는 다음의 세 가지로 나눌 수 있다.
드리프트 오차. 테스트 시스템의 성능이 영점조정 실시 이후에 변화함으로써 발생한다.
무작위 오차. 시간의 함수로서 변화한다.
시스템 오차. 정합 불량, 누설 전류 및 시스템 주파수 응답 등에 의해 발생한다.
영정조정은 네트워크 분석기 측정으로부터 발생하는 이러한 오차들을 제거하는 작업이다. 드리프트 오차를 최소화하기 위해서 테스트시스템은 적절한 주파수를 사용하여 영점조정을 해야 하며, 일정한 온도로 유지되어야 한다. 무작위 오차 또는 잡음성 오차는 IF 대역폭을 좁게 사용하고 평균 연산을 함으로써 줄일 수 있다. 대부분의 VNA는 무작위 오차의 영향을 줄이기 위해 다수의 주파수 스윕을 통해 기능을 하게 되는 궤적 평균 모드를 갖고 있다.
테스트 고정물 영점조정의 개선을 위한 마이크로스트립 소자의 추가
네트워크 분석기는 측정 영점 조정을 수행함으로써 정확도를 개선하는 기능을 제공하는데, 이를 위해서는 일반적으로 동축 케이블형식의 적절한 커넥터를 사용하는 영점 조정 키트를 사용해야 한다. 여기서 측정해야 할 소자는 "비표준" 형태의 커넥터를 갖고 있는데, 여기에는 동축 케이블 커넥터가 있는 영점 조정 키트를 사용할 수가 없다. 테스트 고정물를 추가하면 DUT(device under test; 검사 대상 소자)의 "비동축형" 커넥터, 그리고 테스트 장치 인터페이스의 동축형 커넥터 간의 접속을 위한 필요 사항을 만족시킬 수 있다.
이상적인 테스트 고정물의 경우에는 추가적인 회로 없이 DUT의 직접 측정이 가능하도록 테스트 장비와 검사 대상 소자 간에완벽한 접속을 제공할 것이다. 그러나 이상적인 고정물을 만드는 것은 불가능하므로, 이 고정물은 DUT의 측정 오차를 증가시킬 수 있는 추가적인 손실, 위상 이동 및 임피던스 부정합을 발생시킨다. 어떤 애플리케이션에 대해 어떠한 형태의 영점 조정을 사용할것인가 하는 것은 DUT 사양이 얼마나 엄격한가에 의해서만 달라지게 된다.
고정물에 의해 발생하는 오차를 줄이기 위한 기본적인 테크닉으로는 세 가지가 있다. 이 응용 노트에서는 오차를 줄이기 위한 직접 측정을 다루고 있다. 직접 측정은 고정물의 정확한 특성을 미리 알고 있지 않아도 된다는 장점이 있다. 이 특성은 영점 조정 단계에서 측정된다. 직접 측정의 가장 단순한 형태는 응답 영점 조정으로서, 이것은 일종의 정규화 (normalization) 이다. 참조 궤적이 기억되고 이후의 궤적이 이 기억 내용에 의해 나누어진 데이터로서 표시된다.
응답 영점 조정에는 전송(thru)과 반사(단락 또는 개방)를 위한 하나의 표준만 필요하게 되는데,이것은 테스트 회로를 위해 사용되는 것과 동일한 기판 위에 영점 조정 회로를 만듦으로써 이루어진다. 먼저 50Ω 도선으로 이루어진 thru를 만든다. 반사 표준은 50Ω 도선으로 된 단락 또는 개방 어느 쪽의 회로라도 된다. 이 예에서는 단락 회로 도선을선택했다. 도선의 길이는 테스트 회로에 사용된 것과 동일해야 하며, 단락은 측정에 사용되는 참조 평면에 구성한다. DUT와고정물 간의 접촉 평면을 참조 평면으로 간주한다. 이러한 영점 조정 표준, 즉 각 고정물 포트에 대한 하나의 "thru"와 2개의 "short"는 고정물 PCB 상에 직접 설계된다.
측정 정확도는 영점 조정 표준에 의해 크게 좌우된다. 영점 조정 표준인 thru와 short는 특성 임피던스가 50Ω인 마이크로스트립전송선으로 구성되어 있으며, 고정물 PCB에 직접 구현되어 있다. 고정물의 정확한 특성 임피던스, 특히 마이크로스트립의 특성임피던스의 정확도와 "thru" 및 "short"의 전기적 길이는 측정정확도를 직접적으로 결정하는 요소이다.
직접 측정의 가장 간단한 형태는 응답 영점 조정이다. 응답 영점 조정은 마이크로스트립의 특성 임피던스 오차 및 커플러/브리지방향성에 의해 발생되는 소스 및 부하 임피던스 부정합을 보정할 방법이 없다는 점에서 근본적으로 심각한 약점이 있다. 부정합은특히 반사 측정에 있어 문제가 된다.다음은 5GHz ~ 6GHz의 주파수 범위에서 동작하는 LNA(저잡음 증폭기)인 MAX2648의 특성 평가를 위해 사용되는 고정물의예이다.
MAX2648 예
UCSP™ (Ultra Chip Scale Package) 형식의 패키지로 되어 있는 MAX2648의 S-파라미터 특성 평가를위한 고정물이 그림 1에 나와 있다.
그림 1. 고정물 PCB
회로 기판의 가장자리에 있는 동축형 커넥터로부터 DUT로 RF 신호를 전송하기 위해 사용하는 마이크로스트립 선로를 주목하도록하자. 저손실, 광대역의 동축 케이블이 고정물 회로 기판을 네트워크 분석기로 연결하는 역할을 한다. 고정물의 마이크로스트립선로는 여기서 공히 50Ω으로 가정되어 있는 소스와 부하 임피던스를 정합시키도록 설계되어 있다. 일반적인 제조업체들이 만들어내는공업용 인쇄 회로 기판에는 일반적으로 ±10%의 전송선로 임피던스 오차가 있다. 따라서 제조 후의 특성 임피던스는 45Ω ~ 55Ω의범위에 있게 된다. 마이크로스트립 선로의 임피던스의 오차가 유한한 상태에서는 적절한 길이의 마이크로스트립 선로를 사용하는 것이매우 중요하다. 아래의 그림 2와 그림 3에는 두 가지의 모의실험 결과가 나와 있는데, 이것은 50Ω 반사 측정용 ADS에 의해 얻어진 것이다. 특성 임피던스 45Ω에서 두 가지 길이로 모의실험을 수행한 결과이다.
그림 2. 도선 길이 1170mil, 특성 임피던스 45Ω일 때 50Ω 반사 측정 결과
그림 3. 도선 길이 630mil, 특성 임피던스 45Ω일 때 50Ω 반사 측정 결과
결론
임피던스 부정합에 의해 발생되는 반사 측정 오차는 전송선 길이를 적절히 선택함으로써 최소화할 수 있다. 소자의 S-파라미터측정은 추가적인 전송선이 있는 테스트용 고정물 회로를 설계함으로써 개선할 수 있다. 이 추가 전송선은 thru 경로, 그리고영점 조정을 위한 단락 회로 반사 경로를 제공한다.
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