Влияние потерь в соединениях при измерении коэффициента усиления и коэффициента шума на анализаторе спектра Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Научная статья

УДК 621.3.049.77.001.63:621.317.757 doi:10.24151/1561-5405-2023-28-6-794-801 EDN: SSKNRQ

Влияние потерь в соединениях при измерении коэффициента усиления и коэффициента шума на анализаторе спектра

Т. Ю. Крупкина1, В. В. Лосев1, С. Б. Беневоленский2, А. И. Хлыбов1, Д. В. Родионов1

1 Национальный исследовательский университет «МИЭТ»,

г. Москва, Россия

2

Научно-исследовательский институт - Республиканский исследовательский научно-консультационный центр экспертизы, г. Москва, Россия

dsd@miee.ru

Аннотация. При измерении коэффициента усиления и коэффициента шума на анализаторе спектра тестируемое устройство, как правило, соединяется с источником шума и измерительным прибором с помощью коаксиальных волноводов и адаптеров, которые вносят определенные потери, влияющие на результаты измерений. Особенно это актуально при измерениях, проводимых на кристаллах интегральных микросхем в составе пластины, когда для соединения исследуемого объекта с измерительной системой необходимо использовать СВЧ-зонды, коаксиальные кабели и различные соединители. В работе проанализировано влияние потерь в соединениях на результаты измерения коэффициента усиления и коэффициента шума на анализаторе спектра методом Y-фактора. Показано, что измеренное значение коэффициента усиления исследуемого объекта меньше реального значения на сумму потерь в соединениях между источником шума с объектом и объектом с анализатором спектра. Установлено, что коэффициент шума не зависит от потерь между исследуемым объектом и измерительным прибором и измеренное значение больше реального на величину потерь в соединениях между источником шума и объектом.

Ключевые слова: коэффициент шума, Y-фактор, температура шума, таблица ENR

Финансирование работы: работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (грант № 23-19-00771).

Для цитирования: Влияние потерь в соединениях при измерении коэффициента усиления и коэффициента шума на анализаторе спектра / Т. Ю. Крупкина,

B. В. Лосев, С. Б. Беневоленский и др. // Изв. вузов. Электроника. 2023. Т. 28. № 6.

C. 794-801. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-6-794-801. - ЕБ№ 88КЫЯО.

© Т. Ю. Крупкина, В. В. Лосев, С. Б. Беневоленский, А. И. Хлыбов, Д. В. Родионов, 2023

Original article

Influence of cable loss on gain and noise figure measured using spectrum analyzer

• 1 1 * 2 T. Yu. Krupkina , V. V. Losev , S. B. Benevolenskiy ,

A. I. Khlybov1, D. V. Rodionov1

1National Research University of Electronic Technology, Moscow,

Russia

2

Scientific Research Institute - Federal Research Centre for Projects Evaluation and Consulting Services, Moscow, Russia

dsd@miee.ru

Abstract. During gain and noise figure measurement, a device under test is customarily connected to noise source and measuring equipment using coaxial waveguides and adaptors that have losses affecting measured results. It is particularly important for on-wafer measurements when semiconductor die should be connected to measuring system using microwave sounding units, coaxial cables and various connectors. In this work, the influence of cable loss on gain and noise figure measurement results obtained using signal analyzer and Y-factor method is analyzed. It was demonstrated that measured value of gain figure of device under test is less that real value by sum of cable losses in noise source connection to device under test and in device under test connection to signal analyzer. It has been established that noise figure is independent of loss between device under test and measuring equipment and measured value is more than real value by connection losses between noise source and device under test.

Keywords: noise figure, Y-factor, noise temperature, excess noise ratio, ENR

Funding: the work has been supported by Russian Scientific Foundation (grant no. 23-19-00771).

For citation: Krupkina T. Yu., Losev V. V., Benevolenskiy S. B., Khlybov A. I., Rodionov D. V. Influence of cable loss on gain and noise figure measured using spectrum analyzer. Proc. Univ. Electronics, 2023, vol. 28, no. 6, pp. 794-801. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-6-794-801. - EDN: SSKNRQ.

Введение. Коаксиальные волноводы и адаптеры, с помощью которых тестируемое устройство соединяется с источником шума и измерительным прибором, вносят потери, которые влияют на результаты, полученные при измерении коэффициента шума и усиления. При измерениях, проводимых на кристаллах интегральных микросхем в составе пластины, для соединения исследуемого объекта с измерительной системой используются СВЧ-зонды, коаксиальные кабели и различные соединители. В связи с этим анализ влияния потерь в соединениях на результаты измерения коэффициентов усиления и шума - актуальная задача.

Метод Y-фактора для измерения шумов. Рассмотрим измерение коэффициентов усиления и шума методом Y-фактора [1-6]. Данный метод интегрирован в программное обеспечение широкополосных автоматизированных многофункциональных приборов (анализаторов спектра), предназначенных для определения коэффициента шума.

Полное измерение коэффициентов шума и усиления методом Y-фактора с коррекцией осуществляется в два этапа. На первом этапе проводится калибровка анализатора спектра. Калиброванный источник шума, содержащий таблицу ENR (Excess Noise Ratio), необходимо подключить к входу прибора. В прибор вводят таблицу ENR в необходимых точках частотного диапазона согласно модели источника шума. После того как таблица ENR загружена в память, прибор для измерения коэффициента шума включает и выключает источник шума и измеряет значения мощностей P°n и P°f.

Известно, что мощность прямо пропорциональна температуре шума. Следовательно, Y-фактор будет иметь вид

Y = роп / p°ff = топ / T°f

(1)

где Тп - физическая температура; Т^ - температура, полученная на основе таблицы ЕЫ^ Если собственная температура шума измерительного прибора (второй каскад) Т2,

то в соответствии с уравнением (1) Y-фактор, измеренный с помощью подключения источника шума (как показано выше) к входу прибора, будет равен:

г2 = Р0°" / р* = (ТГ + Т2)/(Г^ + Г2)

или

T = (ТГ -Y2Tf)/(Y2 -1):

(2)

где Т^ - физическая температура источника шума; Т°" - температура, полученная на

основе таблицы ЕЫЯ, строго определенной для источника шума производителем, из уравнения

ЕШ(дБ) = Шо^0[(ТГ - ТО )/ Т0 ],

где Т0 = 290 К.

По окончании калибровочного процесса анализатор спектра сохраняет измеренные значения Р™ и и вычисленные значения У2 и Т2. Далее измерительный прибор выводит осциллограммы коэффициентов усиления и шума на номинальное значение 0 дБ.

На втором этапе измерения происходит включение тестируемого устройства между источником шума и прибором и проводится повторное измерение методом Y-фактора. Измерительная система состоит из исследуемого устройства (первый каскад) и измерительного прибора (второй каскад) (рис. 1).

Рис. 1. Блок-схема измерения коэффициентов шума F1 и усиления G1 (F2 - коэффициент шума измерительного устройства) Fig. 1. Abstract circuit for noise figure F1 and gain G1 measurements (F2 - measurement device noise figure)

Общий Y-фактор всей системы определяется как

у _ р°п / p°ff Y12 p 12 ' р 12 .

Аналогично уравнению (2) общая температура шума системы т12 равна:

Т12 = (ТГ - Y12Tf )/(Yi2-1).

Поскольку измерительный прибор содержит значения Р°" и Р^ , а также сохраненные значения Р°" и Р^, он может определить коэффициент усиления тестируемого устройства:

G = P - Pf)/(Poon — Poff).

(3)

Обычно 01 отображается анализатором спектра в децибелах: G1 (дБ) = 101о^ш G1.

Таким образом, прибор определил значения т2, т12 и . Далее, используя численные значения указанных параметров, прибор определяет температуру шума Т исследуемого устройства с учетом коррекции коэффициента шума самого прибора (анализатора спектра): Т = Т12 -Т2 / ^ и коэффициент шума: ^ = 1 + Т / 290.

Применение метода Y-фактора для измерения приборов на пластине. Тестируемое устройство чаще всего соединяют с источником шума и измерительным прибором с помощью коаксиальных волноводов и адаптеров, которые вносят потери, влияющие на результаты измерений коэффициентов усиления и шума. Это в первую очередь актуально при исследовании кристаллов на пластине, когда для соединения объекта с измерительной системой применяются СВЧ-зонды, коаксиальные кабели и различные соединители (рис. 2) [7-11]. Рассмотрим влияние этих потерь на результаты измерения коэффициента усиления.

Рис. 2. Схема стенда измерений коэффициентов шума и усиления для кристаллов на пластине (RF - переменный сигнал; DC - постоянный сигнал) Fig. 2. Measurement test bench scheme for noise figure and gain on-wafer measurements (RF - sinusoidal signal; DC - constant signal)

Как видно из выражения (3), прибор вычисляет коэффициент усиления тестируемого устройства по результатам измерения мощности при выключенном и включенном источнике шума. В первом случае - без тестируемого устройства на этапе калибровки, во втором - с тестируемым устройством. На этапе калибровки

pof = ЩB(1 + AT / T0),

P0on = kT0B(1 + AT / T + ENR),

где k - постоянная Больцмана; B - полоса частот; AT = T — T.

В выражении (4) мощности получены на оптимальной (согласованной) нагрузке, равной 50 Ом. После включения тестируемого устройства

Р°" = [ЩВ{ 1 + а т/т0+ ЕЖ^)(} + ]л'2,

где G - коэффициент усиления для исследуемого устройства; Иаи{ - шумовая мощность, генерируемая исследуемым объектом; ^ - коэффициент потерь в кабелях, зондах и переходниках между источником шума и измерительным прибором; - коэффициент потерь в кабелях, зондах и переходниках между исследуемым устройством и анализатором спектра.

Следует отметить, что исследуемое устройство должно быть согласовано по входу с источником шума, а по выходу - с измерительной системой. Тогда в соответствии с выражением (3) вычисляемый прибором коэффициент усиления ^ будет равен:

pon _ poff

G = P P

1 pon _ poff 1 0 1 0

[ВД1 + Д77Г0 +ENR.SJQ + Ndot]P2-[kT0B(\ + ^TIT0)G + NdJS2

(5)

kT0B( 1 + AT / T0 + ENR) - kT0B( 1 + AT / T0 ) Разделив числитель и знаменатель в выражении (5) на kT{)B, получим

q GS2(ENR»S1) css 1 ENR 1 2'

Отсюда С(дБ) = С1(дБ) - ^(дБ) - 52(дБ).

Рассмотрим влияние потерь в соединениях на результаты измерения коэффициента шума. Для этого воспользуемся следующим выражением для коэффициента шума [12-15]:

F = ENR/(y -1). (6)

При выключенном источнике шума измеряемая мощность равна:

Pof = [kTaB(1 + AT / T0)G + Ndut S = PftS2, а при включенном источнике шума

Pon = [kToB(1 + AT / T + ENRSJG + N^ S = PZS2.

Здесь Pf и P™ - значения выходной и входной мощности тестируемого устройства

без потерь в соединении между тестируемым устройством и измерителем. Определим значение Y-фактора:

у _ pon I poff _ pon О I poff о _ pon I poff _ у 1 P ' P PdutS2 ' rdut °2 Pdut ' P dut 1 dit,

где Ydut - Y-фактор тестируемого устройства при ENRdut = ENR»S1. Тогда, используя выражение (6), получаем

Fa,t = ENRdllt / (Ydut -1 )=ENR-S1 / (Ydut -1) = ENR-% / (7 -1) = FS,,

где Fdut - коэффициент шума тестируемого устройства; F - коэффициент шума, измеренный прибором.

Таким образом, FMi (дБ) = F (дБ) + S (дБ) и не зависит от потерь между тестируемым устройством и анализатором спектра.

Заключение. Анализ влияния потерь в соединениях на результаты измерения коэффициента усиления и коэффициента шума на анализаторе спектра методом Y-фактора показал следующее. Измеренное значение коэффициента усиления тестируемого устройства меньше реального значения на сумму потерь в соединениях между источником шума с устройством и устройством с анализатором спектра. Измеренное значение коэффициента шума больше реального на величину потерь в соединениях между источником шума и устройством и не зависит от потерь между исследуемым устройством и анализатором спектра.

Литература

1. Noise figure measurement accuracy: The Y-factor method: application note // Keysight Technologies [Электронный ресурс]. URL: https://www.keysight.com/us/en/assets/7018-06829/application-notes/ 5952-3706.pdf (дата обращения: 29.06.2018).

2. Microwave linear characterization procedures of on-wafer scaled GaAs pHEMTs for low-noise applications / A. Caddemi, E. Cardillo, G. Crupi et al. // Electronics. 2019. Vol. 8. Iss. 11. Art. No. 1365. https://doi.org/10.3390/electronics8111365

3. Jimenez C. Noise figure measurement with Y-factor and cold source method: technical report, Oct. 2020 / Laboratory 1 Noise & Interference, University of Limoges // Researchgate [Электронный ресурс]. URL: https://www.researchgate.net/publication/345149983_Noise_figure_Measurement_with_Y-Factor_and_ cold_source_method_Laboratory_1_Noise_Interferences (дата обращения: 25.08.2023).

4. LeffelM., Daniel R. The Y-factor technique for noise figure measurements: application note v. 5e, 2021 // Rohde & Schwarz [Электронный ресурс]. URL: https://www.rohde-schwarz.com/us/applications/ the-y-factor-technique-for-noise-figure-measurements-application-note_56280-15484.html (дата обращения: 28.08.2023).

5. Ogunlade M. A., Gbadamosi S. L., Owolabi I. E., Nwulu N. I. Noise measurement, characterization, and modeling for broadband indoor power communication system: A comprehensive survey // Energies. 2023. Vol. 16. Iss. 3. Art. No. 1535. https://doi.org/10.3390/en16031535

6. Chen C.-H. Thermal noise measurement and characterization for modern semiconductor devices // IEEE Instrumentation & Measurement Magazine. 2021. Vol. 24. Iss. 2. P. 60-71. https://doi.org/10.1109/ MIM.2021.9400958

7. Беневоленский С. Б., Метёлкин Е. В., Четвериков Н. И., Четверикова И. Ф. Физические основы работы полупроводниковых приборов. М.: Физматлит, 2003. 340 с. EDN: TIPLZV.

8. Grasser T. Noise in nanoscale semiconductor devices. Cham: Springer, 2020. VI, 729 p. https://doi.org/ 10.1007/978-3-030-37500-3

9. Kazan O. GaN-based robust low-noise amplifier: diss. for the MSc (Electr. and Electron. Eng.). Ankara, 2018. XVIII, 92 p.

10. Bandyopadhyay P. K., Biswas A., Bhattacharjee A. K., Acharyya A. Influence of carrier-carrier interactions on the noise performance of millimeter-wave IMPATTs // IETE Journal of Research. 2019. Vol. 65. Iss. 4. P. 515-522. https://doi.org/10.1080/03772063.2018.1433078

11. Effect of phase noise on the optical millimeter-wave signal in the DWDM-RoF system / R. M. Mahmood, S. Yaakob, F. A. Ahmad et al. // Electronics. 2022. Vol. 11. Iss. 3. Art. No. 489. https://doi.org/10.3390/electronics11030489

12. Бельчиков С. Коэффициент шума. Теория и практика измерений // Компоненты и технологии. 2008. № 4 (81). С. 196-199. EDN: MTKDDR.

13. Design and validation of 100 nm GaN-on-Si Ka-band LNA based on custom noise and small-signal models / L. Pace, S. Colangeli, W. Ciccognani et al. // Electronics. 2020. Vol. 9. Iss. 1. Art. No. 150. https://doi.org/10.3390/electronics9010150

14. Millimeter-wave avalanche noise sources based on p-i-n diodes in 130 nm SiGe BiCMOS technology: Device characterization and CAD modeling / F. Alimenti, G. Simoncini, G. Brozzetti et al. // IEEE Access. 2020. Vol. 8. P. 178976-178990. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3027384

15. KebeM., Sanduleanu M. A low-phase-noise 8 GHz linear-band sub-millimeter-wave phase-locked loop in 22 nm FD-SOI CMOS // Micromachines. 2023. Vol. 14. Iss. 5. Art. No. 1010. https://doi.org/ 10.3390/mi14051010

Статья поступила в редакцию 15.06.2023 г.; одобрена после рецензирования 17.07.2023 г.;

принята к публикации 24.10.2023 г.

Информация об авторах

Крупкина Татьяна Юрьевна - доктор технических наук, профессор Института интегральной электроники имени академика К. А. Валиева Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), krupkina@dsd.miee.ru

Лосев Владимир Вячеславович - доктор технических наук, профессор, директор Института интегральной электроники имени академика К. А. Валиева Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), dsd@miee.ru

Беневоленский Сергей Борисович - доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник Научно-исследовательского института - Республиканского исследовательского научно-консультационного центра экспертизы (Россия, 127055, г. Москва, ул. Образцова, 12, корп. 2), sbb640@gmail.com

Хлыбов Александр Иванович - кандидат технических наук, научный сотрудник Института интегральной электроники имени академика К. А. Валиева Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), alex1818@yandex.ru

Родионов Денис Владимирович - ведущий инженер Института интегральной электроники имени академика К. А. Валиева Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), denis.rodionov@gmail.com

References

1. Noise figure measurement accuracy: The Y-factor method, application note. Keysight Technologies. Available at: https://www.keysight.com/us/en/assets/7018-06829/application-notes/5952-3706.pdf (accessed: 29.06.2018).

2. Caddemi A., Cardillo E., Crupi G., Boglione L., Roussos J. Microwave linear characterization procedures of on-wafer scaled GaAs pHEMTs for low-noise applications. Electronics, 2019, vol. 8, iss. 11, art. no. 1365. https://doi.org/10.3390/electronics8111365

3. Jimenez C. Noise figure measurement with Y-factor and cold source method, technical report, Oct. 2020. Researchgate. Available at: https://www.researchgate.net/publication/345149983_Noise_figure_Measurement_ with_Y-Factor_and_cold_source_method_Laboratory_1_Noise_Interferences (accessed: 25.08.2023).

4. Leffel M., Daniel R. The Y-factor technique for noise figure measurements, application note v. 5e, 2021. Rohde & Schwarz. Available at: https://www.rohde-schwarz.com/us/applications/the-y-factor-technique-for-noise-figure-measurements-application-note_56280-15484.html (accessed: 28.08.2023).

5. Ogunlade M. A., Gbadamosi S. L., Owolabi I. E., Nwulu N. I. Noise measurement, characterization, and modeling for broadband indoor power communication system: A comprehensive survey. Energies, 2023, vol. 16, iss. 3, art. no. 1535. https://doi.org/10.3390/en16031535

6. Chen C.-H. Thermal noise measurement and characterization for modern semiconductor devices. IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, 2021, vol. 24, iss. 2, pp. 60-71. https://doi.org/10.1109/ MIM.2021.9400958

7. Benevolenskiy S. B., Metelkin E. V., Chetverikov N. I., Chetverikova I. F. Principal physics of semiconductor devices operation. Moscow, Fizmatlit Publ., 2003. 340 p. (In Russian). EDN: TIPLZV.

8. Grasser T. Noise in nanoscale semiconductor devices. Cham, Springer, 2020. vi, 729 p. https://doi.org/ 10.1007/978-3-030-37500-3

9. Kazan O. GaN-based robust low-noise amplifier, diss. for the MSc (Electr. and Electron. Eng.). Ankara, 2018. xviii, 92 p.

10. Bandyopadhyay P. K., Biswas A., Bhattachaijee A. K., Acharyya A. Influence of carrier-carrier interactions on the noise performance of millimeter-wave IMPATTs. IETE Journal of Research, 2019, vol. 65, iss. 4, pp. 515-522. https://doi.org/10.1080/03772063.2018.1433078

11. Mahmood R. M., Yaakob S., Ahmad F. A., Anas S. B. A., Zamzuri M. A. K., Rashidi C. B. M. Effect of phase noise on the optical millimeter-wave signal in the DWDM-RoF system. Electronics, 2022, vol. 11, iss. 3, art. no. 489. https://doi.org/10.3390/electronics11030489

12. Bel'chikov S. Noise figure. Theory and practice of measurement. Komponentiy i tekhnologii = Components & Technologies, 2008, no. 4 (81), pp. 196-199. (In Russian). EDN: MTKDDR.

13. Pace L., Colangeli S., Ciccognani W., Longhi P. E., Limiti E., Leblanc R., Feudale M., Vitobello F. Design and validation of 100 nm GaN-on-Si Ka-band LNA based on custom noise and small-signal models. Electronics, 2020, vol. 9, iss. 1, art. no. 150. https://doi.org/10.3390/electronics9010150

14. Alimenti F., Simoncini G., Brozzetti G., Maistro D. D., Tiebout M. Millimeter-wave avalanche noise sources based on p-i-n diodes in 130 nm SiGe BiCMOS technology: Device characterization and CAD modeling. IEEE Access, 2020, vol. 8, pp. 178976-178990. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3027384

15. Kebe M., Sanduleanu M. A low-phase-noise 8 GHz linear-band sub-millimeter-wave phase-locked loop in 22 nm FD-SOI CMOS. Micromachines, 2023, vol. 14, iss. 5, art. no. 1010. https://doi.org/10.3390/ mi14051010

The article was submitted 15.06.2023; approved after reviewing 17.07.2023;

accepted for publication 24.10.2023.

Information about the authors

Tatyana Yu. Krupkina - Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Institute of Integrated Electronics named after Academician K. A. Valiev, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), krupkina@dsd.miee.ru

Vladimir V. Losev - Dr. Sci. (Eng.), Prof., Director of the Institute of Integrated Electronics named after Academician K. A. Valiev, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), dsd@miee.ru

Sergey B. Benevolenskiy - Dr. Sci. (Eng.), Prof., Chief Researcher, Scientific Research Institute - Federal Research Centre for Projects Evaluation and Consulting Services (Russia, 127055, Moscow, Obraztsov st., 12, bld. 2), sbb640@gmail.com

Alexander I. Khlybov - Cand. Sci. (Eng), Researcher of the Institute of Integrated Electronics named after Academician K. A. Valiev, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), alex1818@yandex.ru

Denis V. Rodionov - Senior Engineer of the Institute of Integrated Electronics named after Academician K. A. Valiev, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), denis.rodionov@gmail.com