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Erfolgreicher Abschluss des EMPIR-Projekts PlanarCal

06.12.2019

Das von der EU geförderte und von der PTB koordinierte EMPIR-Projekt PlanarCal ist nach einer Laufzeit von drei Jahren erfolgreich abgeschlossen worden. An dem aus 12 Partnern bestehenden Konsortium waren neben vier führenden europäischen Metrologieinstituten verschiedene europäische Universitäten und Forschungsinstitute sowie Messgerätehersteller und industrielle Anwender beteiligt.

 

 

Bedingt durch die steigende Arbeitsgeschwindigkeit moderner elektronischer Geräte werden zuverlässige Charakterisierungsmethoden für integrierte Schaltungen und Bauelemente bis in den Mikrowellenbereich benötigt. Insbesondere im Bereich der Kommunikationstechnik, wo mit Einführung der 5G-Technologien zunehmend höhere Frequenzen erschlossen werden, ist der Bedarf an verlässlichen Messmethoden für planare Schaltungen in den letzten Jahren sprunghaft angestiegen.

Zum Nachweis der Rückführbarkeit planarer Streuparametermessungen sind im Gegensatz zur koaxialen und Hohlleitermesstechnik viele zusätzliche Schwierigkeiten zu meistern. Planare Bauteile und Kalibriernormale werden in unterschiedlichsten Technologien auf diversen Substratmaterialien gefertigt, wobei weder Art und Geometrie der verwendeten planaren Wellenleiter noch die eingesetzten Mikrowellenprüfspitzen genormt sind.

Im Rahmen des Projekts PlanarCal ist es erstmalig gelungen, ein vollständiges Unsicherheitsbudget für planare Streuparametermessungen auf industriellen Substraten im Frequenzbereich 1 GHz bis 110 GHz aufzustellen. Es wurde nachgewiesen, dass verlässliche Messunsicherheiten für planare Streuparametermessungen nur für genau festgelegte Kombinationen aus Substratmaterial, planarem Wellenleiter und Mikrowellenprüfspitzen angegeben werden können (siehe Bild 1), wobei die jeweils vorliegenden elektromagnetischen Randbedingungen beachtet werden müssen.

Die Methodik zur Aufstellung des Unsicherheitsbudgets wurde für Multiline-Referenzkalibrierungen auf Quarzglas und in Membrantechnologie verifiziert und ist grundsätzlich auch auf andere Materialien übertragbar. In 2019 wurden die weltweit ersten CMC-Einträge für planare Streuparametermessungen auf Quarzglas-Wafern beim BIPM eingereicht.

Weitere wichtige wissenschaftliche Ergebnisse aus PlanarCal umfassen:

  • den Nachweis, dass sich kommerzielle Kalibriersubstrate als Transferstandards für Multiline-Referenzkalibrierungen der PTB verwenden lassen. Damit wird eine Anbindung an industrielle Anwendungen ermöglicht.
  • Richtlinien für das Design und Layout von Kalibriersubstraten unter Berücksichtigung der Prüfspitzeneigenschaften einschließlich Maßnahmen zur Reduktion bzw. Vermeidung parasitärer Moden. Das Dokument ist auf der Planarcal-Webseite frei verfügbar.
  • ein Best Practice Guide-Dokument namens ‘Best practice guide for planar S-parameter measurements using vector network analysers’, welches sowohl praktische Hinweise zur Durchführung und Auswertung von On-Wafer-Messungen als auch eine Zusammenfassung wesentlicher Ergebnisse aus PlanarCal enthält.
  • einen weltweit erstmaligen Vergleich zwischen Split-Block-Hohlleiter-messungen und planaren S-Parametermessungen im D-Band (110 GHz bis 170 GHz). An dem Vergleich waren neben der PTB das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik in Freiburg sowie das britische Staatsinstitut NPL beteiligt.

Insgesamt wurden durch das Projekt PlanarCal 38 wissenschaftliche Publikationen veröffentlicht, darunter 9 in renommierten Fachzeitschriften.

 

Messaufbau planare Streuparametermessungen

Bild 1: Messaufbau für planare Streuparametermessungen