CoMo70 - Connector Modelling up to 70 GHz

• Forschungsstelle: METAS
• Projektnummer: 217.06.FP.047
• Projekttitel Englisch: CoMo70 - Connector Modelling up to 70 GHz

Schlüsselwörter (Deutsch)

Hochfrequenz, Netzwerkanalysator, Mikrowellen, charakteristische Impedanz, koaxiale Luftleitung, koaxialer Verbinder, Modellierung, Feldsimulation, Elektromagnetische (EM) Felder

Schlüsselwörter (Englisch)

Radio frequency, network analyser, microwaves, characteristic impedance, coaxial air line, coaxial connector, modelling, field simulation, electromagnetic (EM) field

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die Präzisionskalibrierung von Vektor-Netzwerk-Analysatoren (VNA) ist ein zentrales Anliegen der Mikrowellen-Metrologie. Ziel ist es, die Kalibrieranordnung "exakt" berechnen zu können. Nichtidealitäten in der Geometrie der Anordnung können damit rechnerisch erfasst und in ihrer Auswirkung vorausgesagt werden. Die Rückführbarkeit aller gemessenen Grössen (inklusive deren Unsicherheitsbereich) auf die Basiseinheiten (Länge, Zeit, etc.) wird damit möglich.

 

Koaxiale Luftleitungen (air lines) werden heute deshalb als Kalibrierelemente verwendet, weil deren Berechnung vergleichsweise einfach ist, und weil sie auch sehr genau gefertigt werden können. Anderseits sind selbst die sehr geringen Abweichungen der air lines von ihren Sollmassen noch gut messbar. Im erfolgreich abgeschlossenen Projekt 251.00.01  [1] wurden diese Zusammenhänge untersucht. Dabei stellte sich unter anderem heraus, dass eine der grössten verbleibenden Fehlerquellen nunmehr die Steckverbindung zwischen der air line und den Anschlusskabeln des VNA darstellt. Um die Qualität der Kalibration zu verbessern, ist ein genaues Verständnis aller Vorgänge in der Steckverbindung unabdingbar.

In einer idealisierten Betrachtung stellt eine Steckverbindung eine Stossstelle in der Leitung dar, deren S-Parameter grundsätzlich gemessen werden können. Die Kenntnis der S-Parameter erlaubt dann, die "Stossstelle Stecker" mit einer Ersatzschaltung aus konzentrierten Elementen zu modellieren.  Dieses Vorgehen hat aus metrologischer Sicht den gravierenden Nachteil, dass die Werte der Elemente nur elektrisch gemessen wurden und daher niemals auf Basiseinheiten

(sprich: Geometrie der Steckverbindung) zurückgeführt werden können. Eine echte Berechnung der Ersatzelemente als Funktion der Geometrie bedingt die Lösung der Maxwell-Gleichungen für die gesamte Steckverbindung. Dies ist eine mit den heutigen numerischen Feldberechnungsprogrammen im Prinzip lösbare, aber doch sehr anspruchsvolle Aufgabe. Erschwerend sind auch die sehr hohen Genauigkeitsanforderungen. Eine von der Messung unabhängige Validierung aller Resultate ist absolut notwendig, denn es geht darum, die Resultate einer elektrischen Messung aus geometrischen Messungen vorauszusagen. Das hier vorgeschlagene Projekt, das in Form einer 3-jährigen Doktorarbeit durchgeführt werden soll, wird diesbezügliche Lücken schliessen.

 

Diese Arbeit liefert die Grundlagen für zukünftige Rückführungsarbeiten der S-Parameter im Frequenzbereich bis 70 GHz.  

Kurzbeschreibung (Englisch)

The precision calibration of a Vector Network Analyzer (VNA) is an important and central issue in the microwave metrology. VNA “calibration” is based on the observation of how the VNA behaves within a predefined external reference device. Its behaviour is even calculable in the ideal case, i.e., it should be known not only through electrical measurements using some electrical reference equipment, but it should be traceable to basic geometrical units which are – within known error bounds – “absolute”. The request of calculability of the calibration environment implies a very simple geometry of the used reference device.

Coaxial air lines are used for traceable calibration, because their calculation is comparatively easy and because they can be manufactured very accurately. In addition, the minor variations of an air line are measurable to the specified tolerances. In a previous project, it was found out that one of the biggest influence factors is the connector assembly between the air line and the connecting test port cables of the VNA.

To increase the quality, the exact understanding of all parts inside the connector assembly is a must! In an ideal observation, a connector assembly is a “joint” in the transmission line, whose S-parameter can be measured. From the S-parameter it is possible to build a model of the “joint connector” (equivalent network from concentrated elements). From the metrology point of view, the disadvantage is that the values of the elements are measured electrically and, thus, can not be used to trace back to the base unit.

A real calculation of the equivalent network as a function of the geometry needs to be done with Maxwell equation for the total connector assembly.

 

Projektziele (Deutsch)

Rückführung der Impedanz- /Reflexionsmessungen mit Netzwerk-analysatoren im Mikrowellenbereich bis 70 GHz auf die SI Basiseinheit „Meter“.
Aufbau von Kalibrierdienstleistungen für die Industrie für den 1.85 mm Verbinder und Spezialverbinder bis 65 GHz. Reduktion der Messunsicherheiten bei den bestehenden S-Parameter Dienstleistungen.

Projektziele (Englisch)

Establish the traceability of impedance measurements up to 70 GHz using vector network analysators to the base unit meter. Development of calibration services for industrial customers for the 1.85 mm connector and special connectors up to 65 GHz. Reduction of the uncertainties of the existing s-parameter services.

Abstract (Englisch)

Modern communications techniques move towards higher and higher frequencies. The connectors in use are very sensitive and must be characterized with high reliability. Up to now the complete traceability to SI units of the RF & MW quantity “S-parameters” was not available. Furthermore the calculation of the primary standards was not accurate enough. A more practical problem in this context was the transition between coax and printed circuit boards (PCB).

For the first time, the CoMo70 project delivers a reliable simulation technique for the calculation of the coaxial standards and provides an improved calibration method for the Vector Network Analyser (VNA). The results lead not only to a better accuracy but in addition there are substantial improvements in the practical application of VNA calibration methods. Finally, CoMo70 provides guidelines for the coax PCB transitions which are based on a solid physical foundation.

The following outcomes are relevant for METAS:

• The influence of the RF connector at high frequencies (1.85 mm connector) is indeed significant and needs to be taken into account.
• Taking the connector effects into account is non-trivial and requires software support.
• A completely new calibration algorithm allows a consistent and correct treatment of all influences in a VNA measurement.
• Connector effects were so far entirely underestimated at lower frequencies.

High reflect standards (e.g. offset shorts) are an interesting alternative to conventional impedance standards (air lines). The most important advantages are lower production costs, easier handling and better control of connector effects. For a traceable characterization however more involved dimensional measurements are needed than for air lines and a modeling process which has been developed in CoMo70 needs to be applied.

Umsetzung und Anwendungen (Englisch)

Based on the project results, new traceable calibration services for the 1.85 mm line system (dimensional characterization and S-parameters) have been developed. First calibrations for customers were made.

A new project, CalCon, was started. It will transfer the results of CoMo70 into metrological practice and aims at the extension of the modeling activities to other connector families. The newly developed calibration algorithm and models for offset shorts and connectors will be implemented in the METAS VNA Tools II software package (5217.08.FP.060).The modeling will be extended to selected coaxial connectors (2.4 mm, 2.92 mm, 3.5 mm, Type-N) to cover the lower frequencies. In analogy to CoMo70, the geometry parameters of the connecters will be varied for the modeling and the results will be available in a database. Within the defined parameter space, the electrical properties of a connector with arbitrary dimensions can thus be determined through interpolation.

Publikationen / Ergebnisse (Englisch)

J. Hoffmann, P. Leuchtmann, J. Ruefenacht, R. Vahldieck, “A stable bayesian vec-tor network analyzer calibration algorithm”, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. 57, Issue 4, pp.869-880, April 2009.

J. Hoffmann, P. Leuchtmann, J. Ruefenacht, Ch. Hafner, “Propagation constant of a coaxial transmission line with rough surfaces”, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., accepted for publication.

J. Hoffmann, P. Leuchtmann, J. Schaub, R. Vahldieck, “Computing Uncertainties of S-Parameters by Means of Monte Carlo Simulation,” 69th ARFTG Conference, Honolulu, Conference Digest, vol. 69, June 2007.

J. Hoffmann, P. Leuchtmann, R. Vahldieck, “Pin Gap Investigations for the 1.85 mm Coaxial Connector”, IEEE European Microwave Week, Munich, Proceedings, pp. 388–391,October 2007.

J. Hoffmann, P. Leuchtmann, R. Vahldieck, “Over-determined Offset Short Calibra-tion of a VNA”, 71st ARFTG Conference, Atlanta, Conference Digest, vol. 71, June 2008.

J. Hoffmann, P. Leuchtmann, A. Kretz, J. Ruefenacht, R. Vahldieck, “Characteriza-tion of Coaxial Adapters for S-parameter Measurements”, IEEE European Micro-wave Week, Amsterdam, Proceedings, pp. 313–316, October 2008.

J. Hoffmann, P. Leuchtmann, J. Ruefenacht, K. Wong, “S-parameters of Slotted and Slotless Coaxial Connectors”, 74th ARFTG Conference, Boulder, Conference Digest, vol. 74, December 2009.