Development of on-wafer calibration methods and planar Schottky diode characterisation at THz frequencies

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Mallat, Juha, Dr., Aalto University, Department of Radio Science and Engineering, Finland
dc.contributor.advisor Silvonen, Kimmo, Dr., Aalto University, Department of Radio Science and Engineering, Finland
dc.contributor.advisor Kiuru, Tero, Dr., Aalto University, Department of Radio Science and Engineering, Finland
dc.contributor.author Dahlberg, Krista
dc.date.accessioned 2014-09-19T07:59:06Z
dc.date.available 2014-09-19T07:59:06Z
dc.date.issued 2014
dc.identifier.isbn 978-952-60-5831-3 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-5830-6 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/14027
dc.description.abstract This thesis focuses on development of on-wafer calibration methods for S-parameter measurements and Schottky diode characterisation at millimeter wave and terahertz frequencies. The radio frequency characteristics of components at the wafer level are obtained using on-wafer S-parameter measurements with a vector network analyzer. In general an error network including eight error terms is used to calibrate the on-wafer S-parameter measurements, but in measurement configurations affected by leakage the use of full 16-term error network can be profitable. In this thesis a novel 16-term calibration method based on reciprocity conditions of the error network is introduced and demonstrated with simulations and practical on-wafer measurements. The developed calibration method enables the calibration of the full 16-term error network using only four calibration standards. The method is limited to second-tier calibration of reciprocal error networks with a pre-calibrated network analyzer, when the reciprocity assumption is valid. Also a novel method to determine Line-Reflect-Reflect-Match (LRRM) calibration standards for reciprocal 16-term error network is presented. The Line standard and the resistance of the Match standard need to be exactly known and the reactances of the two unknown lossless reflect standards (typically Short and Open) and the Match standard are solved using the raw S-parameter data of the calibration standard measurements. The accuracy of the known S-parameters or self-calibration results of the calibration standards can be verified as a by-product of the 16-term reciprocal calibration. LRRM is only one possible combination of the four calibration standards to solve the reciprocal 16-term error network. In this thesis all possible non-singular combinations are solved with a simulation approach. Schottky diodes are significant components in the millimeter wave and terahertz frequency applications. Traditionally Schottky diodes are characterised by current-voltage, capacitance-voltage, and S-parameter measurements. The design of the millimeter wave and terahertz diode mixers relies heavily on the extracted parameters from the traditional characterisation measurements. However, the diode operation in the final application such as a mixer cannot be completely predicted by using the extracted parameters. In this thesis a novel mixer-based characterisation method of discrete planar Schottky diodes is presented. A fundamental mixer test jig for single-anode Schottky diodes and a subharmonic mixer test jig for antiparallel Schottky diodes are developed to characterize and compare the mixer operation of different diodes at 183 GHz. en
dc.description.abstract Tämä väitöskirja käsittelee millimetriaalto- ja terahertsialueen on-wafer-sirontaparametri-mittausten kalibrointimenetelmien sekä Schottky-diodien karakterisoinnin kehittämistä. Piirianalysaattorilla tehdyillä on-wafer-sirontaparametrimittauksilla saadaan selvitettyä komponenttien radiotaajuiset ominaisuudet. Yleensä on-wafer-sirontaparametrimittausten kalibroinnissa käytetään 8-termistä virhepiiriä, mutta mittausjärjestelmissä, joissa esiintyy mittausporttien välistä signaalin ohivuotoa, voi 16-termisen virhepiirin käyttö olla hyödyllistä. Työssä esitellään uusi resiprookkisuusehtoihin perustuva 16-terminen kalibrointimenetelmä, jota havainnollistetaan simulaatioilla ja käytännön on-wafer-mittauksilla. Kalibrointimenetelmä mahdollistaa täyden 16-termisen virhepiirin kalibroinnin käyttämällä vain neljää kalibrointistandardia. Menetelmä rajoittuu resiprookkisen virhepiirin kalibrointiin esikalibroidulla piirianalysaattorilla, jolloin on perusteltua olettaa piiri resiprookkiseksi. Työssä on myös kehitetty uusi menetelmä määrittämään resiprookkisen 16-termisen virhepiirin Line-Reflect-Reflect-Match (LRRM) kalibrointistandardit. Siirtojohto-standardi sekä sovitetun päätteen resistanssi täytyvät olla täysin tunnettuja.Kahden tuntemattoman heijastusstandardin (tyypillisesti oikosulku ja avoin pääte) sekä sovitetun päätteen reaktanssit saadaan ratkaistua kalibrointistandardien S-parametrimittausten raakadatasta. Kalibrointistandardien todellisten S-parametrien tai itsekalibrointitulosten tarkkuus voidaan tarkastaa 16-termisen resiprookkisen kalibroinnin sivutuotteena. LRRM on vain yksi mahdollinen neljän kalibrointistandardin kombinaatio, jolla resiprookkinen 16-terminen virhepiiri voidaan ratkaista. Tässä työssä on etsitty simuloinnin avulla kaikki mahdolliset ei-singulaariset kombinaatiot. Schottky-diodit ovat tärkeitä komponentteja millimetriaalto- ja terahertsialueen sovelluksissa. Perinteisesti Schottky-diodit karakterisoidaan virta-jännite- , kapasitanssi-jännite- ja S-parametrimittauksilla. Millimetriaalto- ja terahertsialueen sekoitinsuunnittelu pohjautuu perinteisistä mittauksista ekstraktoituihin parametreihin. Diodien toimintaa lopullisessa sovelluksessa kuten sekoittimissa ei voida kuitenkaan täysin ennustaa näiden ekstraktoitujen parametrien avulla. Työssä esitellään uusi sekoitintoimintaan perustuva erillisten planaaristen Schottky-diodien karakterisointimenetelmä. Perustaajuinen sekoitintestialusta on kehitetty yksianodisten Schottky-diodien toiminnan karakterisointiin ja vertailuun, ja aliharmonen sekoitintestialusta vastakkaissuuntaisten Schottky diodien karakterisointiin ja vertailuun 183 GHz:n taajuudella fi
dc.format.extent 116 + app. 58
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 128/2014
dc.relation.haspart [Publication 1]: K. Silvonen, K. Dahlberg, and T. Kiuru, “16-term error model in reciprocal systems,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 60, no. 11, pp. 3551-3558, Nov. 2012. DOI: 10.1109/TMTT.2012.2217150
dc.relation.haspart [Publication 2]: K. Dahlberg and K. Silvonen, “A method to determine LRRM calibration standards in measurement configurations affected by leakage,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, accepted for publication, 2014.
dc.relation.haspart [Publication 3]: K. Dahlberg, K. Silvonen, and T. Kiuru, “A method for testing accuracy of the calibration standards based on reciprocity conditions of the error network,” Microwave and Optical Technology Letters, vol. 56, no. 5, pp. 1036-1040, May 2014. DOI: DOI: 10.1002/mop.28251
dc.relation.haspart [Publication 4]: K. Dahlberg, K. Silvonen, and T. Kiuru, “On-wafer characterisation of text-fixtures in the presence of cross-talk,” in Microwave Technologies and Techniques Workshop, ESA/ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, May 21-23, 2012.
dc.relation.haspart [Publication 5]: K. Dahlberg, T. Kiuru, J. Mallat, A. V. Räisänen, and T. Närhi, “Simple waveguide-to-suspended microstrip transition with low-pass filter,” in Proceedings of 40th European Microwave Conference, Paris, France, Sept. 28-30, 2010, pp. 671-674.
dc.relation.haspart [Publication 6]: K. Dahlberg, T. Kiuru, J. Mallat, A. V. Räisänen, and T. Närhi, “Generic jig for testing mixing performance of millimeter wave Schottky diodes,” in Proceedings of 41st European Microwave Conference, Manchester, UK, Oct. 10-13, 2011, pp. 922-925.
dc.relation.haspart [Publication 7]: K. Dahlberg, T. Kiuru, J. Mallat, T. Närhi, and A. V. Räisänen, “Mixer-based characterisation of millimeter wave and terahertz single-anode and antiparallel Schottky diodes,” IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, accepted for publication, 2014.
dc.subject.other Electrical engineering en
dc.title Development of on-wafer calibration methods and planar Schottky diode characterisation at THz frequencies en
dc.title On-wafer-kalibrointimenetelmien ja planaaristen Schottky-diodien karakterisoinnin kehittäminen THz-taajuuksilla fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Sähkötekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Electrical Engineering en
dc.contributor.department Radiotieteen ja -tekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Radio Science and Engineering en
dc.subject.keyword calibration en
dc.subject.keyword mixer en
dc.subject.keyword on-wafer measurements en
dc.subject.keyword Schottky diode en
dc.subject.keyword S-parameter measurements en
dc.subject.keyword kalibrointi fi
dc.subject.keyword on-wafer-mittaukset fi
dc.subject.keyword Schottky-diodi fi
dc.subject.keyword sekoitin fi
dc.subject.keyword S-parametrimittaukset fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-5831-3
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Räisänen, Antti, Prof., Aalto University, Department of Radio Science and Engineering, Finland
dc.opn Krozer, Viktor, Prof., Goethe University of Frankfurt am Main, Germany
dc.date.dateaccepted 2014-08-25
dc.rev Thomas, Bertrand, Dr., Radiometer Physics GmbH, Germany
dc.rev Yhland, Klas, Adj. Prof., SP Technical Research Institute of Sweden, Sweden
dc.date.defence 2014-09-24


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account