РЧ-зонды: принципы работы и применение в радиоэлектронике.

Введение

Радиочастотный зонд — это устройство, позволяющее электронному измерительному оборудованию измерять радиочастотный (РЧ) сигнал в электронной схеме.

История

В 1980 году Рид Глисон и Эрик Стрид изобрели первый высокочастотный вафельный зонд, работая в Tektronix. Позже они основали Cascade Microtech в 1983 году. Измерение радиочастотной энергии может быть затруднено по одной или нескольким причинам, в зависимости от характера измеряемой схемы и доступного измерительного оборудования. Первый вид затруднений возникает, когда радиочастотная энергия, подлежащая измерению, имеет частоту, слишком высокую для прямой обработки доступным испытательным оборудованием, например, осциллографом с низкой полосой пропускания. В этом случае радиочастотный сигнал необходимо преобразовать в постоянный или близкий к постоянному сигнал. В такой ситуации для преобразования RF-сигнала в постоянный ток можно использовать простой тип зонда, иногда называемый RF-детектором. Такое устройство будет работать как RF-выпрямитель и выдавать импульсное постоянное напряжение. Второй вид затруднений возникает, когда необходимо измерять радиочастотную энергию в схеме, чувствительной к небольшим изменениям в ее электрической среде. Например, в некоторых схемах генераторов присутствие обычного провода в пределах нескольких сантиметров от активных компонентов может изменить амплитуду или частоту колебаний или даже полностью остановить колебания схемы. В этом случае сигнал должен быть получен измерительным зондом, который извлекает из схемы очень мало энергии. Этого можно достичь, используя очень тонкие проводники или крошечные катушки, удерживаемые на минимальном расстоянии от активных элементов схемы. В ситуации, когда проблема заключается не в высокой частоте, а в нагрузке схемы, можно использовать различные зонды с малой геометрией и высоким импедансом, иногда включая усилитель для повышения незначительного количества энергии, извлекаемой из схемы, до уровня, позволяющего измерить ее доступным высокочастотным испытательным оборудованием. Коаксиальные структуры с пружинными внутренними и внешними проводниками могут служить RF-зондом для современной коммуникационной электроники. Такие зонды, например, используются в массовом производстве, при поточной проверке коммуникационной электроники, такой как индустрия мобильных телефонов. RF-зонды особенно важны для переключателей и RF-трасс в печатных платах, а также для выводов RF-компонентов. В таких системах, как и во многих других RF-схемах, предъявляются более высокие требования к согласованию импеданса зонда с импедансом DUT. Эффективное согласование позволяет избежать отражений, что, в свою очередь, обеспечивает эффективную передачу энергии. Вторая задача для поддержания эффективности передачи энергии – минимизировать потери вносимого сигнала. Оптимизация этих параметров обычно становится все более сложной с увеличением частоты.

In 1980 Reed Gleason and Eric Strid invented the first high frequency wafer probe while working at Tektronix. They later went on to found Cascade Microtech in 1983. RF energy may be challenging to measure for one or more reasons, depending on the nature of the circuit to be measured and the measuring equipment at hand. The first kind of difficulty arises when the RF energy to be measured is at a frequency too high for available test equipment, such as a low bandwidth oscilloscope, to process directly. In that case, the RF has to be converted to a DC or near DC signal. In this situation, a simple probe type sometimes called an RF detector can be used to convert the RF signal to DC. Such device will work as a RF rectifier and give a pulsed DC voltage. The second kind of difficulty arises when RF energy has to be measured in a circuit which is sensitive to small changes in its electrical environment. For example, with some oscillator circuits, the presence of an ordinary wire within a few centimeters of the active components may change the amplitude or frequency of oscillations, or even prevent the circuit from oscillating at all. In that case, the signal has to be acquired by a measurement probe which extracts very little energy from the circuit. This can be achieved by employing very thin conductors, or tiny coils kept at some minimum separation from the active elements of the circuit. In a situation, where circuit loading rather than high frequency is the real problem, a variety of small geometry, high impedance probes can be used, sometimes including an amplifier to boost the tiny amount of energy extracted from the circuit to a level that allows it to be measured by available high frequency test equipment. Coaxial structures with spring loaded inner and outer conductors can serve as an RF probe for modern communication electronics. Such probes are for instance being used in mass production, in line testing of communication electronics such as mobile phone industry. RF probes are especially relevant for switches and RF traces in printed circuit boards as well as terminations of RF components. In such systems, like many other RF circuits, there is a higher requirement of matching probe impedance with that of the DUT. Efficient matching avoids reflection which in turn leads to efficient power transfer. The second challenge to keep the power transfer efficient, is to keep the insertion loss as low as possible. Optimizing these parameters generally gets more challenging as the frequency increases.