Brevet FR2676543A1 — publié le 19921120

Disi Dositif pour tests h Yperfréquences à large bande réalisés in situ L'invention concerne un dispositif permettant de faire des tests hyperfréquences réalisés in situ, c'est-à-dire en des points arbitraires d'un circuit hybride ou monolithique fonctionnant dans la gamme des hyperfréquences. Les circuits hybrides ou monolithiques permettent de réaliser des fonctions hyperfréquences complexes qui nécessitent d'être testées à différents niveaux Cette nécessité provient de la nature intrinsèquement analogique de ces circuits, laquelle entraîne automatiquement des gabarits de réalisation resserrés Ce besoin est particulièrement critique en hyperfréquences car les longueurs d'onde considérées entraînent un accroissement correspondant de la sensibilité des circuits aux dimensions. Par ailleurs, les performances demandées aux fonctions hyperfréquences (puissance, facteur de bruit, linéarité, bande passante et caractéristiques de filtrage, précision des modulations,) conditionnent directement celles de l'équipement intégrateur et doivent par conséquent être garanties de façon la plus précise possible Le caractère précurseur de beaucoup de composants hyperfréquences, utilisés parfois en limites de performances, accentue le besoin de tests hyperfréquences. Jusqu'à présent, on a l'habitude de tester avant montage les composants actifs (diodes, transistors, circuits intégrés) en les faisant travailler en continu, en fonction d'un gabarit donné, et ce dans les phases maquette, prototype et série Les circuits intégrés peuvent aussi être testés en hyperfréquences grâce à des machines de test sous pointes comme celles vendues par CASCADE MICROWAVE. Suivant les cas, ces composants actifs sont montés en boîtier, sur un support pour puce testable ('chip carrier"), ou directement en puces dans la fonction hyperfréquences. Dans les deux premiers cas, un test hyperfréquences est réalisé afin de contrôler les performances finales des composants et parce qu'il est plus facile de comprendre l'origine d'un défaut éventuel et de le réparer. Les fonctions hyperfréquences sont réalisées dans des boîtiers protecteurs étanches ou hermétiques, munis de connecteurs Un test est parfois effectué avant la fermeture du boîtier pour des réglages finaux et éventuellement des réparations Ceci s'applique en particulier aux boîtiers complexes ou de performances critiques. Finalement, le boîtier est fermé, et testé afin de contrôler les performances du sous-ensemble, de l'ensemble, et de l'équipement intégrateur Il s'agit là de tests dits d'intégration. Les tests dits in situ sont ceux que l'on pratique en chaque emplacement de la fonction hyperfréquences D'un point de vue général, les tests in situ sont utiles car il existe un lien direct entre la topologie d'un circuit semi-conducteur et les fonctions électriques réalisées par celui-ci Plus précisément, on distingue trois niveaux de besoins pour des tests in situ: en études ou maquettes, certains couplages entre circuits ou certaines distributions de l'énergie dans les lignes d'alimentation des circuits sont encore mal modélisées, et un outil de mesure de ces énergies permettrait de lever certaines incertitudes de conception; en prototypes, certaines performances ne sont atteintes qu'après réglage Pour effectuer ces tests, on réalise des boîtiers séparés, que l'on règle et que l'on assemble ensuite Toutefois cette procédure est coûteuse et de plus ne permet pas de miniaturiser correctement les fonctions hyperfréquences Un test hyperfréquences in situ permettrait, par exemple, l'adaptation d'amplificateurs montés en cascade sur une céramique, en mesurant la tension existant en un ou plusieurs points des circuits interétages Un test hyperfréquences in situ permettrait aussi la réalisation de mesures de taux d'ondes stationnaires (TOS) de sortie d'amplificateurs de puissance sans banc de test spécifique; en série, les tests hyperfréquences habituels et les tests sur les alimentations ne permettent pas de localiser les défauts de construction, comme un câblage hyperfréquences défectueux ou même un câblage continu défectueux puisque plusieurs composants sont généralement alimentés en parallèle. L'objet de l'invention est de pallier les inconvénients précités de l'état de la technique. En particulier un objectif de l'invention est de proposer un dispositif qui permet de résoudre les problèmes de tests des circuits hybrides fonctionnant dans la gamme des hyperfréquences. Un autre objectif de l'invention est de proposer un dispositif, pour tests hyperfréquences à large bande réalisés in situ, qui soit d'une manipulation facile pour être positionné en différents endroits d'une fonction hyperfréquences et qui s'adapte aux équipements de mesures sous pointes actuels (continus ou hyperfréquences). Essentiellement, le principe de l'invention consiste en un composant de type "puce" destiné à être posé sur le substrat d'un circuit hybride à tester pour capter l'onde électromagnétique rayonnée au-dessus du substrat par le circuit hybride et fournir cette onde ou un signal de mesure des caractéristiques de cette onde à une machine de test sous pointes L'invention s'applique donc de préférence aux structures ouvertes telles que lignes microruban, lignes coplanaires ou autre. Plus spécifiquement, le dispositif pour tests hyperfréquences à large bande réalisés in situ est caractérisé en ce qu'il comprend: un moyen support, destiné à être placé au dessus d'une ligne hyperfréquences rayonnant une onde électromagnétique, des moyens de couplage hyperfréquences portés par le moyen support pour capter l'onde électromagnétique, les moyens de couplage étant maintenus suffisamment espacés de la ligne hyperfréquences par le moyen support pour réaliser un couplage hyperfréquences par prélèvement. Avantageusement: le moyen support est constitué d'une lamelle de silice ayant une face inférieure transparente et une face supérieure métallisée, les moyens de couplages étant constitués par des gravures sur la face supérieure métallisée de la lamelle de silice. les moyens de couplage sont des sondes à boucles de courant pour réaliser un couplage au champ magnétique de l'onde hyperfréquences. les moyens de couplage sont des sondes dipolaires de tension pour réaliser un couplage au champ électrique de l'onde hyperfréquences. les sondes à boucles de courant sont constituées de deux boucles de courant fonctionnant en tête-bêche et ayant une partie de boucle commune, la partie de boucle commune étant coupée pour former deux bornes de connexion. les deux boucles de courant sont disposées symétriquement par rapport à l'axe longitudinal de la ligne hyperfréquences, les deux bornes de connexion étant sensiblement alignées sur cet axe longitudinal et une diode pouvant relier les deux bornes de connexion. le dispositif comporte deux sondes dipolaires de tension disposées en opposition, chaque sonde dipolaire de tension ayant un dipôle équipé d'une diode, les dipôles étant en outre reliés en série. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore mieux à la lecture de la description ci-dessous faite en référence aux dessins dans lesquels: la figure 1 illustre le principe du dispositif pour tests hyperfréquences selon l'invention; la figure 2 représente une vue de dessus du dispositif pour tests hyperfréquences selon un premier mode de réalisation de l'invention; la figure 3 représente une vue de dessus du dispositif pour tests hyperfréquences selon un second mode de réalisation de l'invention; la figure 4 représente une vue de dessus du dispositif pour tests hyperfréquences selon un troisième mode de réalisation de l'invention; Sur la figure 1, le dispositif pour tests hyperfréquences large bande réalisés in situ comprend un support tel que 20, constitué d'une lamelle de silice, et des moyens de couplage hyperfréquences tels que 15 portés par le moyen support pour venir au dessus d'une ligne hyperfréquences 25 (par exemple une ligne microruban) d'un circuit hyperfréquences et jouer le rôle d'une antenne de réception. Sur cette figure on a représenté le substrat 30 du circuit hyperfréquences à tester in situ En fonctionnement hyperfréquences, la ligne hyperfréquences rayonne une onde électromagnétique au dessus du substrat Le principe selon l'invention consiste à capter un champ électromagnétique engendré par l'onde électromagnétique afin de mesurer ces caractéristiques La mesure est réalisée par un dispositif de tests ayant des pointes de test (continu ou hyperfréquences) telles que 10 venant se poser sur des points de tests (plots de contact) des moyens de couplage hyperfréquences. Le couplage hyperfréquences peut être un couplage direct, un couplage au champ magnétique ou un couplage au champ électrique de l'onde électromagnétique ou tout autre couplage permettant de prélever les caractéristiques de l'onde électromagnétique rayonnée A cet effet, on utilise soit des sondes dipolaires de tension, soit des sondes à boucles de courant comme décrit ci-après On pourrait tout aussi bien utiliser les effets électrooptiques de l'As Ga ou les effets thermiques des cristaux liquides en combinaison avec des détecteurs de lumière ou de gradient de température. Une fois que le signal hyperfréquences est prélevé par les moyens de couplage 15, il est: remonté sur une ligne hyperfréquences, une fibre optique ou autre, jusqu'à un équipement de mesure, ou converti en un signal électrique in situ, ce signal électrique étant ensuite fourni à l'équipement de mesure. Le choix entre ces différentes possibilités s'effectue en fonction: du type de substrat (alumine, As Ga) du nombre de points de mesure simultanés, de la fréquence de travail du circuit à tester, de la largeur de bande nécessaire, de la dynamique de la mesure, de la nécessité de connaître la phase du signal hyperfréquences, de la compatibilité avec les équipements de mesure, des contraintes apportées au circuit. La lamelle de silice 20 a la forme d'un carré d'environ lmm de côté et une épaisseur d'environ 0,lmm. La lamelle peut donc être positionnée à l'aide d'un microscope binoculaire sur le dessus d'une ligne hyperfréquences d'un circuit hybride même complexe et ce, en différents points de mesure de la fonction hyperfréquences La lamelle de silice a une face inférieure 21, directement en vis-à-vis avec la ligne microruban 25, qui est nue et transparente et une face supérieure 22 métallisée La face supérieure métallisée est gravée pour former des plots de connexion, des sondes à boucles de courant ou des sondes dipolaires de tension Ces sondes sont utilisées par des pointes d'une machine de test sous pointes conventionnelle La lamelle de silice a l'avantage de positionner correctement la ou les sondes en hauteur par rapport à la ligne hyperfréquences 25 De préférence, l'épaisseur de la lamelle de silice, responsable du coefficient de couplage avec la ligne hyperfréquences, doit avoir une valeur suffisante pour permettre un couplage par prélèvement compris entre -20 d B et -50 d B. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, illustré sur la figure 2, la surface supérieure 22 métallisée de la lamelle de silice 20 est gravée pour former une sonde 15 à boucles de courant ,51 ayant deux plots de contacts 40. Le signal de courant hyperfréquences capté par la sonde à boucles de courant est envoyé dans des pointes hyperfréquences d'une céramique 35 (dite "céramique Cascade"), ces pointes étant placées sur les plots de contact 40. Cette solution toute hyperfréquences permet d'exploiter l'amplitude et la phase du signal de courant hyperfréquences développé dans la sonde à boucles de courant. Selon un second mode de réalisation de l'invention, illustré sur la figure 3, la surface supérieure 22 métallisée de la lamelle de silice 20 est aussi gravée pour former une sonde à boucles de courant ,51 qui permet de réaliser un couplage au champ magnétique de l'onde hyperfréquences. Les deux boucles de courant 50, 51, diposées symétriquement par rapport à l'axe longitudinal 26 de la ligne hyperfréquence, fonctionnent en tête-bêche et ont une partie de boucle commune 52 coupée pour former deux bornes de connexion 40 Les deux bornes de connexion 40 sensiblement alignées sur l'axe longitudinal 26, sont reliées entre elles par une diode Schottky telle que 45 montée en appui sur trois points sur le dessus de la gravure métallique La diode 45 permet de détecter in situ un signal de courant hyperfréquences redressé représentatif du champ magnétique de l'onde hyperfréquences au point de test considéré. Les deux boucles de courant 50,51 sont en outre munies de capacités 54,53 d'environ lp F chacune pour ne pas court-circuiter la diode 45 La sonde de courant représentée sur cette figure possède deux options de sorties sous pointes, respectivement 59,61 et 60,62 à travers des résistances de protection respectivement 56,58 et 55,57, destinées à alimenter des pointes (continu) d'une machine de test. Selon un troisième mode de réalisation de l'invention, illustré sur la figure 4, la surface supérieure 22 métallisée de la lamelle de silice 20 est gravée pour former une sonde dipolaire de tension pour réaliser un couplage au champ électrique de l'onde hyperfréquences La sonde dipolaire de tension comprend deux dipôles 70, 75 disposés en opposition et symétriquement par rapport à l'axe longitudinal 26 de la ligne hyperfréquence, deux diodes Schottky 80,81 placées chacune entre chaque dipôle et les deux dipôles en opposition étant reliés en série à travers une résistance 83 pour additionner des tensions continues. La sonde dipolaire de tension comporte une option de sortie 85,90 sous pointes (continu) à travers des résistances de protection 82,84. Comme visible sur les figures 3 et 4, la sonde de courant et la sonde de tension présentent un axe de symétrie confondu avec l'axe longitudinal 26 de la ligne hyperfréquence de façon à capter principalement les champs apparaissant sur les bords de la ligne hyperfréquences et à réjecter au mieux les champs relativement uniformes provenant des rayonnements parasites présents dans le boîtier du circuit hybride à tester. Par conséquent, le dispositif pour tests hyperfréquences selon l'invention est un transducteur permettant d'utiliser les machines habituelles de tests hyperfréquences On peut envisager autant de transducteurs que le permet la surface du circuit hybride à tester et le nombre de pointes normalement présentes sur l'équipement de test. Le dispositif pour tests hyperfréquences, selon l'invention, est particulièrement bien adapté aux mesures dans la gamme des microondes, par exemple de 1 à 100 G Hz En effet, la dimension des fonctions hyperfréquences est typiquement de l'ordre du dixième de la longueur d'onde dans le matériau supportant le circuit, soit 0,3 mm à 30 G Hz avec une constante diélectrique de 9, ce qui se prête bien aux possibilités des micromanipulateurs existants. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation ci-dessus décrit et on pourra prévoir d'autres variantes sans pour cela sortir du cadre de l'invention Par exemple, on peut remplacer la ou les diodes Schottky par une diode de modulation (dite diode "Pi N") pour effectuer une modulation de l'onde hyperfréquences qui sera détectée en sortie des fonctions hyperfréquences et dont l'amplitude est représentative du champ couplé dans le transducteur. il REVENDICATIONS 1) Un dispositif pour tests hyperfréquences à large bande réalisés in situ, caractérisé en ce qu'il comprend: un moyen support ( 20), destiné à être placé au dessus d'une ligne hyperfréquences rayonnant une onde électromagnétique, des moyens de couplage ( 15) hyperfréquences portés par le moyen support pour capter l'onde électromagnétique, les moyens de couplage étant maintenus suffisamment espacés de la ligne hyperfréquences par le moyen support pour réaliser un couplage hyperfréquence par prélèvement. 2) Le dispositif selon la revendication 1, dans lequel le moyen support est constitué d'une lamelle de silice ayant une face inférieure ( 21) transparente et une face supérieure ( 22) métallisée, les moyens de couplages étant constitués par des gravures sur la face supérieure métallisée de la lamelle de silice. 3) Le dispositif selon la revendication 2, dans lequel les moyens de couplage sont des sondes à boucles de courant pour réaliser un couplage au champ magnétique de l'onde hyperfréquences. 4) Le dispositif selon la revendication 2, dans lequel les moyens de couplage sont des sondes dipolaires de tension pour réaliser un couplage au champ électrique de l'onde hyperfréquences. 5) Le dispositif selon la revendication 4, dans lequel les sondes à boucles de courant sont constituées de deux boucles de courant ( 50,51) fonctionnant en tête-bêche et ayant une partie de boucle commune ( 52), la partie de boucle commune étant coupée pour former deux bornes de connexion ( 40). 6) Le dispositif selon la revendication Y, dans lequel la ligne hyperfréquences a un axe longitudinal ( 26) et dans lequel les deux boucles de courant ( 50,51) sont disposées symétriquement par rapport à l'axe longitudinal de la ligne hyperfréquences, les deux bornes de connexion étant sensiblement alignés sur cet axe longitudinal. 7) Le dispositif selon la revendication 6, comportant en outre une diode ( 45) reliant les deux bornes de connexion ( 40). g,) Le dispositif selon la revendication t, comportant deux sondes dipolaires de tension ( 70,75) disposées en opposition, chaque sonde dipolaire de tension ayant un dipôle équipé d'une diode ( 80,81), les dipôles étant en outre reliés en série. i) Le dispositif selon la revendication g dans lequel la ligne hyperfréquence a un axe longitudinal ( 26) et dans lequel les dipoles ( 70, 75) sont disposés symétriquement par rapport à l'axe longitudinal de la ligne hyperfréquence.