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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Charakterisieren von Mikrowellenbauelementen, insbesondere zum Kalibrieren von Netzwerkanalysatoren zur kalibrierten Messung von elektronischen Mikrowellenbauelementen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei elektronischen Mikrowellenbauelementen bzw. -komponenten, wie beispielsweise Millimeterwellenschaltungen (MMICs) oder Mikrowellenschaltungen, die auf Halbleiterscheiben, den sogenannten Wafern, hergestellt werden, ist es sinnvoll, diese nach der Herstellung elektrisch zu vermessen. Dabei kann eine Messung sowohl nach einer optionalen Zerteilung des Wafers, d. h. an einzelnen Komponenten erfolgen, die Messung kann jedoch auch vor der Zerteilung (on chip/on-Wafer-Messung) durchgeführt werden.
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Die elektrischen Eigenschaften von Mikrowellenbauelementen werden unter anderem durch Streuparameter (S-Parameter) beschrieben. Die Streuparameter umfassen Transmission und Reflexion der Mikrowellenbauelemente und Charakterisieren das Kleinsignalverhalten, insbesondere das Netzwerkverhalten der zu vermessenden Objekte.
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Diese Streuparameter können mittels einer Netzwerkanalyse ermittelt werden, indem, wie aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise eine Wafermessung mittels eines Netzwerkanalysators durchgeführt wird. Dabei wird das zu vermessende Objekt, beispielsweise ein Mikrowellenbauelement, an mindestens einem seiner Eingänge durch eine an einem Einkoppelbereich eingekoppelte, monofrequente Leistungswelle angeregt, während die übrigen Anschlüsse (Tore) durch geeignete Lasten reflexionsfrei abgeschlossen sind. Dabei werden die Leistungsanteile (in Betrag und Phase) welche zu den anderen Toren transportiert werden bzw. der Anteil, der am Eingang des zu vermessenden Objekts reflektiert wird, gemessen.
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Diese Messung wird am gesamten System mit Anschlussleitung und Prüfsonden mit dem oben genannten Netzwerkanalysator durchgeführt und umfasst auch unerwünschte Kopplungen zwischen den einzelnen Komponenten.
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Hier ist es allerdings, insbesondere bei der so genannten vektoriellen Netzwerkanalyse, notwendig, eine Systemfehlerkorrektur vor der eigentlichen Messung der elektronischen Bauelemente durchzuführen, um präzise Messergebnisse zu erhalten. Zu diesem Zweck wird vor der Messung eine Kalibration des Netzwerkanalysators anhand so genannter Kalibrationsstandards durchgeführt, deren elektrische Kenngrößen bekannt sind.
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Aus dem Stand der Technik sind Kalibrationsstandards bekannt, die auf einem Substrat angeordnet sind. Alternativ kann auch eine in-situ-Kalibration vorgenommen werden, d. h die Kalibrationsstandards sind direkt auf dem Wafer angeordnet, welcher die zu vermessenden Objekte enthält. Gängige Kalibrationsverfahren basieren auf den Standards „SHORT”, „OPEN”, „LOAD” als Eintor-Elemente und Transmissionsleitungen „THRU” beziehungsweise „LINE” von beispielsweise unterschiedlicher Länge als Zweitor-Elemente.
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Aufgrund der Kenntnis der elektrischen Kenngrößen der Kalibrationsstandards können sogenannte Fehlerterme als Elemente einer systemcharakteristischen Transformationsmatrix (Kalibrationsmatrix) bestimmt werden. Die so bestimmten Fehlerterme werden dann als Korrekturdaten bei der Auswertung der Daten der anschließenden Messung der zu vermessenden elektronischen Bauelemente berücksichtigt.
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Problematisch bei einer derartigen Konfiguration ist jedoch, dass sich insbesondere bei höheren Frequenzen, beispielsweise bei Frequenzen oberhalb von 100 GHz, parasitäre Wellenmoden über das offene Ende der Transmissionsleitung im Kalibrationssubstrat ausbreiten können. Dieser Effekt führt dazu, dass das bei der Kalibration tatsächlich gemessene Signal nicht nur von dem angenommenen Kalibrationsstandard herrührt, sondern zusätzliche Signalbeiträge enthält. Hierdurch resultieren systematische Messfehler, die insbesondere bei hohen Frequenzen substantielle Messfehler sein können. Da die Kalibrationsdaten im allgemeinen jedoch keine redundanten Informationen enthalten, ist der entstandene Fehler auch nicht ersichtlich. Zudem kann sich der Fehler noch vergrößern, wenn sich die dielektrischen Eigenschaften des Substrats bei der Kalibration (typischerweise Keramik) und bei der Messung (typischerweise ein Verbindungsleiter, wie GaAs) unterscheiden.
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Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise Kalibrationsverfahren bekannt, die vorsehen, die Streuparameter einer Anzahl von Kalibrationsstandards zu messen, welche Anzahl an Kalibrationsstandards größer ist als für eine analytische Bestimmung der durch die Kalibrations ermittelbaren Kalibrationsparameter notwendig ist. Für die Berechnung der Kalibrationsparameter in Abhängigkeit von den gemessenen S-Parametern der Kalibrationsstandards werden bezüglich der Kalibrationsstandards Idealitätsannahmen gemacht.
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Beispielsweise ist aus der Veröffentlichung Butler, J. V. et al, 16-Term Error Model and Calibration Procedure for On-Wafer Network Analysis Measurements, IEEE Transactions an Microwave Theory and Techniques, Vol. 39, No. 12, Dezember 1991, ein Verfahren zur Berechnung der Kalibrationsparameter auf der Grundlage eines Gleichungssystems abhängig von vorgegebenen und gemessenen 5-Parametern der Kalibrationsstandards bekannt.
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Nachteilig an den vorbekannten Verfahren ist jedoch, dass weder die den Kalibrationsverfahren zu Grunde liegenden Idealitätsannahmen bezüglich der Kalibrationsstandards noch die Annahme einer Serienschaltungstopologie überprüft werden. Dadurch treten, insbesondere bei Frequenzen oberhalb von 100 GHz, erhebliche systematische Fehler auf.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Charakterisieren von Mikrowellenbauelementen, insbesondere zum Kalibration von Netzwerkanalysatoren zur kalibrierten Messung von elektronischen Mikrowellenbauelementen, vorzuschlagen, welches eine hoch präzise Kalibrierung der Mikrowellenbauelemente ermöglicht.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorzugsweise Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 2 bis 14. Eine erfindungsgemäße Verwendung findet sich in Anspruch 15. Hiermit wird der Wortlaut sämtlicher Ansprüche explizit per Referenz in die Beschreibung einbezogen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Charakterisieren von Mikrowellenbauelementen, insbesondere zum Kalibrieren von Netzwerkanalysatoren zur kalibrierten Messung von elektronischen Mikrowellenbauelementen, umfasst folgende Verfahrensschritte:
- A. Messen von S-Parametern einer Anzahl N von Kalibrationsstandards, welche Anzahl N von Kalibrationsstandards größer ist als für eine analytische Bestimmung der durch die Kalibration ermittelbaren Kalibrationsparameter notwendig,
- B. Berechnen der Kalibrationsparameter abhängig von den gemessenen Parametern der Kalibrationsstandards.
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Wesentlich ist, dass das Berechnen der Kalibrationsparameter in Verfahrensschritt B auf der Grundlage eines Gleichungssystems abhängig von vorgegebenen SKal-Parametern der Kalibrationsstandards erfolgt, und in einem Verfahrensschritt C nach dem Verfahrensschritt B ein Gütekriterium der Kalibrationsparameter bestimmt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich somit in wesentlichen Aspekten von vorbekannten Verfahren: Das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt auf der Grundlage bekannter Streuparameter (S-Parameter) der Kalibrationsstandards, die für alle Frequenzbänder vollständig bekannt sind. Zusätzlich erfolgt eine Bestimmung eines Gütekriteriums der Kalibrationsparameter, welches eine Aussage über die Qualität des Kalibrationsverfahrens ermöglicht.
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Hierdurch ergeben sich insbesondere die Vorteile, dass eine direkte und eindeutige Bestimmung der Kalibrationsparameter, auch im Falle eines überbestimmten Systems, möglich ist sowie die Qualität des Kalibrationsverfahrens mittels des Gütefaktors, z. B. im Hinblick auf die Konsistenz der zugrundeliegenden Kalibrationsstandards oder der Annahme einer Serienschaltungstopologie nachträglich überprüfbar und bewertbar ist.
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An die Kalibrationsstandards werden hohe Anforderungen gestellt: Beispielsweise muss ihr frequenzabhängiges Kleinsignalverhalten genau bekannt sein und die Kalibrationsstandards müssen mit hoher Reproduzierbarkeit gemessen werden können. Weiter müssen sie einen vollständigen Satz von Bestimmungsgleichungen liefern und eine analytische Lösung der Bestimmungsgleichung ermöglichen. Zusätzlich müssen die Kalibrationsstandards im Falle einer On-Wafer-Messung auch noch für die Prüfsonden auf möglichst einfache Weise zugänglich sein. Die benötigten Informationen über die Eigenschaften der Kalibrationsstandards sind aus Herstellerangaben bekannt oder werden vorzugsweise durch Messungen und/oder Simulationsverfahren bestimmt.
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In einer vorzugsweisen Ausführungsform erfolgt in Verfahrensschritt B das Berechnen der Kalibrationsparameter ohne Idealitätsannahmen bezüglich der Kalibrationsstandards. Es werden also keine Idealitätsannahmen bezüglich der Kalibrationsstandards gemacht, wie bei aus dem Stand der Technik vorbekannten Verfahren. Hierdurch ergibt sich eine substantielle Verbesserung der Messgenauigkeit, insbesondere bei Frequenzen oberhalb von 110 GHz.
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In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform erfolgt das Berechnen der Kalibrationsparameter mittels eines Acht-Term-Fehlermodells oder eines 16-Term-Fehlermodells. Hier können die vorbekannten Zweitor-Kalibrationsmodelle, das genannte Acht-Term-Fehlermodell und das genannte 16-Term-Fehlermodell, verwendet werden.
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In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform wird als Gütekriterium ein erster Gütefaktor η
K bestimmt, welcher eine Aussage über die Kalibrierbarkeit des Systems ermöglicht. Vorzugsweise bestimmt sich der erste Gütefaktor η
K aus einem Quotienten aus kleinstem Eigenwert der Kalibrationsmatrix und Summe der Eigenwerte der Kalibrationsmatrix, das heißt nach folgender Formel
λ
i sind die Eigenwerte der Kalibrationsmatrix. Bei Verwendung des Acht-Term-Fehlermodells ergeben sich acht Eigenwerte, hier ist i = 8. Bei der Verwendung des 16-Term-Fehlermodells ergeben sich sechzehn Eigenwerte, hier ist i = 16.
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Überschreitet der Gütefaktor einen ersten Grenzwert, vorzugsweise von 10–6, wird in einer bevorzugten Ausführungsform geprüft, ob eine Erweiterung des Acht-Term-Fehlermodells auf das 16-Term-Fehlermodell zu einer Verringerung des ersten Gütefaktors und damit zu einer Verbesserung der Qualität des Kalibrationsverfahrens führt. Somit kann anhand des ersten Gütefaktors bestimmt werden, ob die Berechnung der Kalibrationsparameter mittels einer Serienschaltungstypologie erfolgen kann. Vorzugsweise erfolgt in einem weiteren Schritt bei Überschreiten des ersten Grenzwerts für den ersten Gütefaktor die Berechnung der Kalibrationsparameter mittels einer allgemeinen Netzwerktopologie. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass durch die nachträgliche Beurteilung der Qualität des Kalibrationsverfahrens durch den ersten Gütefaktor entschieden werden kann, ob ein weiterer aufwändiger Kalibrationsschritt mittels des 16-Fehler-Term-Modells und einer allgemeinen Netzwerktopologie erfolgen muss. Es ist also sichergestellt, dass nicht auf Grundlage eines unzureichenden Kalibrationsverfahrens Rückschlüsse zugelassen werden.
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In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Berechnen der Kalibrationsparameter mittels der Serienschaltungstopologie und des Acht-Term-Fehlermodells. Weiter wird der erste Gütefaktor ηK bestimmt. Überschreitet der erste Gütefaktor den ersten Grenzwert, erfolgt in einer zweiten Iteration das Berechnen der Kalibrationsparameter mittels der allgemeinen Netzwerktopologieund mittels des 16-Fehler-Term-Modells. Im Anschluss wird optional ein zweites Mal der erste Gütefakrtor bestimmt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass im Anschluss an den ersten Durchlauf des Kalibrationesverfahrens überprüft werden kann, ob eine zweite Berechnung mittels aufwändigerer Kalibrationsmodelle notwendig ist.
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In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung wird ein zweiter Gütefaktor η
E bestimmt, welcher eine Aussage über die Eindeutigkeit der Kalibration ermöglicht. Vorzugsweise bestimmt sich der zweite Gütefaktor η
E aus einem Quotienten aus dem kleinsten Eigenwert der Kalibrationsmatrix und einer Summe aus dem kleinsten Eigenwert und dem zweitkleinsten Eigenwert der Kalibrationsmatrix, d. h. nach folgender Formel.
λ
i ist der kleinste Eigenwert der Kalibrationsmatrix und λ
i–1 der zweitkleinste Eigenwert der Kalibrationsmatrix. Auch hier ergeben sich bei Verwendung des Acht-Term-Fehlermodells acht Eigenwerte (i = 8) und bei Verwendung des 16-Term-Fehlermodells sechzehn Eigenwerte (i = 16).
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Der zweite Gütefaktor ηE erlaubt ebenso eine nachträgliche Bewertung der Qualität des Kalibrationsverfahrens. Überschreitet der zweite Gütefaktor ηE einen zweiten Grenzwert, vorzugsweise 0,2, ist dies ein Hinweis auf einen hohen systematischen Fehler der Kalibration. Als Folge dessen bleibt mindestens ein Freiheitsgrad der Kalibrationsparameter unbestimmt. Der systematische Fehler des Kalibrationsverfahrens ist dann so hoch, dass signifikant falsche Ergebnisse zu erwarten sind. Der zweite Gütefaktor ηE stellt somit ein Eindeutigkeitskriterium dar.
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In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform erfolgt in Verfahrensschritt B das Berechnen der Kalibrationsparameter durch eine Minimierung der quadratischen Gleichung des überbestimmten Gleichungssystems. Vorzugsweise wird als Gleichungssystem in Verfahrensschritt B der bilineare Zusammenhang Y(A, B, C, D) = S'iBSi + S'iA – C – DSi = 0 (3) verwendet.
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Hier sind S'i die gemessenen S-Parametern der Kalibrationsstandards und SKal,i die vorgegebenen SKal-Parameter der Kalibrationsstandards. A, B, C und D sind die unbekannten Kalibrationsmatrizen. Die genannten Matrizen stellen jeweils komplexe 2 × 2-Matrizen dar.
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Für eine gegebene Frequenz liefert jeder Kalibrationsstandard einen Satz von vier Bestimmungsgleichungen nach Formel (3) für die Elemente der unbekannten Kalibrationsmatrizen. Für die Annahme einer allgemeinen Netzwerktopologie ergeben sich 16 unbekannte Terme. Bei der Annahme einer Serienschaltungstopologie sind die vier Kalibrationsmatrizen diagonal und hängen nur von acht Parametern ab.
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In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform erfolgt das Berechnen der Kalibrationsparameter in Verfahrensschritt B durch eine Minimierung des Ausdrucks. F(A, B, C, D) = Σi∥S'iBS'i + S'iA – C – DS'i∥2 = Σi∥Mixp∥2 = x*pWxp (4)
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Hier ist xp ein Parametervektor der Kalibrationsmatrizen. Dieser enthält die unbekannten Matrixelemente der Kalibrationsmatrizen Mi ist eine Matrix aller Bestimmungstherme des bilinearen Zusammenhangs für den Kalibrationsstandard i. Die Elemente der Matrix Mi bilden die hermetische Matrix W. Hier ist es für eine nicht triviale Lösung des Ausdrucks zwingend erforderlich, dass die Determinante der Matrix W Null wird. Vorzugsweise wird das Gleichungssystem des bilinearen Zusammenhangs mittels linearer Regression gelöst.
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Vorzugsweise gilt für die Matrix W aller Bestimmungstherme des bilinearen Zusammenhangs: det|W| = 0. (5)
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Hier erfolgt die Minimierung des Ausdrucks Wxp vorzugsweise mittels linearer Regression sowie einer Eigenwertzerlegung. Durch eine Transformation der Matrix Mi ergibt sich eine diagonale Eigenmatrix W mit dem Eigenvektor xp. Die zu bestimmende Lösung für die Kalibrationsparameter ist jedes Vielfache des Eigenvektors der diagonalen Eigenmatrix W.
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In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform erfolgt das Messen der 5-Parameter der Kalibrationstandards in Verfahrensschritt A als eine On-Wafer-Messung. On-Wafer-Messungen zur Ermittlung der Streuparameter sind aus dem Stand der Technik bekannt: Hierzu werden die Kalibrationstandards an mindestens einem Eingang durch eine monofrequente Leistungswelle angeregt, während die übrigen Anschlüsse (Tore) durch geeignete Lasten reflexionsfrei abgeschlossen sind, wobei die Leistungsanteile (in Betrag und Phase), welche zu den anderen Toren transmittiert werden bzw. der Anteil, der am Eingang des zu vermessenden Objekts reflektiert wird, gemessen werden.
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Vorzugsweise erfolgt die Messung der S-Parameter der Kalibrationstandards in Verfahrensschritt A in einem Frequenzbereich oberhalb von 110 GHz. Insbesondere in einem Frequenzbereich größer als 110 GHz können sich parasitäre Wellenmoden über offene Enden der Transmissionsleitungen über den Kalibrationstandard, zum Beispiel im Substrat, ausbreiten. Die durch derartige parasitäre Wellenmoden bedingten Einflüsse sind stark von der Umgebung des Kalibrationstandards abhängig und können zu substantiellen Messfehlern führen. Diese substantiellen Messfehler können durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Kalibrationsverfahrens signifikant reduziert werden.
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Vorzugsweise wird das Kalibrationsverfahren mittels einer Anordnung zum Kalibrieren eines Netzwerkanalysators zur kalibrierten Messung von elektronischen Bauelementen durchgeführt, wie in der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2012 205 943 A1 beschrieben. Diese Patentanmeldung wird per Referenz vollständig einbezogen. Eine solche Anordnung umfasst eine Mehrzahl auf einem Träger angeordnete, als Mikrowellenbaulement ausgebildete Kalibrationsstandards zum Kalibrieren eines Netzwerkanalysators. Die Kalibrationsstandards weisen jeweils zumindest einen Einkoppelbereich mit mindestens einem Einkoppelpunkt zum Einkoppeln einer Welle auf. Dabei weist der Einkoppelbereich eine Abschirmung auf, welche Abschirmung den Innenleiter des Kalibierstandards mit allen Einkoppelpunkten zumindest in der Ebene, in welcher sich der Kalibrationsstandard erstreckt, vollständig umgibt. Der Einkoppelpunkt wird somit zumindest in der vorgenannten Ebene und zumindest an der dem Kalibrationsstandard abgewandten Seite gegenüber äußeren Einflüssen abgeschirmt und/oder eine Wechselwirkung mit Elementen außerhalb der Abschirmung vermieden oder zumindest verringert. Aufgrund der Abschirmung werden durch parasitäre Wellenmoden erzeugte Fehlerquellen ausgeschaltet oder zumindest deren Einfluss erheblich verringert. Dadurch kann die Genauigkeit des Kalibrationsverfahrens signifikant gesteigert werden. Der Einsatz dieser vorzugsweisen Anordnung zum Kalibrieren bei dem erfindungsgemäßen Verfahren oder einer vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht somit eine hochpräzise Kalibration, insbesondere bei Frequenzen oberhalb von 110 GHz, und ermöglicht gleichzeitig eine Bestimmung der Qualität der Kalibration im Hinblick auf Lösbarkeit und Eindeutigkeit. Gerade bei diesen hohen Frequenzen kann hierdurch eine deutliche Verbesserung des Kalibrationsverfahrens und somit des Messergebnisses erzielt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich für Anwendungen geeignet, bei denen Mikrowellenbauelemente insbesondere Netzwerkanalysatoren anhand von Kalibrationsstandards kalibriert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise ausgebildet zur Verwendung im Rahmen einer Messung von einer Anzahl von Kalibrationsstandards, die größer ist als die Anzahl von Kalibrationsstandards als zu einer analytischen Bestimmung möglich ist. Hier bietet das Verfahren den Vorteil der universellen Einsetzbarkeit sowie das keine Idealitätsannahmen bezüglich der Kalibrationsstandards erforderlich sind.