Úvod do RF a bezdrátových komunikačních systémů

Tento článek vyšel v časopise Evaluation Engineering a byl zde publikován se svolením autora.

Stáhněte si tento článek ve formátu PDF.

Ve světě testování, měření a vyhodnocování patří vektorová síťová analýza (VNA) mezi nejdůležitější metodiky měření v oblasti RF a mikrovln. Nejnovější řešení VNA, která nabízejí řadu funkcí, od vynikajících VF charakteristik až po širokou škálu analytických funkcí, usnadňují zachycení a vyhodnocení důležitých výkonnostních parametrů. Zde je přehled některých nejnovějších řešení od lidí z firem, které se na nich podílejí.

Pokročilé architektury

Dvouportový VNA ShockLine ME7868A od společnosti Anritsu je navržen s pokročilou architekturou, která umožňuje fyzické rozmístění fázově synchronizovaných portů VNA mimo jedno šasi. To umožňuje umístit přístrojové vybavení u testovaného zařízení (DUT), a ne jej vázat na jediné místo (obr. 1).

1. Dvouportový VNA ShockLine ME7868A umožňuje fyzickou distribuci fázově synchronizovaných portů VNA mimo jedno šasi.

Podle Stana Ody, produktového manažera VNA společnosti ShockLine, využívá model ME7868A technologii PhaseLync společnosti ShockLine k synchronizaci dvou jednoportových VNA ShockLine MS46131A. To umožňuje vektorové měření vložného útlumu mezi oběma VNA. PhaseLync podporuje synchronizaci na více než 100 metrů mezi 1portovými VNA, čímž zlepšuje výkonnost 2portových měření S-parametrů na vzdálenost srovnatelnou s tradičními řešeními VNA.

Steve Reyes, Sr. Product Manager, poukázal na to, že širokopásmový systém VectorStar ME7838G VNA umožňuje charakterizaci zařízení na desce v rozsahu od 70 kHz do 220 GHz v jediném měření. Systém využívá moduly nelineárního přenosového vedení (NLTL) společnosti Anritsu, které nabízejí vynikající výkon s nejlepší surovou směrovostí v oboru a zajišťují nejlepší kalibrační výkon a stabilitu měření ve své třídě (obr. 2).

2. Širokopásmový systém VNA VectorStar ME7838G poskytuje charakterizaci zařízení na destičce od 70 kHz do 220 GHz v jediném zametání.

Uživatelům umožňuje překročit tradiční hranice v jediném zametání, aniž by bylo nutné rekonstruovat sondážní stanici destičky z pásma 110 GHz na vyšší vlnovodná pásma. Společnost Anritsu také nedávno představila volitelnou funkci Universal Fixture Extraction (UFX) pro VectorStar, která splňuje potřebu vysokofrekvenční extrakce přípravků při měření integrity signálu.

Navneet Kataria, produktový manažer VectorStar VNA, dodal, že systém VectorStar ME7848A Opto-electronic VNA může charakterizovat optoelektronická zařízení. Tyto systémy ONA (Optical Network Analyzer) kombinují VNA VectorStar, E/O konvertor a referenční fotodetektor s návazností na stříbrný standard NIST a umožňují provádět E/O měření s návazností na NIST až do 70 GHz na zařízeních, jako jsou fotodetektory a optické modulátory/vysílače.

Charakterizace zařízení

Požadavky na charakterizaci OTA (over-the-air) na delší vzdálenosti pro 5G a testování velkých vozidel jsou pro tradiční VNA stále větší výzvou kvůli dlouhým propojovacím kabelům. Model ShockLine ME7868A řeší tento požadavek tím, že přesouvá port VNA k DUT, čímž eliminuje kabely a zlepšuje stabilitu a dynamický rozsah měření.

Pro přesnou charakterizaci zařízení je třeba, aby měření na desce zahrnovala i vyšší frekvence mmWave. Při vývoji těchto systémů je důležité charakterizovat zařízení v mnohem širším frekvenčním rozsahu, od frekvence blízké stejnosměrnému proudu až daleko za pracovní frekvenci. Například zesilovače navržené pro aplikace, jako je 802.11ad, by měly být rozšířeny daleko za 60 GHz do oblasti mmWave – ideálně za 180 GHz, aby zahrnovaly testování třetí harmonické.

Pro splnění požadavků na šířku pásma zařízení příští generace se vyvíjejí technologie, které vyžadují použití extrémně vysokých frekvencí. Jednou z takových technologií je optoelektronika, která nabízí obrovskou šířku pásma, nízkou latenci a je komerčně životaschopná. Požadavek na přesné testování těchto optoelektronických zařízení je dnes velkou výzvou. Řešení ONA společnosti Anritsu poskytuje přesná a precizní měření těchto optoelektronických zařízení s návazností na NIST.

VNA se nadále používají v mnoha různých aplikacích od charakterizace zařízení až po měření materiálů. Klíčovým trendem je potřeba provádět přesná měření v pásmu mmWave daleko za hranicí 110 GHz. Očekává se, že příští generace mobilní sítě 6G překročí rádiové frekvence pásma D 170 GHz a vstoupí do oblastí 325 GHz, aby se nadále rozšiřovaly možnosti zpracování dat.

Aktivní a pasivní charakterizace zařízení

Pokud jde o řešení specifických oblastí použití, Stan Oda nám řekl, že VNA ShockLine se dobře hodí pro výrobu a testování pasivních součástek. S 1, 2 a 4portovými VNA v různých baleních pokrývajících frekvence od 50 kHz do 92 GHz pokrývá rodina VNA ShockLine širokou škálu aplikací. Navneet Kataria dodal, že VectorStar VNA pokrývá všechny hlavní cílové trhy, a to charakterizaci aktivních a pasivních zařízení.

Opto-elektronická charakterizace zařízení je další cílovou oblastí pro systémy ONA na bázi VectorStar společnosti Anritsu. Upgradovatelnost, flexibilita a návaznost výsledků měření na NIST jsou některé z jedinečných nabídek, které pomáhají našim zákazníkům. Možnosti měření materiálů pro různé typy materiálů pokrývající frekvence až do 1,1 THz jsou další aplikací pro VectorStar.

Systémy VNA ShockLine využívají patentovanou technologii NLTL společnosti Anritsu k dosažení nákladově a prostorově efektivní schopnosti vysokofrekvenčních VNA. Do budoucna očekáváme, že budeme tuto osvědčenou technologii nadále využívat ke zvýšení testovacích schopností řady ShockLine. VectorStar rovněž využívá technologii vzorkovače NLTL pro přesnou vysokofrekvenční analýzu VNA až do základního pásma 70 GHz a širokopásmových pásem 110, 125, 145 a 220 GHz. Dalším krokem v řadě širokopásmových analýz je možnost provádět diferenciální měření až do 220 GHz pro optimální diferenciální analýzu.

Anritsu zastává názor, že VNA budou i nadále hrát klíčovou roli v 5G, automobilovém průmyslu a obecné OTA charakterizaci všech zařízení, od malých UE až po velká vozidla. S dalším zvyšováním frekvencí a konsolidací on-wafer se bude nadále zvyšovat potřeba provádět přesné kalibrace in-situ, stejně jako schopnost přesně de-embedovat testovací přípravky a přenosové cesty on-wafer.

Neinvazivní měření stability

Když jsme kontaktovali Charlese Hymowitze, viceprezidenta prodeje & marketingu společnosti Picotest, upozornil nás na jejich neinvazivní měření stability, založené na vlastním softwaru využívajícím matematický algoritmus vytvořený Stevem Sandlerem. Společnost jej však bezplatně přenesla do mnoha VNA a snaží se, aby byl přidán do co největšího počtu přístrojů. NISM umožňuje uživateli získat fázovou rezervu z měření výstupní impedance.

Mnoho napájecích integrovaných obvodů je pevných a nemají k dispozici své regulační smyčky pro Bodeho grafy a mnoho regulátorů má více vnitřních smyček. V některých případech se regulátory staly tak malými, že přerušení smyčky se stalo nepraktickým. Kromě testování krokové zátěže, které skutečně neposkytuje číslo fázové rezervy, neexistují jiné způsoby, jak získat stabilitu řídicí smyčky takového regulátoru, než pomocí NISM.

Například NISM je součástí OMICRON Lab Bode 100 (obr. 3), jako softwarový doplněk pro Keysight E5061B/E5071C, stejně jako Rohde ZNL/ZNLE a řada Copper Mountain CMT VNA. Na dalších portech se pracuje.

3. Zařízení, jako je např. Zařízení, jako je OMICRON Lab Bode 100, obsahují technologii neinvazivního měření stability společnosti Picotest.

Všechny sondy a vstřikovače signálu společnosti Picotest lze použít s jakýmkoli VNA, což umožňuje připojit DUT k VNA pro různá měření (obr. 4). Většina těchto injektorů (kromě položek souvisejících s Bodeho diagramem) je patentovaná a není k dispozici u jiných výrobců VNA. Různé lineární injektory, jako je J2102B, nabízejí PDN kabel a podporují měření PSRR a impedance 2 portů. Aktivní rozdělovač J2161A je jedinečný a dokáže z osciloskopu udělat VNA.

4. Všechny sondy a injektory signálu společnosti Picotest lze použít s jakýmkoli VNA.

Mnoho nových osciloskopů lze použít jako VNA. Dvoupásmový širokopásmový aktivní rozdělovač Picotest J2161A spolu s jejich transformátorem J2102B Common Mode Transformer lze použít k přeměně mnoha novějších osciloskopů na VNA se stejnou nebo větší šířkou pásma a citlivostí jako specializované VNA.

Výzvy

Měření impedance se dvěma porty je v současné době zlatým standardem pro měření nízké impedance, přičemž integrita napájení a impedance PDN (power distribution network) jsou velkým problémem při návrhu a výkonu. Kromě simulace je měření zásadní pro pochopení, ohraničení a návrh kvalitních PDN.

Pro měření nízkých a ultranízkých impedancí vytvořila společnost Picotest řadu příslušenství nezbytného pro přesné měření, včetně přerušovačů zemní smyčky J2102B/J2113A (nezbytných pro odstranění vlastní chyby skupinové smyčky při měření) a ultratenkého flexibilního kabelu PDN s nízkými ztrátami stínění (obr. 5).

5. Nízkoztrátový, ultratenký, ohebný kabel PDN umožňuje přesná měření.

Při měření impedance PDN v miliohmech a mikroohmech je velmi důležité, aby byly zkroceny zdroje chyb měření, a to tyto výrobky splňují. Kromě toho společnost Picotest představí náhradu své současné dvouportové sondy, která bude skutečnou čtyřportovou ruční sondou BROWSER schopnou měřit miliohmovou impedanci výkonové roviny. Připojení k DUT, zejména na hustě osazených deskách plošných spojů, je náročným aspektem měření impedance PDN a nová 2-portová sonda Picotest P2102A tuto bariéru značně usnadní.

Trendy

Trend osciloskopů, které obsahují funkce VNA, je významný a může výrazně ovlivnit prodej tradičních přístrojů VNA, zejména s tím, jak výrobci osciloskopů zařazují více a lepších rozhraní. Jednou z nejdůležitějších oblastí pro VNA je v současné době měření integrity napájení/PDN impedance.

Kriticky důležitým se téměř pro všechny systémy stává dvouportové měření impedance napájecí lišty. To se týká i napájecích zdrojů pro vysokorychlostní digitální nebo RF obvody. Tradičně se sondy na napájecí liště používaly k měření šumu v časové oblasti, což je však nepřijatelné, protože to neohraničuje možné napěťové exkurze, které se mohou na liště vyskytnout.

Impedance může definovat stav napájecí lišty a možné problémy s výkonem. Kromě toho se zájmové frekvenční pásmo pohybuje od nízkých frekvencí (10s Hz) až po mnoho GHz, což činí měření náročným a zároveň doménou VNA. Společnost také plánuje představit řadu sond s 1 a 2 porty, které pomohou uživatelům VNA připojit se k jejich DUT.

Výkonné a flexibilní nástroje

Rozmach systémů využívajících cloud a infrastruktur založených na rádiových vlnách vytvořil obrovský tlak na inženýry obsluhující oblast bezdrátových sítí. Oslovili jsme Riche Pieciaka, produktového manažera pro vektorové síťové analyzátory ve společnosti Rohde &Schwarz USA, a zeptali jsme se, co společnost nabízí v oblasti řešení těchto problémů. Sdělil nám, že nejnovějšími platformami vektorových síťových analyzátorů Rohde & Schwarz jsou řada R&S ZNA a platforma R&S ZNBT40, která rozšířila svá víceportová řešení na 40 GHz s až 24 porty (obr. 6).

6. Platforma R&S ZNBT40 nabízí víceportová řešení do 40 GHz s až 24 porty.

Řada vysoce výkonných vektorových analyzátorů sítě R&S ZNA řeší díky své propracované a flexibilní hardwarové architektuře rozvíjející se oblasti použití. VF charakteristiky rodiny R&S ZNA vynikají citlivostí, rozsahem výkonového rozsahu a linearitou, které jsou umocněny novou hardwarovou architekturou se čtyřmi interními fázově koherentními zdroji, dvěma interními lokálními oscilátory a osmi přijímači pro vysokou úroveň všestrannosti měření.

Vysokorychlostní digitální aplikace byly rovněž rozšířeny v těchto dvou rodinách přístrojů (podobně i v rodinách R&S ZNB a R&S ZND), a to zavedením nových deembeddingových řešení, která dávají zákazníkům možnost snadněji vyhodnocovat a využívat průmyslově uznávaná řešení pro charakterizaci vysokorychlostních digitálních konstrukčních struktur, které podporují stále se zvětšující frekvenční rozsahy.

Keeping Ahead of the Application

Technologický pokrok v bezdrátových a leteckých & obranných aplikacích nadále řeší integrované sestavy, které obsahují vysoký počet portů, a to díky pokročilým funkcím, jako je formování paprsku, integrované anténní architektury a stále vyšší rychlosti digitálního přenosu dat. Všechny tyto integrační snahy si vynucují nové přístupy k ověřování výkonnosti.

Architektura testovacích přístrojů se musí vyvíjet, aby poskytovala potřebný přehled o výkonnosti testovaného zařízení. Například architektura R&S ZNA může nyní měřit charakteristiky blízkého pole anténní sestavy s integrovaným LO díky svým vícenásobným interním syntetizátorům a duálním lokálním oscilátorům ve spojení s duální architekturou digitálního přijímače.

6G a další výzkum aplikací v oblasti mmWave kladou zvýšený důraz na rozšíření tradičních měření VNA do frekvenčních oblastí až 300 GHz a více. Všestranná architektura VNA má zásadní význam pro správnou charakterizaci součástky nebo odpovídajícího prostředí kanálu.

Adresní aplikace

Vysokorychlostní digitální konstrukce nadále nabývají na významu, a to zejména v oblastech integrity signálu. Rozšiřování různých standardů a odpovídajících uspořádání desek vyžaduje nové způsoby sondování a analýzy signálů ve frekvenční i časové oblasti. Společnost Rohde & Schwarz nedávno představila nástroje pro lepší vyhodnocování výkonu návrhů a izolaci jejich výkonu od vnějších zdrojů, jako jsou konektory, kabely, sondy atd.

Nové možnosti řešící techniky deembeddingu založené na standardu P370, Smart Fixture De-embedding od společnosti Packet Micro a In Situ De-Embedding od společnosti AtaiTec jsou nyní podporovány jako volitelné možnosti v řadách R&S ZNA, R&S ZNB, R&S ZNBT a R&S ZND, aby zákazníci mohli vyhodnotit nejvhodnější techniky pro své individuální aplikace.

Nyní je k dispozici také možnost zabývající se charakterizací desek plošných spojů Delta-L. Další klíčovou oblastí měření, která se mimořádně hodí pro R&S ZNA, jsou měření s frekvenčním převodem, a to díky architektuře vícenásobného syntetizátoru a měřicím technikám, například technikám zaměřeným na podsestavy s vestavěnými lokálními oscilátory.

Syntezátory DDS v R&S ZNA jsou základem pro čtyři fázově koherentní a fázově opakovatelné zdroje. Uživatel může definovat amplitudu a fázový rozdíl mezi čtyřmi signály pro aplikace, jako je formování paprsku nebo simulace cíle. mmWave aplikace a pokračující pokrok v integrovaných sestavách vyžadují neustálý pokrok v testovací strategii. Testovací platformy se musí vyvíjet odpovídajícím způsobem jak v architektuře, tak v odpovídajícím vědeckém měření.

Měnící se krajina

Síťové analyzátory charakterizují elektronické součástky v téměř každém odvětví. Zatímco jejich všestrannost vzrostla, jádro architektury síťových analyzátorů se za posledních několik desetiletí v podstatě nezměnilo. Moderní technologie s vyššími frekvencemi a širšími šířkami pásma, jako je 5G, posouvají hranice současných síťových analyzátorů a vytvářejí pro inženýry nové výzvy při měření vícekanálových zařízení.

Matt Campbell, inženýr produktového marketingu ve společnosti Keysight Technologies, poukázal na to, že zdroje síťových analyzátorů tradičně nemusely být vysoce přesné, protože nespojitosti stačilo z měření vyvázat. Výkonnost zdroje však může mít významnější dopad na dnešní složitá širokopásmová a nelineární měření.

S ohledem na tuto skutečnost společnost Keysight umožnila svým analyzátorům sítě PNA a PNA-X používat stejný zdroj signálu jako jejich špičkové generátory signálu. Jsou prezentovány jako zařízení s nejnižším dostupným fázovým šumem, takže inženýři mohou rychle provádět měření, jako je EVM, měření převodníků s fází a nelineární síťová analýza s jistotou výsledků (obr. 7).

7. Analyzátor sítě mcrowave N5245B PNA-X společnosti Keysight.

Pro pomoc při výrobních testech 5G představila společnost Keysight svůj vektorový analyzátor komponent, prezentovaný jako první modulární víceportový přístroj, který může provádět jak analýzu sítě, tak měření modulovaného signálu. To umožňuje konstruktérům provádět měření síťových analyzátorů, jako jsou S-parametry a zesílení, současně s EVM a ACP.

Matt poukázal na to, že když zákazníci hledají síťové analyzátory, jsou pro ně často stejně důležité aplikace, jako jsou měření pulzního RF, analýza spektra a analýza časové oblasti, jako jsou S-parametry. Lidé přemýšlejí o síťových analyzátorech jako o obecných VF nástrojích, nejen jako o přístrojích pro měření S-parametrů, a síťové analyzátory Keysight nabízejí funkce, jako je řízená kalibrace s modulem ECal a průvodci, kteří provádějí pokročilá měření.

Síťové analyzátory Keysight pokrývají všechny aplikace, od R&D přes výrobu až po testování v terénu, s tvarovými faktory přizpůsobenými každé příslušné aplikaci. Pohodlné a výkonné USB VNA, víceportové VNA s až 50 porty a odolný ruční FieldFox přinášejí výkon všude tam, kde je potřeba. Téměř v každém odvětví dochází ke zvyšování frekvencí a k větší integraci zařízení, proto společnost Keysight nabízí frekvenční pokrytí až do milimetrových frekvencí a také flexibilní měřicí aplikace pro každý tvarový faktor.

Připojení jsou důležitá

Každé spojení je tak dobré, jak dobré jsou jeho konektory a kabel, a testování není výjimkou. Podle Steva Ellise, manažera produktové řady společnosti Pasternack, je jejich nejnovější řada vysoce flexibilních testovacích kabelů VNA určena pro širokou škálu náročných laboratorních a testovacích aplikací (obr. 8). Mezi vlastnosti patří stabilita fáze ±6° při 50 GHz a ±8° při 70 GHz s ohybem, stejně jako VSWR 1,3:1 při 50 GHz a 1,4:1 při 70 GHz.

8. Testovací kabely VNA společnosti Pasternack řeší širokou škálu náročných laboratorních a testovacích aplikací.

Tyto sestavy pro 50 GHz jsou zakončeny 2,4 mm konektory, zatímco sestavy pro 70 GHz využívají 1,85 mm konektory. Opletené pancéřování z nerezové oceli obklopující koaxiální kabel zajišťuje robustní a zároveň flexibilní kabel s životností ohybu přesahující 100 000 cyklů a kabely jsou zakončeny robustními konektory z nerezové oceli, které při správném připojení zajišťují až 5 000 párovacích cyklů. Obě verze pro pásmo 50 i 70 GHz jsou nabízeny s konektory typu NMD, s možnostmi pravoúhlých konektorů o průměru 2,4 a 1,85 mm

.