Introduktion til RF- og trådløse kommunikationssystemer

Denne artikel blev udgivet i Evaluation Engineering og er blevet offentliggjort her med tilladelse.

Download denne artikel i PDF-format.

I en verden af test, måling og evaluering er vektornetværksanalyse (VNA) blandt de vigtigste RF- og mikrobølgemålemetoder. Med en række forskellige funktioner, fra fremragende RF-egenskaber til en bred vifte af analysefunktioner, letter de nyeste VNA-løsninger optagelsen og evalueringen af vigtige ydelsesparametre. Her er en oversigt over nogle af de nyeste løsninger, af folk fra de involverede virksomheder.

Advancerede arkitekturer

ShockLine ME7868A 2-ports VNA fra Anritsu er designet med en avanceret arkitektur, der gør det muligt at fordele fasesynkroniserede VNA-porte fysisk uden for et enkelt chassis. Dette gør det muligt at placere instrumenteringen ved den enhed, der skal testes (DUT), i stedet for at være bundet til et enkelt sted (fig. 1).

1. ShockLine ME7868A 2-port VNA gør det muligt at distribuere fasesynkroniserede VNA-porte fysisk uden for et enkelt chassis.

I henhold til Stan Oda, ShockLine VNA Product Manager, bruger ME7868A virksomhedens PhaseLync-teknologi til at synkronisere to ShockLine MS46131A 1-port VNA’er. Dette gør det muligt at foretage vektorindsatsdæmpningsmålinger mellem de to VNA’er. PhaseLync understøtter synkronisering på 100+ meter mellem 1-port VNA’er, hvilket forbedrer 2-port S-parametermålingspræstationer over afstande, der kan sammenlignes med traditionelle VNA-løsninger.

Steve Reyes, Sr. Product Manager, påpegede, at VectorStar ME7838G bredbånds-VNA-systemet giver on-wafer enhedskarakterisering fra 70 kHz til 220 GHz i et enkelt sweep. Systemet anvender Anritsus Nonlinear Transmission Line (NLTL)-moduler (Nonlinear Transmission Line), som giver fremragende ydeevne med branchens bedste rå direktivitet, for at give den bedste kalibreringsydelse og målestabilitet i klassen (fig. 2).

2. VectorStar ME7838G-bredbånds-VNA-systemet giver on-wafer-enhedskarakterisering fra 70 kHz til 220 GHz i et enkelt sweep.

Det gør det muligt for brugerne at gå ud over de traditionelle grænser i et enkelt sweep uden at skulle rekonstruere wafer-probestationen fra et 110 GHz- til højere bølgelederbånd. Anritsu har også for nylig introduceret Universal Fixture Extraction option (UFX) til VectorStar, der opfylder behovet for højfrekvente fixture ekstraktioner i signalintegritetsmålinger.

Navneet Kataria, produktchef for VectorStar VNA, tilføjede, at det VectorStar-baserede ME7848A Opto-elektroniske VNA-system kan karakterisere opto-elektroniske enheder. Disse ONA-systemer (Optical Network Analyzer) kombinerer en VectorStar VNA, E/O-konverter og en sølv-standard NIST-sporbar referencefotodetektor til at foretage E/O-målinger med NIST-sporbarhed op til 70 GHz på enheder som fotodetektorer og optiske modulatorer/sendere.

Enhedskarakterisering

Over-the-air (OTA)-karakteriseringskrav over længere afstande til 5G og test af store køretøjer bliver mere og mere en udfordring for traditionelle VNA’er på grund af lange forbindelseskabler. ShockLine ME7868A imødekommer dette krav ved at flytte VNA-porten til DUT’et, hvilket eliminerer kablerne og forbedrer målestabiliteten og det dynamiske område.

On-wafer-målinger skal spænde ind i de øvre mmWave-frekvenser for at opnå nøjagtig enhedskarakterisering. Ved udvikling af disse systemer er det vigtigt at karakterisere enhederne over et meget bredere frekvensområde, fra nær DC til et godt stykke over driftsfrekvensen. For eksempel bør forstærkere, der er konstrueret til applikationer som 802.11ad, have et bredt spektrum langt ud over 60 GHz og ind i mmWave-regionerne – ideelt set ud over 180 GHz – for at omfatte testning af 3. harmonisk frekvens.

For at opfylde næste generations krav til enheders båndbredde udvikles der teknologier, der kræver brug af ekstremt høje frekvenser. En af disse teknologier er opto-elektronik, som giver en enorm båndbredde, lav latenstid og er kommercielt levedygtig. Kravet om at teste disse opto-elektroniske enheder præcist er en stor udfordring i dag. Anritsus ONA-løsning giver nøjagtige og præcise målinger med NIST-sporbarhed af disse opto-elektroniske enheder.

VNA’er anvendes fortsat i mange forskellige applikationer fra karakterisering af enheder til materialemåling. Behovet for at udføre nøjagtige mmWave-målinger langt ud over 110 GHz er en vigtig tendens. Den næste generation af 6G-mobilnetværk forventes at gå ud over 170 GHz D-båndets radiofrekvenser og gå ind i 325 GHz-regionerne for fortsat at udvide datahåndteringsmulighederne.

Karakterisering af aktive og passive enheder

Når det kommer til at adressere specifikke anvendelsesområder, fortalte Stan Oda os, at ShockLine VNA’er er velegnede til fremstilling og test af passive komponenter. Med 1-, 2- og 4-ports VNA’er i forskellige pakninger, der dækker frekvenser fra 50 kHz til 92 GHz, dækker ShockLine-familien af VNA’er en bred vifte af applikationer. Navneet Kataria tilføjede, at VectorStar VNA dækker alle de vigtigste målmarkeder, nemlig karakterisering af aktive og passive enheder.

Opto-elektronisk enhedskarakterisering er et andet målområde for Anritsus VectorStar-baserede ONA-systemer. Opgraderbarhed, fleksibilitet og NIST-sporbarhed i måleresultaterne er nogle af de unikke tilbud, som hjælper vores kunder. Materialemålekapaciteter for forskellige materialetyper, der dækker frekvenser op til 1,1 THz, er et andet anvendelsesområde for VectorStar.

ShockLine VNA’er bruger Anritsus patenterede NLTL-teknologi til at opnå omkostnings- og pladseffektive højfrekvens-VNA-kapaciteter. I fremtiden forventer vi at fortsætte med at bruge denne gennemprøvede teknologi til at øge testmulighederne i ShockLine-familien. VectorStar anvender også NLTL-samplerteknologi til nøjagtig højfrekvens-VNA-analyse op til 70 GHz basebånd og 110, 125, 145 og 220 GHz bredbånd. Det næste skridt i rækken af bredbåndsanalyser er muligheden for at udføre differentielle målinger op til 220 GHz for optimal differentiel analyse.

Anritsus holdning er, at VNA’er fortsat vil spille en nøglerolle i 5G, bilindustrien og generel OTA-karakterisering af alle enheder, fra små UE til store køretøjer. Efterhånden som frekvenserne fortsætter med at stige og konsolideres on-wafer, vil behovet for at udføre nøjagtige kalibreringer in-situ samt evnen til nøjagtigt at de-embedde testfiksturer og on-wafer transmissionsveje fortsætte med at stige.

Non-invasiv stabilitetsmåling

Da vi kontaktede Charles Hymowitz, VP of Sales & Marketing hos Picotest, nævnte han deres Non-Invasive Stability Measurement, der er baseret på et proprietært stykke software ved hjælp af en matematisk algoritme, der er skabt af Steve Sandler. Virksomheden har imidlertid tilpasset det til mange VNA’er, uden beregning, og forsøger at få det tilføjet til så mange som muligt. NISM gør det muligt for brugeren at få fasemarginalen ud fra en måling af udgangsimpedansen.

Mange strømforsynings-IC’er er faste og har ikke deres styresløjfer til rådighed til Bode-plots, og mange regulatorer har flere interne sløjfer. I nogle tilfælde er regulatorer blevet så små, at det er blevet upraktisk at bryde sløjfen. Bortset fra trinbelastningstest, som virkelig ikke giver et fasemargin-tal, er der ikke andre måder at få kontrolloopstabiliteten for en sådan regulator på end ved at bruge NISM.

For eksempel er NISM inkluderet i OMICRON Lab Bode 100 (fig. 3), som en softwaretilføjelse til Keysight E5061B/E5071C, samt Rohde ZNL/ZNLE og rækken af Copper Mountain CMT VNA’er. Andre porte er på vej.

3. Enheder som OMICRON Lab Bode 100 omfatter Picotests teknologi til ikke-invasiv stabilitetsmåling.

Alle Picotests prober og signalinjektorer kan anvendes sammen med enhver VNA, hvilket gør det muligt at tilslutte DUT’er til VNA’en til forskellige målinger (fig. 4). De fleste af disse injektorer (bortset fra de Bode-plot-relaterede elementer) er proprietære og fås ikke fra andre VNA-producenter. De forskellige linjeinjektorer, som f.eks. J2102B, tilbyder PDN-kabel og understøtter PSRR- og 2-portsimpedansmåling. Den aktive splitter J2161A er unik og kan forvandle et oscilloskop til en VNA.

4. Alle Picotests prober og signalinjektorer kan bruges med enhver VNA.

Mange nye oscilloskoper kan bruges som VNA’er. Picotests J2161A 2-vejs Wideband Active Splitter kan sammen med deres J2102B Common Mode Transformer bruges til at gøre mange nyere oscilloskoper til VNA’er med samme eller større båndbredde og følsomhed som dedikerede VNA’er.

Udfordringer

To-port impedansmåling er i øjeblikket den gyldne standard for lavimpedansmåling, idet strømintegritet og PDN-impedans (strømfordelingsnetværk) er et stort problem for design og ydeevne. Ud over simulering er måling afgørende for at forstå, afgrænse og designe gode PDN’er.

For at kunne måle lave og ultra lave impedanser har Picotest skabt en række tilbehør, der er afgørende for nøjagtig måling, herunder J2102B/J2113A jordsløjfeafbrydere (afgørende for at fjerne den iboende gruppesløjfefejl i målingen) og et ultra tyndt, fleksibelt PDN-kabel med lavt tab af skjold (fig. 5).

5. Et ultra-tyndt, fleksibelt PDN-kabel med lavt skjoldtab muliggør nøjagtige målinger.

Det er afgørende, når man måler milliohm og mikrohm PDN-impedans, at kilderne til målefejl bliver tæmmet, og det gør disse produkter. Picotest vil desuden introducere en erstatning for sin nuværende 2-port probe, som vil være en ægte 4-port håndholdt BROWSER probe, der er i stand til at måle milliohm power plane impedans. Forbindelse til DUT’en, især på tætte PCB’er, er et udfordrende aspekt af PDN-impedansmåling, og den nye Picotest P2102A 2-port probe vil i høj grad lette denne barriere.

Trends

Trenden for oscilloskoper til at inkorporere VNA-funktioner er betydelig, og en tendens, der kan få dramatisk indflydelse på salget af traditionelle VNA-instrumenter, især efterhånden som skopleverandørerne inkorporerer flere og bedre grænseflader. Et af de vigtigste områder for VNA’er i øjeblikket er måling af strømintegritet/PDN-impedans.

Specifikt er to-portsmåling af strømskinneimpedans ved at blive kritisk vigtig for næsten alle systemer. Dette omfatter strømforsyninger til digitale højhastigheds- eller RF-kredsløb. Traditionelt blev strømskinneprober brugt til at måle tidsdomænestøj, men dette er uacceptabelt, da det ikke begrænser de mulige spændingsudslag, der kan forekomme på skinnen.

Impedans kan definere strømskinnenes tilstand og mulige præstationsproblemer. Desuden er det interessante frekvensbånd fra lavfrekvente frekvenser (10 Hz) og op til mange GHz, hvilket gør målingen både udfordrende og til VNA’ens domæne. Virksomheden planlægger også at introducere en serie 1- og 2-ports prober, der vil hjælpe VNA-brugere med at oprette forbindelse til deres DUTs.

Kraftige og fleksible værktøjer

Eksplosionen af cloud-aktiverede systemer og de RF-baserede infrastrukturer har lagt et enormt pres på ingeniører, der betjener det trådløse område. Vi kontaktede Rich Pieciak, produktchef for vektornetværksanalysatorer hos Rohde & Schwarz USA, og spurgte, hvad firmaet er i gang med for at løse disse problemer. Han fortalte os, at de seneste vektornetværksanalysatorplatforme fra Rohde & Schwarz er R&S ZNA-familien og R&S ZNBT40-platformen, som har udvidet sine multiportløsninger til 40 GHz med op til 24 porte (fig. 6).

6. R&S ZNBT40-platformen har multiportløsninger til 40 GHz med op til 24 porte.

R&S ZNA-familien af højtydende vektornetværksanalysatorer med høj ydeevne henvender sig til nye anvendelsesområder i udvikling med deres sofistikerede og fleksible hardwarearkitektur. R&S ZNA-familiens RF-egenskaber fremhæves af følsomhed, power sweep-område og linearitet, som forstærkes af en ny hardwarearkitektur med fire interne fasekohærente kilder, to interne lokale oscillatorer og otte modtagere for et højt niveau af alsidighed i målingerne.

Digitale højhastighedsapplikationer er også blevet udvidet i disse to instrumentfamilier (ligeledes R&S ZNB- og R&S ZND-familierne) med introduktionen af nye de-embedding-løsninger, der giver kunderne mulighed for lettere at evaluere og anvende industrielt accepterede løsninger til at karakterisere digitale designstrukturer med høj hastighed, der understøtter stadigt stigende frekvensområder.

Holder sig foran applikationen

Teknologiske fremskridt inden for trådløse og luftfarts- &forsvarsapplikationer fortsætter med at adressere integrerede samlinger, der indeholder et højt antal porte, på grund af avancerede funktioner som f.eks. beamforming, integrerede antennearkitekturer og stadig højere digitale datatransmissionshastigheder. Alle disse integrationsbestræbelser tvinger til nye tilgange til validering af ydeevne.

Testinstrumentarkitekturen skal udvikle sig for at give den nødvendige indsigt i den enhed, der skal testes, hvad angår ydeevne. R&S ZNA-arkitekturen kan f.eks. nu måle nærfeltkarakteristika for en antennesamling med en integreret LO på grund af dens flere interne synthesizere og dobbelte lokale oscillatorer, kombineret med dens dobbelte digitale modtagerarkitektur.

6G og anden forskning i applikationer i mmWave-området lægger øget vægt på at udvide traditionelle VNA-målinger til frekvensområder på op til 300 GHz og derover. Alsidig VNA-arkitektur er altafgørende for korrekt karakterisering af komponenten eller det tilsvarende kanalmiljø.

Addressing Applications

Digitale højhastighedsdesigns får fortsat større betydning, især inden for signalintegritet. Udbredelsen af forskellige standarder og de tilsvarende printkortlayouts kræver nye måder at undersøge og analysere signaler på i både frekvens- og tidsdomæner. Rohde & Schwarz introducerede for nylig værktøjer til bedre at evaluere designers ydeevne og isolere deres ydeevne fra eksterne kilder som f.eks. stik, kabler, prober osv.

Nye muligheder for de-embeddingsteknikker baseret på P370-standarden, Smart Fixture De-embedding fra Packet Micro samt In Situ De-Embedding fra AtaiTec understøttes nu som muligheder i R&S ZNA-, R&S ZNB-, R&S ZNBT- og R&S ZND-familierne, så kunderne kan evaluere de mest hensigtsmæssige teknikker til brug for deres individuelle applikationer.

En mulighed, der omhandler Delta-L PCB-karakterisering, er nu også tilgængelig. Frekvenskonverteringsmålinger er et andet centralt måleområde, der er yderst velegnet til R&S ZNA’en på grund af dens multiple synthesizer-arkitektur og måleteknikker som f.eks. dem, der er rettet mod underenheder med indlejrede lokale oscillatorer.

DDS-syntesizerne i R&S ZNA er grundlaget for fire fasekohærente og faserepetible kilder. Brugeren kan definere amplitude og faseforskel mellem fire signaler til anvendelser som f.eks. beamforming eller målsimulering. mmWave-applikationer og fortsatte fremskridt inden for integrerede samlinger gør det nødvendigt med fortsatte fremskridt inden for teststrategi. Testplatforme skal udvikle sig tilsvarende i både arkitektur og tilsvarende målevidenskab.

Et landskab i forandring

Netværksanalysatorer karakteriserer elektroniske komponenter i næsten alle brancher. Selv om deres alsidighed er vokset, er netværksanalysatorernes kernearkitektur stort set forblevet uændret i de sidste par årtier. Moderne teknologier med højere frekvenser og bredere båndbredder, som f.eks. 5G, skubber grænserne for de nuværende netværksanalysatorer og skaber nye udfordringer for ingeniørerne, når de måler multikanalenheder.

Matt Campbell, produktmarketingingeniør hos Keysight Technologies, påpegede, at netværksanalysatorkilder traditionelt ikke behøvede at være meget nøjagtige, da diskontinuiteter bare kunne ratiostrives ud af målingerne. Kildens ydeevne kan imidlertid have en mere betydelig indvirkning på nutidens komplekse bredbånds- og ikke-lineære målinger.

For at imødegå dette har Keysight aktiveret deres PNA- og PNA-X-netværksanalysatorer med den samme signalkilde som deres high-end signalgeneratorer. Da de præsenteres som havende den laveste fasestøj på markedet, kan ingeniører hurtigt udføre målinger som EVM, konvertermålinger med fase og ikke-lineær netværksanalyse med tillid til resultaterne (fig. 7).

7. Keysights N5245B PNA-X mcrowave netværksanalysator.

For at hjælpe med 5G-produktionstest introducerede Keysight deres vektorkomponentanalysator, der præsenteres som det første modulære multiportinstrument, der kan udføre både netværksanalyse og modulerede signalmålinger. Dette gør det muligt for designere at udføre netværksanalysatormålinger som S-parametre og forstærkning samtidig med EVM og ACP.

Matt påpegede, at når kunderne leder efter netværksanalysatorer, er applikationer som pulsed-RF-målinger, spektrumanalyse og tidsdomæneanalyse ofte lige så vigtige for dem som S-parametre. Folk tænker på netværksanalysatorer som generelle RF-værktøjer og ikke kun S-parametermaskiner, og Keysights netværksanalysatorer tilbyder funktioner som f.eks. guidet kalibrering med et ECal-modul og wizards, der gennemgår avancerede målinger.

Keysights netværksanalysatorer dækker alle applikationer, fra R&D til fremstilling og til felttest med formfaktorer, der er skræddersyet til hver enkelt applikation. Bekvemme og kompetente USB VNA’er, multiport VNA’er med op til 50 porte og den robuste håndholdte FieldFox giver ydeevne, hvor der er brug for den. Næsten alle brancher oplever, at frekvenserne stiger, og at enhederne bliver mere integrerede, så Keysight tilbyder frekvensdækning til millimeterfrekvenser samt fleksible måleapplikationer til enhver formfaktor.

Forbindelser er vigtige

En forbindelse af enhver art er kun lige så god som dens stik og kabler, og test er ingen undtagelse. Ifølge Steve Ellis, Product Line Manager hos Pasternack, henvender deres nyeste serie af meget fleksible VNA-testkabler sig til en lang række krævende laboratorie- og testapplikationer (fig. 8). Funktionerne omfatter en fasestabilitet på ±6° ved 50 GHz og ±8° ved 70 GHz med bøjning samt en VSWR på 1,3:1 ved 50 GHz og 1,4:1 ved 70 GHz.

8. Pasternacks VNA-testkabler er beregnet til en bred vifte af krævende laboratorie- og testanvendelser.

Disse 50 GHz-samlinger er afsluttet med 2,4-mm-stik, mens 70 GHz-samlingerne anvender 1,85-mm-stik. Den flettede rustfri stålarmering, der omgiver koaksialstoffet, giver et robust og alligevel fleksibelt kabel med en flexlevetid på over 100.000 cyklusser, og kablerne er afsluttet med robuste rustfri stålstik, der giver op til 5.000 parringscyklusser, når de er monteret med den rette omhu. Både 50- og 70 GHz-versioner tilbydes med NMD-stik med retvinklede 2,4- og 1,85-mm-stikmuligheder.