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In der Welt des Testens, Messens und Auswertens gehört die Vektornetzwerkanalyse (VNA) zu den wichtigsten HF- und Mikrowellen-Messmethoden. Die neuesten VNA-Lösungen bieten eine Vielzahl von Merkmalen, von ausgezeichneten HF-Eigenschaften bis hin zu einer breiten Palette von Analysefunktionen, und erleichtern die Erfassung und Bewertung wichtiger Leistungsparameter. Hier ist ein Überblick über einige der neuesten Lösungen, von den Mitarbeitern der beteiligten Unternehmen.
Fortschrittliche Architekturen
Der ShockLine ME7868A 2-Port VNA von Anritsu wurde mit einer fortschrittlichen Architektur entwickelt, die es ermöglicht, phasensynchronisierte VNA-Ports physisch außerhalb eines einzelnen Chassis zu verteilen. Dadurch kann die Instrumentierung am zu prüfenden Gerät platziert werden, anstatt an einen einzigen Standort gebunden zu sein (Abb. 1).
1. Der ShockLine ME7868A 2-Port-VNA ermöglicht die physische Verteilung von phasensynchronisierten VNA-Ports außerhalb eines einzelnen Chassis.
Nach Angaben von Stan Oda, ShockLine VNA-Produktmanager, verwendet der ME7868A die PhaseLync-Technologie des Unternehmens, um zwei ShockLine MS46131A 1-Port-VNAs zu synchronisieren. Dies ermöglicht vektorielle Einfügedämpfungsmessungen zwischen den beiden VNAs. PhaseLync unterstützt die Synchronisierung von 1-Tor-VNAs über 100 Meter und verbessert die Leistung von 2-Tor-S-Parameter-Messungen über Entfernungen, die mit herkömmlichen VNA-Lösungen vergleichbar sind.
Steve Reyes, Sr. Product Manager, wies darauf hin, dass das Breitband-VNA-System VectorStar ME7838G eine On-Wafer-Bauteilcharakterisierung von 70 kHz bis 220 GHz in einem einzigen Sweep ermöglicht. Das System verwendet Anritsus Nonlinear Transmission Line (NLTL)-Module, die eine exzellente Leistung mit der branchenweit besten Rohdirektivität bieten, um eine erstklassige Kalibrierungsleistung und Messstabilität zu gewährleisten (Abb. 2).
2. Das Breitband-VNA-System VectorStar ME7838G bietet eine On-Wafer-Bauteilcharakterisierung von 70 kHz bis 220 GHz in einem einzigen Sweep.
Es ermöglicht Anwendern, in einem einzigen Sweep über die traditionellen Grenzen hinauszugehen, ohne die Wafer-Probe-Station von einem 110-GHz- auf höhere Wellenleiter-Bänder umbauen zu müssen. Anritsu hat außerdem vor kurzem die Option Universal Fixture Extraction (UFX) für VectorStar eingeführt, die den Bedarf an Hochfrequenz-Fixture-Extraktionen bei Signalintegritätsmessungen erfüllt.
Navneet Kataria, VectorStar VNA Product Manager, fügte hinzu, dass das VectorStar-basierte ME7848A Opto-electronic VNA-System opto-elektronische Geräte charakterisieren kann. Diese Optical Network Analyzer (ONA)-Systeme kombinieren einen VectorStar VNA, einen E/O-Konverter und einen NIST-rückführbaren Silberstandard-Referenzphotodetektor, um E/O-Messungen mit NIST-Rückführbarkeit bis zu 70 GHz an Geräten wie Photodetektoren und optischen Modulatoren/Transmittern durchzuführen.
Gerätecharakterisierung
Over-the-Air (OTA)-Charakterisierungsanforderungen über größere Entfernungen für 5G- und große Fahrzeugtests werden aufgrund langer Verbindungskabel immer mehr zu einer Herausforderung für traditionelle VNAs. Der ShockLine ME7868A erfüllt diese Anforderungen, indem er den VNA-Anschluss zum Prüfling verlegt, die Kabel eliminiert und die Messstabilität und den Dynamikbereich verbessert.
On-Wafer-Messungen müssen für eine genaue Gerätecharakterisierung bis in den oberen mmWellenbereich reichen. Bei der Entwicklung dieser Systeme ist es wichtig, die Bauelemente über einen viel breiteren Frequenzbereich zu charakterisieren, von nahe DC bis weit über die Betriebsfrequenz hinaus. Beispielsweise sollten Verstärker, die für Anwendungen wie 802.11ad konzipiert sind, weit über 60 GHz hinaus in den mmWave-Bereich gesweept werden – idealerweise über 180 GHz -, um Tests mit der dritten Harmonischen zu ermöglichen.
Um die Anforderungen an die Bandbreite von Geräten der nächsten Generation zu erfüllen, werden Technologien entwickelt, die den Einsatz extrem hoher Frequenzen erfordern. Eine dieser Technologien ist die Optoelektronik, die eine enorme Bandbreite und geringe Latenzzeiten bietet und kommerziell rentabel ist. Die Anforderung, diese opto-elektronischen Geräte präzise zu testen, ist heute eine große Herausforderung. Die ONA-Lösung von Anritsu bietet genaue und präzise Messungen mit NIST-Rückführbarkeit dieser opto-elektronischen Geräte.
VNAs werden weiterhin in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt, von der Gerätecharakterisierung bis hin zur Materialmessung. Die Notwendigkeit, genaue mmWave-Messungen weit über 110 GHz hinaus durchzuführen, ist ein wichtiger Trend. Es wird erwartet, dass das 6G-Mobilfunknetz der nächsten Generation über die 170-GHz-D-Band-Funkfrequenzen hinausgeht und in die 325-GHz-Regionen vordringt, um die Datenverarbeitungsfähigkeiten weiter zu erweitern.
Aktive und passive Gerätecharakterisierung
Wenn es darum geht, spezifische Anwendungsbereiche zu adressieren, sagte uns Stan Oda, dass ShockLine VNAs gut für die Prüfung von Fertigungs- und passiven Komponenten geeignet sind. Mit 1-, 2- und 4-Port-VNAs in einer Vielzahl von Gehäusen, die Frequenzen von 50 kHz bis 92 GHz abdecken, deckt die ShockLine-Familie von VNAs eine breite Palette von Anwendungen ab. Navneet Kataria fügte hinzu, dass der VectorStar VNA alle wichtigen Zielmärkte abdeckt, nämlich die Charakterisierung von aktiven und passiven Bauelementen.
Die Charakterisierung von optoelektronischen Bauelementen ist ein weiterer Zielbereich für die VectorStar-basierten ONA-Systeme von Anritsu. Aufrüstbarkeit, Flexibilität und NIST-Rückführbarkeit der Messergebnisse sind einige der einzigartigen Angebote, die unsere Kunden unterstützen. Materialmessungen für verschiedene Materialtypen bei Frequenzen bis zu 1,1 THz sind eine weitere Anwendung für VectorStar.
ShockLine VNAs nutzen die patentierte NLTL-Technologie von Anritsu, um kostengünstige und platzsparende Hochfrequenz-VNA-Funktionen zu erreichen. Wir erwarten, dass wir diese bewährte Technologie auch in Zukunft nutzen werden, um die Testmöglichkeiten der ShockLine-Familie zu erweitern. VectorStar nutzt ebenfalls die NLTL-Sampler-Technologie für genaue Hochfrequenz-VNA-Analysen bis zu 70 GHz Basisband und 110, 125, 145 und 220 GHz Breitband. Der nächste Schritt in der Reihe der Breitbandanalysen ist die Fähigkeit, differentielle Messungen bis zu 220 GHz für eine optimale differentielle Analyse durchzuführen.
Anritsu ist der Ansicht, dass VNAs weiterhin eine Schlüsselrolle bei der 5G-, Automobil- und allgemeinen OTA-Charakterisierung aller Geräte spielen werden, von kleinen UE bis hin zu großen Fahrzeugen. Da die Frequenzen weiter steigen und sich auf dem Wafer konsolidieren, wird der Bedarf an präzisen In-situ-Kalibrierungen sowie an der Fähigkeit, Testvorrichtungen und On-Wafer-Übertragungspfade präzise zu deembedden, weiter steigen.
Nicht-invasive Stabilitätsmessung
Als wir mit Charles Hymowitz, dem VP of Sales & Marketing bei Picotest, Kontakt aufnahmen, erwähnte er deren nicht-invasive Stabilitätsmessung, die auf einer proprietären Software mit einem von Steve Sandler entwickelten mathematischen Algorithmus basiert. Das Unternehmen hat es jedoch kostenlos auf viele VNAs portiert und versucht, es in so viele wie möglich zu integrieren. Mit NISM kann der Benutzer die Phasenspanne aus einer Ausgangsimpedanzmessung ermitteln.
Viele Stromversorgungs-ICs sind fest eingebaut und ihre Regelschleifen stehen nicht für Bode-Diagramme zur Verfügung, und viele Regler haben mehrere interne Schleifen. In einigen Fällen sind die Regler so klein geworden, dass die Unterbrechung der Schleife unpraktisch geworden ist. Abgesehen von Stufenlasttests, die keine Phasenspanne liefern, gibt es keine anderen Möglichkeiten, die Regelschleifenstabilität eines solchen Reglers zu ermitteln, außer mit Hilfe von NISM.
NISM ist beispielsweise im OMICRON Lab Bode 100 (Abb. 3) enthalten, und zwar als Software-Zusatz für den Keysight E5061B/E5071C sowie für den Rohde ZNL/ZNLE und die CMT-VNAs von Copper Mountain. Weitere Ports sind in Arbeit.
3. Geräte wie der OMICRON Lab Bode 100 enthalten die nicht-invasive Stabilitätsmesstechnologie von Picotest.
Alle Sonden und Signalinjektoren von Picotest können mit jedem VNA verwendet werden, so dass Prüflinge für verschiedene Messungen an den VNA angeschlossen werden können (Abb. 4). Die meisten dieser Injektoren (abgesehen von den Bode-Plot-bezogenen Elementen) sind urheberrechtlich geschützt und von anderen VNA-Herstellern nicht erhältlich. Die verschiedenen Line-Injektoren, wie z. B. der J2102B, bieten PDN Cable und unterstützen PSRR- und 2-Port-Impedanzmessungen. Der aktive Splitter J2161A ist einzigartig und kann ein Oszilloskop in einen VNA verwandeln.
4. Alle Tastköpfe und Signalinjektoren von Picotest können mit jedem VNA verwendet werden.
Viele neue Oszilloskope können als VNAs verwendet werden. Mit dem aktiven 2-Wege-Breitband-Splitter J2161A von Picotest und dem Gleichtakttransformator J2102B können viele neuere Oszilloskope in VNAs verwandelt werden, die dieselbe oder eine höhere Bandbreite und Empfindlichkeit als dedizierte VNAs aufweisen.
Herausforderungen
Die Impedanzmessung mit zwei Toren ist derzeit der Goldstandard für die Messung niedriger Impedanzen, wobei die Leistungsintegrität und die PDN-Impedanz (Power Distribution Network) ein großes Problem für Design und Leistung darstellen. Abgesehen von der Simulation ist die Messung für das Verständnis, die Begrenzung und den Entwurf guter PDNs unerlässlich.
Um niedrige und ultraniedrige Impedanzen zu messen, hat Picotest eine Reihe von Zubehörteilen entwickelt, die für eine genaue Messung unerlässlich sind, darunter die J2102B/J2113A Erdschleifenunterbrecher (unerlässlich für die Beseitigung des inhärenten Gruppenschleifenfehlers bei der Messung) und ein ultradünnes, flexibles PDN-Kabel mit geringem Schirmverlust (Abb. 5).
5. Ultradünnes, flexibles PDN-Kabel mit geringem Abschirmungsverlust ermöglicht genaue Messungen.
Bei der Messung von Milli- und Mikrohm-PDN-Impedanz ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Quellen von Messfehlern eingedämmt werden, und diese Produkte erfüllen diese Aufgabe. Darüber hinaus wird Picotest einen Ersatz für den derzeitigen 2-Port-Tastkopf einführen, der ein echter tragbarer 4-Port-BROWSER-Tastkopf sein wird, der die Impedanz von Milli-Ohm-Netzebenen messen kann. Die Verbindung zum Prüfling, insbesondere auf dichten Leiterplatten, ist ein schwieriger Aspekt der PDN-Impedanzmessung, und der neue Picotest P2102A 2-Port-Tastkopf wird diese Hürde erheblich erleichtern.
Trends
Der Trend, dass Oszilloskope VNA-Funktionen enthalten, ist signifikant und kann den Verkauf traditioneller VNA-Instrumente dramatisch beeinflussen, vor allem, da die Oszilloskop-Hersteller mehr und bessere Schnittstellen integrieren. Einer der wichtigsten Bereiche für VNAs ist derzeit die Messung der Stromversorgungsintegrität/PDN-Impedanz.
Speziell die Messung der Impedanz von Stromschienen mit zwei Toren wird für fast alle Systeme von entscheidender Bedeutung. Dies gilt auch für Stromversorgungen für Hochgeschwindigkeits-Digital- oder HF-Schaltungen. Traditionell wurden Stromschienentastköpfe zur Messung des Zeitbereichsrauschens verwendet, was jedoch nicht akzeptabel ist, da es die möglichen Spannungsausschläge, die auf der Schiene auftreten können, nicht einschränkt.
Die Impedanz kann den Zustand der Stromschiene und mögliche Leistungsprobleme definieren. Darüber hinaus reicht das interessierende Frequenzband von niedrigen Frequenzen (10s von Hz) bis zu vielen GHz, was die Messung sowohl zu einer Herausforderung als auch zur Domäne des VNA macht. Das Unternehmen plant außerdem die Einführung einer Reihe von 1- und 2-Port-Tastköpfen, die VNA-Benutzern den Anschluss an ihre Prüflinge erleichtern.
Leistungsstarke und flexible Tools
Die explosionsartige Zunahme von Cloud-fähigen Systemen und HF-basierten Infrastrukturen hat einen enormen Druck auf die Ingenieure im Wireless-Bereich ausgeübt. Wir haben Rich Pieciak, Produktmanager für Vektornetzwerkanalysatoren bei Rohde & Schwarz USA, gefragt, was das Unternehmen unternimmt, um diese Probleme zu lösen. Er erklärte uns, dass die neuesten Vektor-Netzwerkanalysator-Plattformen von Rohde & Schwarz die R&S ZNA-Familie und die R&S ZNBT40-Plattform sind, die ihre Multiport-Lösungen auf 40 GHz mit bis zu 24 Ports erweitert hat (Bild 6).
6. Die R&S ZNBT40-Plattform bietet Multiport-Lösungen bis 40 GHz mit bis zu 24 Ports.
Die R&S ZNA-Familie hochleistungsfähiger Vektornetzwerkanalysatoren adressiert mit ihrer ausgefeilten und flexiblen Hardware-Architektur sich entwickelnde Anwendungsbereiche. Die HF-Eigenschaften der R&S ZNA-Familie zeichnen sich durch Empfindlichkeit, Leistungswobbelbereich und Linearität aus, ergänzt durch eine neuartige Hardware-Architektur mit vier internen phasenkohärenten Quellen, zwei internen Lokaloszillatoren und acht Empfängern für ein hohes Maß an Messvielseitigkeit.
Hochgeschwindigkeits-Digitalanwendungen wurden in diesen beiden Gerätefamilien ebenfalls erweitert (ebenso in den Familien R&S ZNB und R&S ZND), wobei die Einführung neuer De-Embedding-Lösungen den Kunden die Möglichkeit gibt, industrieweit akzeptierte Lösungen zur Charakterisierung von Hochgeschwindigkeits-Digital-Designstrukturen, die immer größere Frequenzbereiche unterstützen, einfacher zu bewerten und zu nutzen.
Mit der Anwendung Schritt halten
Die technologischen Fortschritte in den Bereichen Drahtlos- und Luft- und Raumfahrt &Verteidigungsanwendungen erfordern weiterhin integrierte Baugruppen, die aufgrund fortschrittlicher Funktionen wie Beamforming, integrierter Antennenarchitekturen und immer höherer digitaler Datenübertragungsraten eine hohe Portanzahl aufweisen. All diese Integrationsbemühungen zwingen zu neuen Ansätzen bei der Leistungsvalidierung.
Die Architektur der Testinstrumente muss sich weiterentwickeln, um den notwendigen Einblick in die Leistung des zu testenden Geräts zu ermöglichen. Die R&S ZNA-Architektur kann jetzt beispielsweise die Nahfeldeigenschaften einer Antennenbaugruppe mit integriertem LO messen, da sie über mehrere interne Synthesizer und duale lokale Oszillatoren verfügt, die mit ihrer dualen digitalen Empfängerarchitektur gekoppelt sind.
6G und andere Forschungsarbeiten zu Anwendungen im mmWave-Bereich legen den Schwerpunkt verstärkt auf die Ausweitung herkömmlicher VNA-Messungen auf Frequenzbereiche bis zu 300 GHz und darüber hinaus. Eine vielseitige VNA-Architektur ist von entscheidender Bedeutung für die richtige Charakterisierung der Komponente oder der entsprechenden Kanalumgebung.
Anwendungen
Digitale Hochgeschwindigkeitsdesigns gewinnen immer mehr an Bedeutung, insbesondere im Bereich der Signalintegrität. Die Verbreitung unterschiedlicher Standards und die entsprechenden Platinenlayouts erfordern neue Wege zur Messung und Analyse von Signalen sowohl im Frequenz- als auch im Zeitbereich. Rohde & Schwarz hat kürzlich Werkzeuge vorgestellt, mit denen die Leistung von Designs besser bewertet und von externen Quellen wie Steckern, Kabeln, Tastern usw. isoliert werden kann.
Neue Optionen für De-Embedding-Techniken, die auf dem P370-Standard basieren, Smart Fixture De-Embedding von Packet Micro sowie In Situ De-Embedding von AtaiTec werden jetzt als Optionen in den Familien R&S ZNA, R&S ZNB, R&S ZNBT und R&S ZND unterstützt, damit Kunden die am besten geeigneten Techniken für ihre individuellen Anwendungen evaluieren können.
Eine Option für die Charakterisierung von Delta-L-Leiterplatten ist jetzt ebenfalls verfügbar. Frequenzwandlermessungen sind ein weiterer Kernmessbereich, für den sich der R&S ZNA aufgrund seiner Mehrfachsynthesizer-Architektur und Messtechniken, die beispielsweise auf Baugruppen mit eingebetteten Lokaloszillatoren abzielen, besonders gut eignet.
Die DDS-Synthesizer im R&S ZNA bilden die Grundlage für vier phasenkohärente und phasenwiederholbare Quellen. Der Benutzer kann Amplitude und Phasendifferenz zwischen vier Signalen für Anwendungen wie Beamforming oder Zielsimulation definieren. mmWave-Anwendungen und kontinuierliche Fortschritte bei integrierten Baugruppen erfordern eine kontinuierliche Weiterentwicklung der Teststrategie. Die Testplattformen müssen sich dementsprechend weiterentwickeln, sowohl in der Architektur als auch in der entsprechenden Messwissenschaft.
A Changing Landscape
Netzwerkanalysatoren charakterisieren elektronische Komponenten in fast jeder Branche. Während ihre Vielseitigkeit zugenommen hat, ist die Kernarchitektur von Netzwerkanalysatoren in den letzten Jahrzehnten weitgehend unverändert geblieben. Moderne Technologien mit höheren Frequenzen und größeren Bandbreiten, wie 5G, stoßen an die Grenzen aktueller Netzwerkanalysatoren und stellen Ingenieure bei der Messung von Mehrkanalgeräten vor neue Herausforderungen.
Matt Campbell, Product Marketing Engineer bei Keysight Technologies, wies darauf hin, dass Netzwerkanalysator-Quellen traditionell nicht besonders genau sein mussten, da Diskontinuitäten einfach aus den Messungen herausgerechnet werden konnten. Bei den heutigen komplexen Breitband- und nichtlinearen Messungen kann die Leistung der Quelle jedoch einen größeren Einfluss haben.
Um diesem Problem zu begegnen, hat Keysight seine PNA- und PNA-X-Netzwerkanalysatoren mit der gleichen Signalquelle ausgestattet wie seine High-End-Signalgeneratoren. Da sie das niedrigste Phasenrauschen auf dem Markt haben, können Ingenieure Messungen wie EVM, Wandlermessungen mit Phase und nichtlineare Netzwerkanalysen schnell und zuverlässig durchführen (Bild 7).
7: Keysight N5245B PNA-X mcrowave network analyzer.
Zur Unterstützung der 5G-Fertigungstests stellte Keysight seinen Vektorkomponentenanalysator vor, der als erstes modulares Multiport-Instrument vorgestellt wurde, das sowohl Netzwerkanalysen als auch Messungen modulierter Signale durchführen kann. Dies ermöglicht es Entwicklern, Netzwerkanalysator-Messungen wie S-Parameter und Verstärkung gleichzeitig mit EVM und ACP durchzuführen.
Matt wies darauf hin, dass Kunden bei der Suche nach Netzwerkanalysatoren Anwendungen wie gepulste HF-Messungen, Spektrumanalyse und Zeitbereichsanalyse oft genauso wichtig sind wie S-Parameter. Die Netzwerkanalysatoren von Keysight bieten Funktionen wie geführte Kalibrierung mit einem ECal-Modul und Assistenten, die durch fortgeschrittene Messungen führen.
Die Netzwerkanalysatoren von Keysight decken jede Anwendung ab, von R&D über die Fertigung bis hin zu Feldtests mit Formfaktoren, die auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten sind. Praktische und leistungsfähige USB-VNAs, Multiport-VNAs mit bis zu 50 Ports und der robuste Handheld FieldFox bringen Leistung, wo immer sie gebraucht wird. In fast jeder Branche steigen die Frequenzen und die Geräte werden immer stärker integriert, daher bietet Keysight eine Frequenzabdeckung bis in den Millimeterbereich sowie flexible Messanwendungen für jeden Formfaktor.
Verbindungen sind wichtig
Eine Verbindung jeglicher Art ist nur so gut wie ihre Anschlüsse und Kabel, und die Prüfung bildet da keine Ausnahme. Laut Steve Ellis, Product Line Manager bei Pasternack, eignet sich die neueste Serie hochflexibler VNA-Testkabel für eine Vielzahl anspruchsvoller Labor- und Testanwendungen (Abb. 8). Zu den Merkmalen gehören eine Phasenstabilität von ±6° bei 50 GHz und ±8° bei 70 GHz mit Biegung sowie ein VSWR von 1,3:1 bei 50 GHz und 1,4:1 bei 70 GHz.
8. Die VNA-Testkabel von Pasternack eignen sich für eine Vielzahl von anspruchsvollen Labor- und Testanwendungen.
Die 50-GHz-Konfektionen sind mit 2,4-mm-Steckern ausgestattet, während die 70-GHz-Konfektionen 1,85-mm-Stecker verwenden. Die geflochtene Edelstahlarmierung, die das Koaxialkabel umgibt, sorgt für ein robustes und dennoch flexibles Kabel mit einer Lebensdauer von mehr als 100.000 Zyklen. Die Kabel sind mit robusten Edelstahlsteckern versehen, die bei ordnungsgemäßer Montage bis zu 5.000 Steckzyklen ermöglichen. Sowohl die 50- als auch die 70-GHz-Versionen werden mit NMD-Steckverbindern angeboten, die mit rechtwinkligen 2,4- und 1,85-mm-Steckern ausgestattet sind.
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