Introduction aux systèmes de communication RF et sans fil

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Dans le monde du test, de la mesure et de l’évaluation, l’analyse de réseau vectoriel (VNA) fait partie des méthodologies de mesure RF et micro-ondes les plus importantes. Offrant une variété de caractéristiques, allant d’excellentes caractéristiques RF à une grande variété de fonctions d’analyse, les dernières solutions VNA facilitent la capture et l’évaluation de paramètres de performance importants. Voici un aperçu de certaines des dernières solutions, par les personnes des entreprises concernées.

Architectures avancées

Le VNA 2 ports ShockLine ME7868A d’Anritsu est conçu avec une architecture avancée qui permet aux ports VNA synchronisés en phase d’être physiquement distribués en dehors d’un seul châssis. Cela permet à l’instrumentation d’être située au niveau du dispositif sous test (DUT) plutôt que d’être liée à un emplacement unique (Fig. 1).

1. Le VNA à 2 ports ShockLine ME7868A permet aux ports VNA synchronisés en phase d’être physiquement distribués en dehors d’un seul châssis.

Selon Stan Oda, chef de produit VNA ShockLine, le ME7868A utilise la technologie PhaseLync de la société pour synchroniser deux VNA à 1 port ShockLine MS46131A. Cela permet de mesurer la perte d’insertion vectorielle entre les deux VNA. PhaseLync prend en charge la synchronisation à plus de 100 mètres entre les VNA à 1 port, améliorant les performances de mesure des paramètres S à 2 ports sur des distances comparables à celles des solutions VNA traditionnelles.

Steve Reyes, Sr. Product Manager, a souligné que le système VNA large bande VectorStar ME7838G permet la caractérisation de dispositifs sur plaquette de 70 kHz à 220 GHz en un seul balayage. Le système utilise les modules de ligne de transmission non linéaire (NLTL) d’Anritsu, qui offrent d’excellentes performances avec la meilleure directivité brute de l’industrie, afin de fournir les meilleures performances d’étalonnage et la meilleure stabilité de mesure de sa catégorie (Fig. 2).

2. le système VNA large bande VectorStar ME7838G fournit une caractérisation des dispositifs sur la tranche de 70 kHz à 220 GHz en un seul balayage.

Il permet aux utilisateurs de dépasser les limites traditionnelles en un seul balayage sans avoir à reconstruire la station de sonde de la tranche d’un 110 GHz à des bandes de guide d’ondes plus élevées. Anritsu a également récemment introduit l’option Universal Fixture Extraction (UFX) pour VectorStar qui répond au besoin d’extractions de fixations haute fréquence dans les mesures d’intégrité du signal.

Navneet Kataria, chef de produit VectorStar VNA, ajoute que le système VNA optoélectronique ME7848A basé sur VectorStar peut caractériser les dispositifs optoélectroniques. Ces systèmes d’analyseurs de réseaux optiques (ONA) combinent un VectorStar VNA, un convertisseur E/O et un photodétecteur de référence traçable NIST à l’étalon argent pour effectuer des mesures E/O avec une traçabilité NIST jusqu’à 70 GHz, sur des dispositifs tels que des photodétecteurs et des modulateurs/transmetteurs optiques.

Caractérisation des appareils

Les exigences de caractérisation OTA (Over-the-air) sur de plus longues distances pour les tests de la 5G et des grands véhicules deviennent plus difficiles à satisfaire pour les VNA traditionnels, en raison des longs câbles d’interconnexion. Le ShockLine ME7868A répond à cette exigence en déplaçant le port VNA vers l’objet sous test, éliminant ainsi les câbles et améliorant la stabilité et la plage dynamique des mesures.

Les mesures sur plaquette doivent s’étendre dans les fréquences supérieures des ondes mm pour une caractérisation précise des dispositifs. Lors de la mise au point de ces systèmes, il est important de caractériser les dispositifs sur une plage de fréquences beaucoup plus large, allant du quasi-CD à bien au-delà de la fréquence de fonctionnement. Par exemple, les amplificateurs conçus pour des applications telles que 802.11ad devraient être balayés bien au-delà de 60 GHz dans les régions d’ondes millimétriques – idéalement au-delà de 180 GHz – pour inclure des tests de 3e harmonique.

Pour satisfaire aux exigences de largeur de bande des dispositifs de prochaine génération, des technologies sont développées qui nécessitent l’utilisation de fréquences extrêmement élevées. L’une de ces technologies est l’opto-électronique, qui offre une énorme bande passante, une faible latence et qui est commercialement viable. La demande de test précis de ces dispositifs opto-électroniques est un grand défi aujourd’hui. La solution ONA d’Anritsu fournit des mesures exactes et précises avec une traçabilité NIST de ces dispositifs opto-électroniques.

Les VNA continuent d’être utilisés dans de nombreuses applications variées, de la caractérisation des dispositifs à la mesure des matériaux. La nécessité d’effectuer des mesures précises en ondes millimétriques bien au-delà de 110 GHz est une tendance clé. Le réseau cellulaire 6G de prochaine génération devrait dépasser les fréquences radio de la bande D de 170 GHz et entrer dans les régions de 325 GHz, pour continuer à étendre les capacités de traitement des données.

Caractérisation de dispositifs actifs et passifs

Quand il s’agit d’aborder des espaces d’application spécifiques, Stan Oda nous a dit que les VNA ShockLine sont bien adaptés à la fabrication et aux tests de composants passifs. Avec des VNA à 1, 2 et 4 ports dans une variété de boîtiers couvrant des fréquences de 50 kHz à 92 GHz, la famille de VNA ShockLine couvre un large éventail d’applications. Navneet Kataria ajoute que le VectorStar VNA couvre tous les principaux marchés cibles, à savoir la caractérisation des dispositifs actifs et passifs.

La caractérisation des dispositifs optoélectroniques est un autre domaine cible pour les systèmes ONA basés sur VectorStar d’Anritsu. L’évolutivité, la flexibilité et la traçabilité NIST des résultats de mesure sont quelques-unes des offres uniques qui aident nos clients. Les capacités de mesures de matériaux pour divers types de matériaux couvrant des fréquences allant jusqu’à 1,1 THz sont une autre application pour VectorStar.

Les VNA ShockLine utilisent la technologie NLTL brevetée d’Anritsu pour obtenir des capacités de VNA haute fréquence efficaces en termes de coût et d’espace. À l’avenir, nous prévoyons de continuer à utiliser cette technologie éprouvée pour augmenter les capacités de test de la famille ShockLine. VectorStar utilise également la technologie d’échantillonnage NLTL pour une analyse VNA haute fréquence précise jusqu’à 70 GHz en bande de base et 110, 125, 145 et 220 GHz en bande large. La prochaine étape de la ligne d’analyse large bande est la possibilité d’effectuer des mesures différentielles jusqu’à 220 GHz pour une analyse différentielle optimale.

La position d’Anritsu est que les VNA continueront à jouer un rôle clé dans la 5G, l’automobile et la caractérisation OTA générale de tous les appareils, du petit UE aux grands véhicules. Alors que les fréquences continuent d’augmenter et de se consolider sur les wafers, le besoin d’effectuer des calibrations précises in-situ ainsi que la capacité à désembeduler avec précision les montages de test et les chemins de transmission sur les wafers vont continuer à augmenter.

Mesure de stabilité non invasive

Lorsque nous avons contacté Charles Hymowitz, le vice-président des ventes &marketing chez Picotest, il a évoqué leur mesure de stabilité non invasive, basée sur un logiciel propriétaire utilisant un algorithme mathématique créé par Steve Sandler. Cependant, la société l’a porté sur de nombreux VNA, gratuitement, et essaie de le faire ajouter au plus grand nombre possible. NISM permet à l’utilisateur d’obtenir la marge de phase à partir d’une mesure d’impédance de sortie.

De nombreux circuits intégrés d’alimentation sont fixes, et n’ont pas leurs boucles de contrôle disponibles pour les tracés de Bode, et de nombreux régulateurs ont de multiples boucles internes. Dans certains cas, les régulateurs sont devenus si petits que la rupture de la boucle est devenue impraticable. En dehors des tests de charge par paliers, qui ne fournissent vraiment pas de chiffre de marge de phase, il n’y a pas d’autres moyens d’obtenir la stabilité de la boucle de commande d’un tel régulateur, si ce n’est en utilisant NISM.

Par exemple, NISM est inclus avec le Bode 100 d’OMICRON Lab (figure 3), en tant que logiciel complémentaire pour le Keysight E5061B/E5071C, ainsi que le Rohde ZNL/ZNLE, et la gamme de VNA CMT de Copper Mountain. D’autres ports sont en cours de réalisation.

3. Des dispositifs tels que le Lab Bode 100 d’OMICRON comprennent la technologie de mesure de stabilité non invasive de Picotest.

Toutes les sondes et tous les injecteurs de signaux de Picotest peuvent être utilisés avec n’importe quel VNA, ce qui permet de connecter les objets sous test au VNA pour diverses mesures (figure 4). La plupart de ces injecteurs (à l’exception des éléments liés au tracé de Bode) sont propriétaires et ne sont pas disponibles auprès d’autres fabricants de VNA. Les différents injecteurs de ligne, tels que le J2102B, offrent un câble PDN et prennent en charge la mesure du PSRR et de l’impédance à 2 ports. Le séparateur actif J2161A est unique et peut transformer un oscilloscope en VNA.

4 Toutes les sondes et tous les injecteurs de signaux de Picotest peuvent être utilisés avec n’importe quel VNA.

De nombreux nouveaux oscilloscopes peuvent être utilisés comme VNA. Le diviseur actif large bande à 2 voies J2161A de Picotest, ainsi que leur transformateur de mode commun J2102B, peuvent être utilisés pour transformer de nombreux oscilloscopes récents en VNA avec une largeur de bande et une sensibilité identiques ou supérieures à celles des VNA dédiés.

Défis

La mesure d’impédance à deux ports est actuellement la norme d’or pour la mesure de basse impédance, l’intégrité de la puissance et l’impédance PDN (réseau de distribution de puissance) étant une énorme préoccupation de conception et de performance. En dehors de la simulation, la mesure est essentielle pour comprendre, délimiter et concevoir de bons PDN.

Afin de mesurer les impédances basses et ultra-basses, Picotest a créé un certain nombre d’accessoires essentiels à une mesure précise, notamment les disjoncteurs de boucle de masse J2102B/J2113A (essentiels pour éliminer l’erreur de boucle de groupe inhérente à la mesure) et le câble PDN flexible, ultra-mince et à faible perte d’écran (Fig. 5).

5. Le câble PDN à faible perte d’écran, ultra-mince et flexible permet des mesures précises.

Il est essentiel, lors de la mesure de l’impédance PDN en milliohm et microhm, de dompter les sources d’erreur de mesure, et ces produits y parviennent. En outre, Picotest introduira un remplacement de sa sonde actuelle à 2 ports qui sera une véritable sonde portative BROWSER à 4 ports capable de mesurer l’impédance milli-ohm du plan de puissance. La connexion à l’objet sous test, en particulier sur les PCB denses, est un aspect difficile de la mesure de l’impédance PDN et la nouvelle sonde à 2 ports P2102A de Picotest va grandement faciliter cette barrière.

Tendances

La tendance des oscilloscopes à intégrer des capacités VNA est importante et peut avoir un impact considérable sur les ventes d’instruments VNA traditionnels, en particulier lorsque les fournisseurs d’oscilloscopes intègrent des interfaces de plus en plus performantes. L’un des domaines les plus importants actuellement pour les VNA est la mesure de l’intégrité de l’alimentation/impédance RNP.

Spécifiquement, la mesure à deux ports de l’impédance du rail d’alimentation devient d’une importance critique pour presque tous les systèmes. Cela inclut les alimentations pour les circuits numériques à haute vitesse, ou RF. Traditionnellement, les sondes de rail d’alimentation ont été utilisées pour mesurer le bruit du domaine temporel, mais cela est inacceptable, car il ne lie pas les excursions de tension possibles qui peuvent se produire sur le rail.

L’impédance peut définir l’état du rail d’alimentation et les problèmes de performance possibles. En outre, la bande de fréquence d’intérêt va de la basse fréquence (10s de Hz) à de nombreux GHz, ce qui rend la mesure à la fois difficile et le domaine du VNA. La société prévoit également d’introduire une série de sondes à 1 et 2 ports qui aideront les utilisateurs de VNA à se connecter à leurs DUT.

Outils puissants et flexibles

L’explosion des systèmes basés sur le cloud et des infrastructures basées sur les RF a exercé une pression énorme sur les ingénieurs desservant l’espace sans fil. Nous avons contacté Rich Pieciak, chef de produit pour les analyseurs de réseau vectoriel chez Rohde & Schwarz USA, et lui avons demandé ce que la société mettait sur le terrain pour répondre à ces problèmes. Il nous a dit que les plateformes d’analyseurs de réseaux vectoriels les plus récentes de Rohde & Schwarz sont la famille R&S ZNA, et la plateforme R&S ZNBT40, qui a étendu ses solutions multiports à 40 GHz, avec jusqu’à 24 ports (Fig. 6).

6. La plate-forme R&S ZNBT40 présente des solutions multiports jusqu’à 40 GHz, avec jusqu’à 24 ports.

La famille d’analyseurs de réseau vectoriels haute performance R&S ZNA répond aux domaines d’application en évolution grâce à son architecture matérielle sophistiquée et flexible. Les caractéristiques RF de la famille R&S ZNA sont soulignées par la sensibilité, la plage de balayage de puissance et la linéarité, augmentées par une architecture matérielle novatrice avec quatre sources internes cohérentes en phase, deux oscillateurs locaux internes et huit récepteurs pour un haut niveau de polyvalence de mesure.

Les applications numériques à haute vitesse ont également été étendues dans ces deux familles d’instruments, (de même que les familles R&S ZNB et R&S ZND), avec l’introduction de nouvelles solutions de désembeddage donnant aux clients la possibilité d’évaluer et d’utiliser plus facilement des solutions acceptées par l’industrie pour caractériser les structures de conception numérique à haute vitesse qui prennent en charge des plages de fréquences toujours plus grandes.

Prendre de l’avance sur l’application

Les avancées technologiques dans les applications de défense sans fil et aérospatiales & continuent d’aborder les assemblages intégrés qui contiennent un nombre élevé de ports, en raison de fonctions avancées telles que la formation de faisceaux, les architectures d’antennes intégrées et des taux de transmission de données numériques toujours plus élevés. Tous ces efforts d’intégration forcent de nouvelles approches pour les validations de performance.

L’architecture des instruments de test doit évoluer pour fournir l’aperçu nécessaire des performances du dispositif sous test. L’architecture ZNA R&S, par exemple, peut désormais mesurer les caractéristiques de champ proche d’un ensemble d’antennes avec un LO intégré grâce à ses multiples synthétiseurs internes et ses oscillateurs locaux doubles, couplés à son architecture de récepteur numérique double.

La 6G et d’autres recherches sur les applications dans l’espace mmWave mettent davantage l’accent sur l’extension des mesures VNA traditionnelles dans des zones de fréquence allant jusqu’à 300 GHz et au-delà. Une architecture VNA polyvalente est primordiale pour une caractérisation correcte du composant ou de l’environnement de canal correspondant.

S’attaquer aux applications

Les conceptions numériques à haut débit continuent de prendre de l’importance et notamment dans les domaines de l’intégrité des signaux. La prolifération de normes différentes et les agencements de cartes correspondants nécessitent de nouvelles façons de sonder et d’analyser les signaux dans les domaines fréquentiel et temporel. Rohde & Schwarz a récemment introduit des outils permettant de mieux évaluer les performances des conceptions et d’isoler leurs performances des sources externes telles que les connecteurs, les câbles, les sondes, etc.

De nouvelles options abordant les techniques de désembedding basées sur la norme P370, le Smart Fixture De-embedding de Packet Micro, ainsi que le In Situ De-embedding d’AtaiTec sont désormais prises en charge en tant qu’options dans les familles R&S ZNA, R&S ZNB, R&S ZNBT et R&S ZND pour permettre aux clients d’évaluer les techniques les plus appropriées à utiliser pour leurs applications individuelles.

Une option abordant la caractérisation des circuits imprimés Delta-L est désormais également disponible. Les mesures de conversion de fréquence sont un autre domaine de mesure de base extrêmement bien adapté au R&S ZNA, en raison de son architecture de synthétiseur multiple et des techniques de mesure telles que celles ciblées pour les sous-ensembles avec oscillateurs locaux intégrés.

Les synthétiseurs DDS du R&S ZNA constituent la base de quatre sources cohérentes et répétables en phase. L’utilisateur peut définir l’amplitude et la différence de phase entre quatre signaux pour des applications telles que la formation de faisceau ou la simulation de cible. Les applications à ondes millimétriques et les progrès continus des assemblages intégrés nécessitent une avancée continue de la stratégie de test. Les plates-formes de test doivent évoluer en conséquence, tant au niveau de l’architecture que de la science de la mesure correspondante.

Un paysage en évolution

Les analyseurs de réseau caractérisent les composants électroniques dans presque toutes les industries. Si leur polyvalence s’est accrue, l’architecture de base des analyseurs de réseau est restée largement inchangée au cours des dernières décennies. Les technologies modernes avec des fréquences plus élevées et des bandes passantes plus larges, comme la 5G, repoussent les limites des analyseurs de réseau actuels et créent de nouveaux défis pour les ingénieurs lorsqu’ils mesurent des dispositifs multicanaux.

Matt Campbell, ingénieur marketing produit chez Keysight Technologies, a souligné que les sources des analyseurs de réseau n’avaient traditionnellement pas besoin d’être très précises, car les discontinuités pouvaient simplement être éliminées des mesures par ratio. Cependant, la performance de la source peut avoir un impact plus important sur les mesures complexes à large bande et non linéaires d’aujourd’hui.

Pour remédier à cela, Keysight a activé ses analyseurs de réseau PNA et PNA-X avec la même source de signal que leurs générateurs de signaux haut de gamme. Présenté comme ayant le plus faible bruit de phase disponible, les ingénieurs peuvent rapidement effectuer des mesures comme l’EVM, les mesures de convertisseurs avec phase et l’analyse de réseau non linéaire avec une confiance dans les résultats (Fig. 7).

7. analyseur de réseau mcrowave N5245B PNA-X de Keysight.

Pour aider au test de fabrication 5G, Keysight a présenté son analyseur de composants vectoriels, présenté comme le premier instrument modulaire multiport qui peut effectuer à la fois une analyse de réseau et des mesures de signaux modulés. Cela permet aux concepteurs d’effectuer des mesures d’analyseur de réseau comme les paramètres S et le gain simultanément avec EVM et ACP.

Matt a souligné que lorsque les clients recherchent des analyseurs de réseau, les applications comme les mesures de RF pulsée, l’analyse de spectre et l’analyse du domaine temporel sont souvent aussi importantes pour eux que les paramètres S. Les gens considèrent les analyseurs de réseau comme des outils RF généraux, et pas seulement comme des machines à paramètres S, et les analyseurs de réseau de Keysight offrent des fonctionnalités telles que l’étalonnage guidé avec un module ECal et des assistants qui guident les mesures avancées.

Les analyseurs de réseau de Keysight couvrent toutes les applications, de la R&D à la fabrication, en passant par les tests sur le terrain, avec des facteurs de forme adaptés à chaque application respective. Les VNA USB pratiques et performants, les VNA multiport jusqu’à 50 ports et le FieldFox, appareil de poche robuste, apportent des performances partout où elles sont nécessaires. Presque toutes les industries voient les fréquences augmenter et les appareils s’intégrer davantage, c’est pourquoi Keysight fournit une couverture de fréquence jusqu’aux fréquences millimétriques ainsi que des applications de mesure flexibles pour chaque facteur de forme.

Les connexions sont importantes

Un lien, quel qu’il soit, n’est qu’aussi bon que ses connecteurs et son câble, et le test ne fait pas exception. Selon Steve Ellis, responsable de la gamme de produits chez Pasternack, leur dernière gamme de câbles de test VNA hautement flexibles répond à un large éventail d’applications de laboratoire et de test exigeantes (Fig. 8). Les caractéristiques comprennent une stabilité de phase de ±6° à 50 GHz, et de ±8° à 70 GHz avec la flexion, ainsi qu’un ROS de 1,3:1 à 50 GHz et de 1,4:1 à 70 GHz.

8 Les câbles de test VNA de Pasternack répondent à une large gamme d’applications de laboratoire et de test exigeantes.

Ces ensembles de 50 GHz sont terminés par des connecteurs de 2,4 mm, tandis que les ensembles de 70 GHz utilisent des connecteurs de 1,85 mm. L’armure tressée en acier inoxydable entourant le coaxial fournit un câble robuste mais flexible avec une durée de vie en flexion dépassant 100 000 cycles, et les câbles sont terminés par des connecteurs robustes en acier inoxydable qui fournissent jusqu’à 5 000 cycles d’accouplement lorsqu’ils sont fixés avec un soin approprié. Les versions 50 et 70 GHz sont proposées avec des connecteurs de style NMD, avec des options de connecteur à angle droit balayé de 2,4 et 1,85 mm.