Dit artikel is verschenen in Evaluation Engineering en is hier gepubliceerd met toestemming.
Download dit artikel in PDF-formaat.
In de wereld van testen, meten en evalueren behoort de vector network analysis (VNA) tot de belangrijkste RF- en microgolfmeetmethodologieën. De nieuwste VNA-oplossingen bieden een scala aan functies, van uitstekende RF-karakteristieken tot een grote verscheidenheid aan analysefuncties, en vergemakkelijken het vastleggen en evalueren van belangrijke prestatieparameters. Hier volgt een overzicht van enkele van de nieuwste oplossingen, door de mensen van de betrokken bedrijven.
Advanced Architectures
De ShockLine ME7868A 2-poorts VNA van Anritsu is ontworpen met een geavanceerde architectuur die het mogelijk maakt dat de fase-gesynchroniseerde VNA-poorten fysiek buiten een enkel chassis kunnen worden verdeeld. Hierdoor kan het instrumentarium bij het te testen apparaat (DUT) worden geplaatst in plaats van gebonden te zijn aan één enkele locatie (Fig. 1).
1. De ShockLine ME7868A 2-poorts VNA maakt het mogelijk om fase gesynchroniseerde VNA-poorten fysiek te distribueren buiten een enkel chassis.
Volgens Stan Oda, ShockLine VNA Product Manager, maakt de ME7868A gebruik van de PhaseLync-technologie van het bedrijf om twee ShockLine MS46131A 1-poorts VNA’s te synchroniseren. Dit maakt vector insertion loss metingen tussen de twee VNA’s mogelijk. PhaseLync ondersteunt synchronisatie op meer dan 100 meter tussen 1-poorts VNA’s, waardoor de S-parameter meetprestaties van 2-poorts over afstanden vergelijkbaar met die van traditionele VNA-oplossingen worden verbeterd.
Steve Reyes, Sr. Product Manager, wees erop dat het VectorStar ME7838G breedband VNA-systeem on-wafer apparaatkarakterisering biedt van 70 kHz tot 220 GHz in een enkele sweep. Het systeem maakt gebruik van Anritsu’s niet-lineaire transmissielijn (NLTL)-modules, die uitstekende prestaties leveren met de beste ruwe directiviteit in de industrie, om de beste kalibratieprestaties en meetstabiliteit in zijn klasse te bieden (fig. 2).
2. Het VectorStar ME7838G breedband VNA-systeem biedt on-wafer device-karakterisering van 70 kHz tot 220 GHz in één enkele sweep.
Het stelt gebruikers in staat om de traditionele grenzen te overschrijden in één enkele sweep zonder de noodzaak om het wafer probe station om te bouwen van een 110 GHz tot hogere golfgeleiderbanden. Anritsu heeft onlangs ook de Universal Fixture Extraction optie (UFX) voor VectorStar geïntroduceerd, die de behoefte aan hoogfrequente armatuurextracties bij signaalintegriteitsmetingen vervult.
Navneet Kataria, VectorStar VNA Product Manager, voegde eraan toe dat het op VectorStar gebaseerde ME7848A Opto-electronic VNA systeem opto-elektronische apparaten kan karakteriseren. Deze Optical Network Analyzer (ONA) systemen combineren een VectorStar VNA, E/O convertor, en een zilver-standaard NIST herleidbare referentie fotodetector om E/O metingen te doen met NIST herleidbaarheid tot 70 GHz, op apparaten zoals fotodetectoren en optische modulatoren/transmitters.
Device Characterization
Over-the-air (OTA) karakterisatievereisten over langere afstanden voor 5G en het testen van grote voertuigen worden een steeds grotere uitdaging voor traditionele VNA’s, als gevolg van lange interconnectiekabels. De ShockLine ME7868A komt aan deze eis tegemoet door de VNA-poort naar de DUT te verplaatsen, de kabels te elimineren en de meetstabiliteit en het dynamisch bereik te verbeteren.
On-wafer metingen moeten zich uitstrekken tot in de hogere mmWave frequenties voor nauwkeurige apparaatkarakterisering. Bij de ontwikkeling van deze systemen, is het belangrijk om de apparaten te karakteriseren over een veel breder frequentiebereik, van de buurt van DC tot ver buiten de werkfrequentie. Versterkers die zijn ontworpen voor toepassingen als 802.11ad moeten bijvoorbeeld tot ver voorbij 60 GHz in de mmWave-gebieden worden gescand – bij voorkeur tot voorbij 180 GHz – om ook 3e-harmonische tests te kunnen uitvoeren.
Om aan de bandbreedte-eisen voor apparaten van de volgende generatie te voldoen, worden technologieën ontwikkeld die het gebruik van extreem hoge frequenties vereisen. Een van deze technologieën is de opto-elektronica, die een enorme bandbreedte en een lage latentie biedt en commercieel levensvatbaar is. De vraag naar het nauwkeurig testen van deze opto-elektronische apparaten is vandaag de dag een grote uitdaging. De ONA-oplossing van Anritsu biedt nauwkeurige en precieze metingen met NIST-herleidbaarheid van deze opto-elektronische apparaten.
VNA’s worden nog steeds gebruikt in veel uiteenlopende toepassingen, van apparaatkarakterisering tot materiaalmeting. De behoefte aan nauwkeurige mmWave-metingen tot ver voorbij 110 GHz is een belangrijke trend. Het volgende generatie 6G cellulaire netwerk zal naar verwachting verder gaan dan de 170 GHz D-band radiofrequenties en de 325 GHz regio’s betreden, om de dataverwerkingsmogelijkheden verder uit te breiden.
Actieve en passieve apparaatkarakterisering
Als het gaat om het aanpakken van specifieke toepassingsgebieden, vertelde Stan Oda ons dat ShockLine VNA’s zeer geschikt zijn voor het testen van productie- en passieve componenten. Met VNA’s met 1, 2 en 4 poorten in verschillende pakketten voor frequenties van 50 kHz tot 92 GHz dekt de ShockLine familie van VNA’s een brede waaier van toepassingen. Navneet Kataria voegde eraan toe dat de VectorStar VNA alle belangrijke doelmarkten dekt, namelijk actieve en passieve apparaatkarakterisatie.
Opto-elektronische apparaatkarakterisatie is een ander doelgebied voor Anritsu’s VectorStar-gebaseerde ONA-systemen. Upgrademogelijkheden, flexibiliteit en NIST-traceerbaarheid in meetresultaten zijn enkele van de unieke aanbiedingen die onze klanten helpen. Mogelijkheden voor materiaalmetingen voor verschillende materiaalsoorten met frequenties tot 1,1 THz is een andere toepassing voor VectorStar.
ShockLine VNA’s maken gebruik van Anritsu’s gepatenteerde NLTL technologie om kosten- en ruimtebesparende hoogfrequente VNA-capaciteit te bereiken. In de toekomst verwachten wij deze bewezen technologie te blijven gebruiken om de testmogelijkheden in de ShockLine familie te vergroten. VectorStar gebruikt ook NLTL sampler technologie voor nauwkeurige, hoog-frequente VNA analyses tot 70 GHz baseband en 110, 125, 145, en 220 GHz breedband. De volgende stap in de lijn van breedbandanalyse is de mogelijkheid om differentiële metingen uit te voeren tot 220 GHz voor optimale differentiële analyse.
Anritsu’s standpunt is dat VNA’s een sleutelrol zullen blijven spelen in 5G, automotive en algemene OTA-karakterisering van alle apparaten, van kleine UE tot grote voertuigen. Naarmate frequenties blijven stijgen en on-wafer consolideren, zal de behoefte om nauwkeurige kalibraties in-situ uit te voeren, evenals het vermogen om testinrichtingen en on-wafer-transmissiepaden nauwkeurig te de-embedden, blijven toenemen.
Non-Invasive Stability Measurement
Toen wij Charles Hymowitz, de VP van Verkoop & Marketing bij Picotest contacteerden, bracht hij hun Non-Invasive Stability Measurement ter sprake, die op een merkgebonden stuk van software met behulp van een wiskundig algoritme wordt gebaseerd dat door Steve Sandler wordt gecreërd. Het bedrijf heeft het echter gratis overgezet naar veel VNA’s en probeert het aan zoveel mogelijk VNA’s toe te voegen. Met NISM kan de gebruiker de fasemarge uit een uitgangsimpedantiemeting halen.
Veel IC’s voor voedingen zijn vast, en hebben hun regelkringen niet beschikbaar voor Bode-plots, en veel regulatoren hebben meerdere interne lussen. In sommige gevallen, zijn de regelgevers zo klein geworden dat het breken van de lijn onpraktisch is geworden. Afgezien van het testen van de stapbelasting, wat echt geen fasemarge oplevert, zijn er geen andere manieren om de stabiliteit van de regelkring van een dergelijke regelaar te bepalen dan met behulp van NISM.
NISM wordt bijvoorbeeld meegeleverd met de OMICRON Lab Bode 100 (Fig. 3), als een software add-on voor de Keysight E5061B/E5071C, evenals de Rohde ZNL/ZNLE, en de lijn van Copper Mountain CMT VNA’s. Andere poorten zijn in de maak.
3. Apparaten zoals de OMICRON Lab Bode 100 bevatten Picotest’s niet-invasieve stabiliteitsmeettechnologie.
Alle Picotest-probes en signaalinjectoren kunnen worden gebruikt met elke VNA, zodat DUT’s op de VNA kunnen worden aangesloten voor diverse metingen (Fig. 4). De meeste van deze injectoren (behalve de Bode plot gerelateerde items) zijn eigendom van Picotest, en niet verkrijgbaar bij andere VNA-fabrikanten. De diverse Line-injectoren, zoals de J2102B, bieden PDN-kabel en ondersteunen PSRR- en 2-poorts impedantiemetingen. De J2161A actieve splitter is uniek en kan van een oscilloscoop een VNA maken.
4. Alle probes en signaalinjectoren van Picotest kunnen worden gebruikt met elke VNA.
Veel nieuwe oscilloscopen kunnen worden gebruikt als VNA’s. Picotests J2161A 2-weg Wideband Active Splitter kan, samen met hun J2102B Common Mode Transformer, worden gebruikt om veel nieuwere scopen om te zetten in VNA’s met dezelfde of grotere bandbreedte en gevoeligheid als speciale VNA’s.
Challenges
Tweepoorts impedantiemeting is momenteel de gouden standaard voor laag-impedantiemetingen, waarbij de vermogensintegriteit en PDN (power distribution network) impedantie een groot ontwerp- en prestatieprobleem vormen. Naast simulatie is meting essentieel voor het begrijpen, begrenzen en ontwerpen van goede PDN’s.
Om lage en ultralage impedanties te kunnen meten, heeft Picotest een aantal accessoires ontwikkeld die essentieel zijn voor nauwkeurige metingen, waaronder de J2102B/J2113A aardlusonderbrekers (essentieel voor het verwijderen van de inherente groeplusfout in de meting) en ultradunne, flexibele PDN-kabel met laag schildverlies (Fig. 5).
5. Een ultradunne, flexibele PDN-kabel met laag schildverlies maakt nauwkeurige metingen mogelijk.
Bij het meten van milliohm en microhm PDN-impedantie is het van cruciaal belang dat de bronnen van meetfouten worden getemd, en deze producten doen dat. Bovendien zal Picotest een vervanger introduceren voor zijn huidige 2-poorts probe, een echte 4-poorts handheld BROWSER probe die in staat is milli-ohm spanningsvlakimpedantie te meten. Verbinding met de DUT, vooral op dichte PCB’s is een uitdagend aspect van PDN impedantiemeting en de nieuwe Picotest P2102A 2-poorts probe gaat deze barrière sterk verkleinen.
Trends
De trend voor oscilloscopen om VNA-mogelijkheden op te nemen is aanzienlijk, en een die de verkoop van traditionele VNA-instrumenten drastisch kan beïnvloeden, vooral omdat scope-leveranciers meer en betere interfaces inbouwen. Een van de belangrijkste gebieden voor VNA’s is momenteel de vermogensintegriteit/PDN-impedantiemetingen.
Met name de meting van de impedantie van de stroomrail over twee poorten wordt van cruciaal belang voor bijna alle systemen. Dit omvat voedingen voor digitale hogesnelheids- of RF-schakelingen. Traditioneel werden stroomrailprobes gebruikt om tijddomeinruis te meten, maar dit is onaanvaardbaar, omdat het niet de mogelijke spanningsuitbarstingen begrenst die op de rail kunnen voorkomen.
Impedantie kan de toestand van de stroomrail en mogelijke prestatieproblemen bepalen. Bovendien is de frequentieband van belang van lage frequentie (10s van Hz) tot vele GHz, waardoor de meting zowel een uitdaging als het domein van de VNA wordt. Het bedrijf is ook van plan om een serie 1- en 2-poortsondes te introduceren die VNA-gebruikers zullen helpen om verbinding te maken met hun DUTs.
Powerful and Flexible Tools
De explosie van cloud-enabled systemen en de RF-gebaseerde infrastructuren heeft een enorme druk gelegd op ingenieurs die de draadloze ruimte bedienen. We namen contact op met Rich Pieciak, productmanager voor vector netwerk analyzers bij Rohde & Schwarz USA, en vroegen wat het bedrijf doet om deze problemen aan te pakken. Hij vertelde ons dat de meest recente vector network analyzer-platforms van Rohde & Schwarz de R&S ZNA-familie zijn, en het R&S ZNBT40-platform, dat zijn multipoort-oplossingen heeft uitgebreid tot 40 GHz, met maximaal 24 poorten (Fig. 6).
6. Het R&S ZNBT40-platform biedt multipoort-oplossingen tot 40 GHz, met maximaal 24 poorten.
De R&S ZNA-familie van krachtige vectornetwerkanalysatoren richt zich op evoluerende toepassingsgebieden met hun geavanceerde en flexibele hardware-architectuur. De RF-karakteristieken van de R&S ZNA-serie worden gekenmerkt door gevoeligheid, power sweep-bereik en lineariteit, aangevuld met een nieuwe hardware-architectuur met vier interne fase-coherente bronnen, twee interne lokale oscillatoren, en acht ontvangers voor een hoog niveau van meetveelzijdigheid.
High-speed digitale toepassingen zijn ook uitgebreid in deze twee instrumentfamilies, (eveneens de R&S ZNB en R&S ZND families), met de introductie van nieuwe de-embedding oplossingen die klanten de mogelijkheid geven om gemakkelijker industrie-erkende oplossingen te evalueren en te gebruiken om high-speed digitale ontwerpstructuren te karakteriseren die steeds grotere frequentiebereiken ondersteunen.
Het vooruit blijven lopen op de toepassing
Technologische vooruitgang in draadloze en ruimtevaart & defensietoepassingen blijven geïntegreerde assemblages aanpakken die hoge poorttellingen bevatten, als gevolg van geavanceerde functies zoals beamforming, geïntegreerde antenne-architecturen, en steeds hogere digitale datatransmissiesnelheden. Al deze integratie-inspanningen dwingen tot nieuwe benaderingen van prestatievalidaties.
De architectuur van testinstrumenten moet evolueren om het noodzakelijke inzicht te verschaffen in de prestaties van het apparaat dat wordt getest. De R&S ZNA-architectuur kan nu bijvoorbeeld de nabije-veldkarakteristieken van een antenneassemblage met een geïntegreerde LO meten dankzij zijn meervoudige interne synthesizers en dubbele lokale oscillatoren, gekoppeld aan zijn dubbele digitale ontvangerarchitectuur.
6G en ander onderzoek naar toepassingen in de mmWave-ruimte leggen steeds meer de nadruk op het uitbreiden van traditionele VNA-metingen naar frequentiegebieden tot 300 GHz en verder. Een veelzijdige VNA-architectuur is van het grootste belang voor een goede karakterisering van de component of de bijbehorende kanaalomgeving.
Toepassingen
High-speed digitale ontwerpen blijven aan belang winnen, vooral op het gebied van signaalintegriteit. De proliferatie van verschillende normen en overeenkomstige bordlay-outs maken nieuwe manieren van sonderen en analyseren van signalen in zowel frequentie als tijddomeinen noodzakelijk. Rohde & Schwarz introduceerde onlangs tools om de prestaties van ontwerpen beter te evalueren en te isoleren van externe bronnen zoals connectoren, kabels, probes, etc.
Nieuwe opties voor de-embedding technieken gebaseerd op de P370 standaard, Smart Fixture De-embedding van Packet Micro, alsmede In Situ De-embedding van AtaiTec worden nu ondersteund als opties in de R&S ZNA, R&S ZNB, R&S ZNBT, en R&S ZND families om klanten in staat te stellen de meest geschikte technieken te evalueren voor hun individuele toepassingen.
Een optie voor Delta-L PCB-karakterisering is nu ook beschikbaar. Frequentieomzettende metingen zijn een ander kernmeetgebied dat uitermate geschikt is voor de R&S ZNA, vanwege de meervoudige synthesizerarchitectuur en meettechnieken zoals die zijn gericht op subassemblages met ingebedde lokale oscillatoren.
De DDS-synthesizers in de R&S ZNA vormen de basis voor vier fasecoherente en faseherhaalbare bronnen. De gebruiker kan de amplitude en het faseverschil tussen vier signalen definiëren voor toepassingen zoals beamforming of doelsimulatie. mmWave-toepassingen en voortdurende vooruitgang in geïntegreerde assemblages maken voortdurende vooruitgang in de teststrategie noodzakelijk. Testplatforms moeten dienovereenkomstig evolueren in zowel architectuur als overeenkomstige meetwetenschap.
Een veranderend landschap
Netwerkanalysatoren karakteriseren elektronische componenten in bijna elke industrie. Hoewel hun veelzijdigheid is gegroeid, is de kernarchitectuur van netwerkanalyzers de afgelopen decennia grotendeels ongewijzigd gebleven. Moderne technologieën met hogere frequenties en bredere bandbreedtes, zoals 5G, verleggen de grenzen van de huidige netwerkanalyzers en creëren nieuwe uitdagingen voor ingenieurs bij het meten van apparaten met meerdere kanalen.
Matt Campbell, Product Marketing Engineer bij Keysight Technologies, wees erop dat netwerkanalyzerbronnen van oudsher niet zeer nauwkeurig hoefden te zijn, omdat discontinuïteiten gewoon uit de metingen konden worden verrekend. De prestaties van de bron kunnen echter een grotere invloed hebben op de complexe breedband- en niet-lineaire metingen van vandaag.
Om dit te ondervangen heeft Keysight zijn PNA- en PNA-X-netwerkanalyzers uitgerust met dezelfde signaalbron als hun high-end signaalgeneratoren. Omdat ze de laagste faseruis hebben die verkrijgbaar is, kunnen technici snel metingen uitvoeren, zoals EVM, fasegewijze convertermetingen en niet-lineaire netwerkanalyses met vertrouwen in de resultaten (fig. 7).
7. De N5245B PNA-X mcrowave netwerkanalysator van Keysight.
Om te helpen bij 5G-productietests, introduceerde Keysight zijn vectorcomponentanalysator, die wordt gepresenteerd als het eerste modulaire multipoortinstrument dat zowel netwerkanalyses als metingen van gemoduleerde signalen kan uitvoeren. Dit stelt ontwerpers in staat om netwerkanalyzer-metingen zoals S-parameters en gain gelijktijdig uit te voeren met EVM en ACP.
Matt wees erop dat wanneer klanten op zoek zijn naar netwerkanalyzers, toepassingen zoals gepulseerde-RF-metingen, spectrumanalyse en tijddomeinanalyse vaak net zo belangrijk voor hen zijn als S-parameters. Mensen zien netwerkanalysatoren als algemene RF-instrumenten, niet alleen als S-parametermachines, en de netwerkanalysatoren van Keysight bieden functies zoals geleide kalibratie met een ECal-module en wizards die door geavanceerde metingen lopen.
De netwerkanalysatoren van Keysight bestrijken elke toepassing, van R&D tot fabricage, tot veldtest met vormfactoren die zijn afgestemd op elke respectieve toepassing. Handige en capabele USB VNA’s, multipoort VNA’s met maximaal 50 poorten, en de robuuste handheld FieldFox, brengen prestaties waar het nodig is. Bijna elke industrie ziet frequenties stijgen en apparaten worden meer geïntegreerd, dus Keysight biedt frequentiedekking tot in de millimeterfrequenties, evenals flexibele meettoepassingen voor elke vormfactor.
Verbindingen zijn belangrijk
Een verbinding van welke aard dan ook is slechts zo goed als zijn connectoren en kabel, en testen is daarop geen uitzondering. Volgens Steve Ellis, Product Line Manager bij Pasternack, is hun nieuwste lijn van zeer flexibele VNA-testkabels gericht op een breed scala van veeleisende laboratorium- en testtoepassingen (Fig. 8). Tot de kenmerken behoren een fasestabiliteit van ±6° op 50 GHz en ±8° op 70 GHz met buiging, evenals VSWR van 1,3:1 op 50 GHz en 1,4:1 op 70 GHz.
8. Pasternack’s VNA-testkabels zijn geschikt voor een breed scala van veeleisende laboratorium- en testtoepassingen.
Deze 50 GHz-samenstellingen zijn voorzien van 2,4 mm connectoren, terwijl de 70 GHz-samenstellingen gebruikmaken van 1,85 mm connectoren. De gevlochten roestvrijstalen bekleding rond de coax zorgt voor een robuuste maar flexibele kabel met een levensduur van meer dan 100.000 cycli, en de kabels worden afgesloten met robuuste roestvrijstalen connectoren die tot 5.000 paringscycli aankunnen als ze met de juiste zorg worden bevestigd. Zowel de 50 GHz als de 70 GHz versies worden aangeboden met NMD-stijl connectoren, met geveegde rechthoekige 2,4- en 1,85-mm connectoropties.
Geef een antwoord