Introduzione ai sistemi di comunicazione RF e wireless

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Nel mondo del test, della misurazione e della valutazione, l’analisi delle reti vettoriali (VNA) è tra le più importanti metodologie di misurazione RF e microonde. Offrendo una varietà di caratteristiche, da eccellenti caratteristiche RF a un’ampia varietà di funzioni di analisi, le ultime soluzioni VNA facilitano l’acquisizione e la valutazione di importanti parametri di prestazione. Ecco una panoramica di alcune delle ultime soluzioni, da parte delle persone delle aziende coinvolte.

Architetture avanzate

Il VNA ShockLine ME7868A a 2 porte di Anritsu è progettato con un’architettura avanzata che consente alle porte VNA sincronizzate in fase di essere fisicamente distribuite al di fuori di un singolo chassis. Questo permette alla strumentazione di essere situata presso il dispositivo in prova (DUT) piuttosto che legata ad una singola posizione (Fig. 1).

1. Il VNA ShockLine ME7868A a 2 porte consente alle porte VNA sincronizzate in fase di essere fisicamente distribuite al di fuori di un singolo chassis.

Secondo Stan Oda, Product Manager di ShockLine VNA, il ME7868A utilizza la tecnologia PhaseLync dell’azienda per sincronizzare due VNA ShockLine MS46131A a 1 porta. Ciò consente di effettuare misure di perdita di inserzione vettoriale tra i due VNA. PhaseLync supporta la sincronizzazione a più di 100 metri tra VNA a 1 porta, migliorando le prestazioni di misurazione dei parametri S a 2 porte su distanze paragonabili alle soluzioni VNA tradizionali. Product Manager, ha sottolineato che il sistema VNA a banda larga VectorStar ME7838G fornisce la caratterizzazione dei dispositivi on-wafer da 70 kHz a 220 GHz in un singolo sweep. Il sistema utilizza i moduli Nonlinear Transmission Line (NLTL) di Anritsu, che offrono prestazioni eccellenti con la migliore direttività grezza del settore, per fornire le migliori prestazioni di calibrazione e stabilità di misura della categoria (Fig. 2).

2. Il sistema VectorStar ME7838G a banda larga fornisce la caratterizzazione del dispositivo on-wafer da 70 kHz a 220 GHz in un singolo sweep.

Consente agli utenti di andare oltre i confini tradizionali in un singolo sweep senza la necessità di ricostruire la stazione di sonda wafer da un 110 GHz a bande di guida d’onda superiori. Anritsu ha anche recentemente introdotto l’opzione Universal Fixture Extraction (UFX) per VectorStar che soddisfa la necessità di estrazioni di dispositivi ad alta frequenza nelle misure di integrità del segnale.

Navneet Kataria, VectorStar VNA Product Manager, ha aggiunto che il sistema VNA optoelettronico ME7848A basato su VectorStar può caratterizzare dispositivi optoelettronici. Questi sistemi Optical Network Analyzer (ONA) combinano un VNA VectorStar, un convertitore E/O e un fotorivelatore di riferimento tracciabile NIST standard d’argento per effettuare misure E/O con tracciabilità NIST fino a 70 GHz, su dispositivi come fotorivelatori e modulatori/trasmettitori ottici.

Caratterizzazione dei dispositivi

I requisiti di caratterizzazione over-the-air (OTA) su distanze più lunghe per il 5G e i test su veicoli di grandi dimensioni stanno diventando sempre più una sfida per i VNA tradizionali, a causa dei lunghi cavi di interconnessione. Lo ShockLine ME7868A risponde a questo requisito spostando la porta del VNA verso il DUT, eliminando i cavi e migliorando la stabilità di misura e la gamma dinamica.

Le misure on-wafer devono spaziare nelle frequenze mmWave superiori per un’accurata caratterizzazione dei dispositivi. Quando si sviluppano questi sistemi, è importante caratterizzare i dispositivi su una gamma di frequenza molto più ampia, da quasi-DC a ben oltre la frequenza operativa. Per esempio, gli amplificatori progettati per applicazioni come 802.11ad dovrebbero essere spazzati ben oltre i 60 GHz nelle regioni mmWave – idealmente oltre i 180 GHz – per includere il test della terza armonica.

Per soddisfare i requisiti di larghezza di banda dei dispositivi di prossima generazione, si stanno sviluppando tecnologie che richiedono l’uso di frequenze estremamente alte. Una di queste tecnologie è l’optoelettronica, che offre un’enorme larghezza di banda, bassa latenza ed è commercialmente fattibile. La richiesta di testare con precisione questi dispositivi opto-elettronici è oggi una grande sfida. La soluzione ONA di Anritsu fornisce misure accurate e precise con tracciabilità NIST di questi dispositivi optoelettronici.

I VNA continuano ad essere utilizzati in molte applicazioni diverse, dalla caratterizzazione dei dispositivi alla misurazione dei materiali. La necessità di eseguire accurate misurazioni mmWave ben oltre i 110 GHz è una tendenza chiave. Si prevede che la rete cellulare 6G di prossima generazione andrà oltre le frequenze radio della banda D a 170 GHz ed entrerà nelle regioni a 325 GHz, per continuare ad espandere le capacità di gestione dei dati.

Caratterizzazione di dispositivi attivi e passivi

Quando si tratta di affrontare spazi di applicazione specifici, Stan Oda ci ha detto che i VNA ShockLine sono ben adattati per la produzione e il test di componenti passivi. Con VNA a 1, 2 e 4 porte in una varietà di pacchetti che coprono frequenze da 50 kHz a 92 GHz, la famiglia di VNA ShockLine copre un’ampia gamma di applicazioni. Navneet Kataria ha aggiunto che il VectorStar VNA copre tutti i principali mercati target, vale a dire la caratterizzazione di dispositivi attivi e passivi.

La caratterizzazione di dispositivi optoelettronici è un’altra area target per i sistemi ONA basati su VectorStar di Anritsu. Aggiornabilità, flessibilità e tracciabilità NIST nei risultati di misura sono alcune delle offerte uniche che aiutano i nostri clienti. Le capacità di misurazione dei materiali per vari tipi di materiali che coprono le frequenze fino a 1,1 THz è un’altra applicazione per VectorStar.

I VNA ShockLine utilizzano la tecnologia brevettata NLTL di Anritsu per ottenere una capacità VNA ad alta frequenza efficiente in termini di costi e spazio. In futuro, ci aspettiamo di continuare a utilizzare questa tecnologia collaudata per aumentare le capacità di test nella famiglia ShockLine. VectorStar utilizza anche la tecnologia di campionamento NLTL per un’accurata analisi VNA ad alta frequenza fino a 70 GHz in banda base e 110, 125, 145 e 220 GHz in banda larga. Il prossimo passo nella linea di analisi a banda larga è la capacità di eseguire misure differenziali fino a 220 GHz per un’analisi differenziale ottimale.

La posizione di Anritsu è che i VNA continueranno a giocare un ruolo chiave nel 5G, nell’automotive e nella caratterizzazione OTA generale di tutti i dispositivi, dal piccolo UE ai grandi veicoli. Poiché le frequenze continuano ad aumentare e a consolidarsi on-wafer, la necessità di eseguire calibrazioni accurate in-situ così come la capacità di de-embed accuratamente i dispositivi di prova e i percorsi di trasmissione on-wafer continuerà ad aumentare.

Misurazione non invasiva della stabilità

Quando abbiamo contattato Charles Hymowitz, il VP delle vendite & Marketing di Picotest, ha parlato della loro misurazione non invasiva della stabilità, basata su un software proprietario che utilizza un algoritmo matematico creato da Steve Sandler. Tuttavia, l’azienda lo ha portato su molti VNA, senza alcun costo, e sta cercando di farlo aggiungere al maggior numero possibile. NISM permette all’utente di ottenere il margine di fase da una misura di impedenza di uscita.

Molti circuiti integrati di alimentazione sono fissi, e non hanno i loro cicli di controllo disponibili per i diagrammi di Bode, e molti regolatori hanno più cicli interni. In alcuni casi, i regolatori sono diventati così piccoli che rompere il loop è diventato impraticabile. A parte la prova di carico a gradini, che in realtà non fornisce un numero di margine di fase, non ci sono altri modi per ottenere la stabilità dell’anello di controllo di un tale regolatore se non usando NISM.

Per esempio, NISM è incluso nell’OMICRON Lab Bode 100 (Fig. 3), come software add-on per il Keysight E5061B/E5071C, così come il Rohde ZNL/ZNLE e la linea di VNA Copper Mountain CMT. Altre porte sono in lavorazione.

3. Dispositivi come l’OMICRON Lab Bode 100 includono la tecnologia Picotest Non-Invasive Stability Measurement.

Tutte le sonde e gli iniettori di segnale Picotest possono essere utilizzati con qualsiasi VNA, permettendo ai DUT di essere collegati al VNA per varie misurazioni (Fig. 4). La maggior parte di questi iniettori (oltre agli elementi relativi al Bode plot) sono proprietari e non disponibili presso altri produttori di VNA. I vari iniettori di linea, come il J2102B, offrono il cavo PDN e supportano il PSRR e la misurazione dell’impedenza a 2 porte. Lo splitter attivo J2161A è unico e può trasformare un oscilloscopio in un VNA.

4. Tutte le sonde e gli iniettori di segnale Picotest possono essere utilizzati con qualsiasi VNA. Lo splitter attivo a banda larga a 2 vie J2161A di Picotest, insieme al trasformatore di modo comune J2102B, può essere utilizzato per trasformare molti oscilloscopi più recenti in VNA con la stessa o maggiore larghezza di banda e sensibilità dei VNA dedicati.

Sfide

La misurazione dell’impedenza a due porte è attualmente il gold standard per la misurazione della bassa impedenza, con l’integrità della potenza e l’impedenza PDN (rete di distribuzione della potenza) un enorme problema di progettazione e prestazioni. Oltre alla simulazione, la misurazione è essenziale per comprendere, delimitare e progettare buone PDN.

Per misurare le impedenze basse e ultra-basse, Picotest ha creato una serie di accessori essenziali per una misurazione accurata, tra cui i ground loop breaker J2102B/J2113A (essenziali per rimuovere l’errore di gruppo inerente alla misurazione) e il cavo PDN flessibile, ultrasottile e a bassa dispersione (Fig. 5).

5. Il cavo PDN flessibile, ultrasottile e a bassa perdita di schermo permette misurazioni accurate.

E’ fondamentale quando si misurano le impedenze PDN in milliohm e microhm che le fonti di errore di misurazione siano domate, e questi prodotti lo fanno. Inoltre, Picotest introdurrà un sostituto alla sua attuale sonda a 2 porte che sarà una vera sonda portatile a 4 porte BROWSER in grado di misurare l’impedenza del piano di alimentazione in milli-ohm. La connessione al DUT, specialmente su PCB densi, è un aspetto impegnativo della misurazione dell’impedenza PDN e la nuova sonda Picotest P2102A a 2 porte faciliterà notevolmente questa barriera.

Tendenze

La tendenza degli oscilloscopi a incorporare capacità VNA è significativa e può avere un impatto drammatico sulle vendite degli strumenti VNA tradizionali, specialmente quando i fornitori di oscilloscopi incorporano interfacce sempre migliori. Una delle aree più importanti attualmente per i VNA è la misurazione dell’integrità di potenza/impedenza PDN.

Specificamente, la misurazione a due porte dell’impedenza del power rail sta diventando criticamente importante per quasi tutti i sistemi. Questo include gli alimentatori per circuiti digitali ad alta velocità o RF. Tradizionalmente, le sonde di alimentazione sono state utilizzate per misurare il rumore nel dominio del tempo, ma questo è inaccettabile, in quanto non delimita le possibili escursioni di tensione che possono verificarsi sulla linea.

L’impedenza può definire lo stato della linea di alimentazione e i possibili problemi di prestazioni. Inoltre, la banda di frequenza di interesse è da bassa frequenza (10s di Hz) a molti GHz, rendendo la misura sia impegnativa che il dominio del VNA. L’azienda prevede anche di introdurre una serie di sonde a 1 e 2 porte che aiuteranno gli utenti VNA a connettersi ai loro DUT.

Strumenti potenti e flessibili

L’esplosione dei sistemi cloud-enabled e le infrastrutture basate su RF ha messo una pressione enorme sugli ingegneri che servono lo spazio wireless. Abbiamo raggiunto Rich Pieciak, product manager per gli analizzatori di rete vettoriali alla Rohde & Schwarz USA, e abbiamo chiesto cosa sta mettendo in campo l’azienda per affrontare questi problemi. Ci ha detto che le più recenti piattaforme di analizzatori di reti vettoriali della Rohde & Schwarz sono la famiglia R&S ZNA, e la piattaforma R&S ZNBT40, che ha ampliato le sue soluzioni multiporta a 40 GHz, con un massimo di 24 porte (Fig. 6).

6. La piattaforma R&S ZNBT40 offre soluzioni multiporta fino a 40 GHz, con un massimo di 24 porte.

La famiglia R&S ZNA di analizzatori di rete vettoriali ad alte prestazioni si rivolge ad aree di applicazione in evoluzione con la loro architettura hardware sofisticata e flessibile. Le caratteristiche RF della famiglia R&S ZNA sono evidenziate dalla sensibilità, dalla gamma di potenza di sweep e dalla linearità, aumentate da una nuova architettura hardware con quattro sorgenti interne a coerenza di fase, due oscillatori locali interni e otto ricevitori per un alto livello di versatilità di misurazione.

Anche le applicazioni digitali ad alta velocità sono state ampliate in queste due famiglie di strumenti, (allo stesso modo le famiglie R&S ZNB e R&S ZND), con l’introduzione di nuove soluzioni di de-embedding che danno ai clienti la possibilità di valutare e utilizzare più facilmente le soluzioni accettate dall’industria per caratterizzare le strutture digitali ad alta velocità che supportano gamme di frequenza sempre più ampie.

Stare al passo con l’applicazione

I progressi tecnologici nelle applicazioni wireless e aerospaziali &di difesa continuano a indirizzare gli assemblaggi integrati che contengono un numero elevato di porte, a causa di funzioni avanzate come il beamforming, le architetture di antenna integrate e velocità di trasmissione dati digitali sempre più elevate. Tutti questi sforzi di integrazione stanno costringendo nuovi approcci alle convalide delle prestazioni.

L’architettura degli strumenti di prova deve evolversi per fornire la necessaria comprensione delle prestazioni del dispositivo in prova. L’architettura R&S ZNA, per esempio, può ora misurare le caratteristiche di campo vicino di un gruppo antenna con un LO integrato grazie ai suoi sintetizzatori interni multipli e doppi oscillatori locali, accoppiati alla sua architettura di ricevitore digitale duale.

6G e altre ricerche di applicazioni nello spazio mmWave stanno ponendo maggiore enfasi sull’estensione delle misure VNA tradizionali in aree di frequenza fino a 300 GHz e oltre. L’architettura versatile del VNA è fondamentale per una corretta caratterizzazione del componente o dell’ambiente del canale corrispondente.

Riguardo alle applicazioni

I progetti digitali ad alta velocità continuano ad assumere importanza e soprattutto nelle aree di integrità del segnale. La proliferazione di diversi standard e i corrispondenti layout delle schede richiedono nuovi modi di sondare e analizzare i segnali nel dominio della frequenza e del tempo. Rohde & Schwarz ha recentemente introdotto strumenti per valutare meglio le prestazioni dei progetti e isolare le loro prestazioni da fonti esterne come connettori, cavi, sonde, ecc.

Nuove opzioni che affrontano le tecniche di de-embedding basate sullo standard P370, Smart Fixture De-embedding di Packet Micro e In Situ De-Embedding di AtaiTec sono ora supportate come opzioni nelle famiglie R&S ZNA, R&S ZNB, R&S ZNBT e R&S ZND per consentire ai clienti di valutare le tecniche più appropriate da utilizzare per le loro applicazioni individuali.

È ora disponibile anche un’opzione per la caratterizzazione di PCB Delta-L. Le misure di conversione di frequenza sono un’altra area di misura fondamentale estremamente adatta allo ZNA R&S, grazie alla sua architettura di sintetizzatori multipli e alle tecniche di misura come quelle destinate ai sottoinsiemi con oscillatori locali incorporati.

I sintetizzatori DDS nello ZNA R&S sono la base per quattro fonti coerenti e ripetibili in fase. L’utente può definire l’ampiezza e la differenza di fase tra quattro segnali per applicazioni come il beamforming o la simulazione dell’obiettivo. Le applicazioni mmWave e i continui progressi nei gruppi integrati richiedono un continuo avanzamento nella strategia di test. Le piattaforme di test devono evolversi di conseguenza sia nell’architettura che nella scienza di misurazione corrispondente.

Un paesaggio che cambia

Gli analizzatori di rete caratterizzano i componenti elettronici in quasi tutti i settori. Mentre la loro versatilità è cresciuta, l’architettura di base degli analizzatori di rete è rimasta in gran parte invariata negli ultimi decenni. Le moderne tecnologie con frequenze più elevate e larghezze di banda, come il 5G, spingono i limiti degli analizzatori di rete attuali e creano nuove sfide per gli ingegneri che misurano i dispositivi multicanale.

Matt Campbell, ingegnere di marketing dei prodotti presso Keysight Technologies, ha sottolineato che le fonti degli analizzatori di rete tradizionalmente non dovevano essere molto accurate, in quanto le discontinuità potevano essere semplicemente eliminate dalle misure. Tuttavia, le prestazioni della sorgente possono avere un impatto più significativo sulle misure complesse a banda larga e non lineari di oggi.

Per far fronte a questo, Keysight ha abilitato i suoi analizzatori di rete PNA e PNA-X con la stessa sorgente di segnale dei suoi generatori di segnale di fascia alta. Presentato come avente il più basso rumore di fase disponibile, gli ingegneri possono eseguire rapidamente misure come EVM, misure di convertitori con fase, e analisi di rete non lineare con fiducia nei risultati (Fig. 7).

7. Analizzatore di rete mcrowave N5245B PNA-X di Keysight.

Per aiutare con il test di produzione 5G, Keysight ha introdotto il loro analizzatore di componenti vettoriali, presentato come il primo strumento modulare multiport che può eseguire sia l’analisi della rete che le misure del segnale modulato. Questo permette ai progettisti di eseguire misure di analizzatori di rete come i parametri S e il guadagno simultaneamente con EVM e ACP.

Matt ha sottolineato che quando i clienti cercano gli analizzatori di rete, applicazioni come le misure pulsate-RF, l’analisi dello spettro e l’analisi nel dominio del tempo sono spesso importanti per loro quanto i parametri S. Le persone pensano agli analizzatori di rete come strumenti RF generali, non solo come macchine S-parametro, e gli analizzatori di rete di Keysight offrono caratteristiche come la calibrazione guidata con un modulo ECal e procedure guidate che guidano attraverso misure avanzate.

Gli analizzatori di rete di Keysight coprono ogni applicazione, dalla R&D alla produzione, alla prova sul campo con fattori di forma su misura per ogni rispettiva applicazione. Comodi e capaci VNA USB, VNA multiporta fino a 50 porte e il robusto palmare FieldFox, portano le prestazioni ovunque siano necessarie. Quasi tutti i settori vedono aumentare le frequenze e i dispositivi diventano più integrati, quindi Keysight fornisce una copertura di frequenza fino alle frequenze millimetriche, nonché applicazioni di misurazione flessibili per ogni fattore di forma.

Le connessioni sono importanti

Un collegamento di qualsiasi tipo è buono solo quanto i suoi connettori e cavi, e i test non fanno eccezione. Secondo Steve Ellis, Product Line Manager della Pasternack, la loro ultima linea di cavi di test VNA altamente flessibili si rivolge ad una vasta gamma di applicazioni di laboratorio e di test impegnativi (Fig. 8). Le caratteristiche includono una stabilità di fase di ±6° a 50 GHz, e ±8° a 70 GHz con flessione, così come un VSWR di 1,3:1 a 50 GHz e 1,4:1 a 70 GHz.

8. I cavi di prova VNA di Pasternack si rivolgono a una vasta gamma di applicazioni di laboratorio e di prova impegnative.

Questi gruppi a 50 GHz sono terminati con connettori da 2,4 mm, mentre i gruppi a 70 GHz utilizzano connettori da 1,85 mm. L’armatura intrecciata in acciaio inossidabile che circonda il coassiale fornisce un cavo robusto ma flessibile con una vita di flessione superiore a 100.000 cicli, e i cavi sono terminati con robusti connettori in acciaio inossidabile che forniscono fino a 5.000 cicli di accoppiamento se fissati con cura. Entrambe le versioni a 50 e 70 GHz sono offerte con connettori stile NMD, con opzioni di connettore ad angolo retto spazzato da 2,4 e 1,85 mm.