Introdução a RF & Sistemas de Comunicação sem fio

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No mundo de teste, medição e avaliação, a análise de rede vetorial (VNA) está entre as mais importantes metodologias de medição de RF e microondas. Oferecendo uma variedade de características, desde excelentes características de RF até uma grande variedade de funções de análise, as últimas soluções de VNA facilitam a captura e avaliação de importantes parâmetros de desempenho. Aqui está uma visão geral de algumas das últimas soluções, pelas pessoas das empresas envolvidas.

Advanced Architectures

O VNA de 2 portas ShockLine ME7868A da Anritsu foi concebido com uma arquitectura avançada que permite a distribuição física das portas VNA sincronizadas de fase fora de um único chassis. Isto permite que a instrumentação seja localizada no dispositivo em teste (DUT) em vez de ser ligada a um único local (Fig. 1).

1. O VNA ShockLine ME7868A de 2 portas permite que as portas VNA sincronizadas de fase sejam fisicamente distribuídas fora de um único chassi.

De acordo com Stan Oda, Gerente de Produto VNA da ShockLine, o ME7868A usa a tecnologia PhaseLync da empresa para sincronizar dois VNA ShockLine MS46131A de 1 porta. Isso permite medições de perda por inserção vetorial entre os dois VNAs. O PhaseLync suporta sincronização a mais de 100 metros entre VNAs de 1 porta, melhorando o desempenho da medição de parâmetros S de 2 portas em distâncias comparáveis às soluções VNA tradicionais.

Steve Reyes, Sr. O gerente de produto, apontou o sistema VNA VectorStar ME7838G banda larga fornece caracterização de dispositivos on-wafer de 70 kHz a 220 GHz em uma única varredura. O sistema utiliza os módulos de Linha de Transmissão Não Linear da Anritsu (NLTL), que oferecem excelente desempenho com a melhor diretividade bruta da indústria, para fornecer o melhor desempenho de calibração e estabilidade de medição da categoria (Fig. 2).

2. O sistema VNA VectorStar ME7838G banda larga fornece caracterização de dispositivo on-wafer de 70 kHz a 220 GHz em uma única varredura.

Permite aos usuários ir além dos limites tradicionais em uma única varredura sem a necessidade de reconstruir a estação de sonda de wafer de 110 GHz para bandas de guia de onda mais altas. A Anritsu também introduziu recentemente a opção de Extração de Fixação Universal (UFX) para VectorStar que atende a necessidade de extrações de fixação de alta freqüência em medições de integridade de sinal.

Navneet Kataria, VectorStar VNA Product Manager, acrescentou que o sistema VNA Opto-eletrônico ME7848A baseado em VectorStar pode caracterizar dispositivos opto-eletrônicos. Estes sistemas de Analisador de Rede Óptico (ONA) combinam um VectorStar VNA, um conversor E/O e um fotodetector de referência NIST de padrão prateado para fazer medições E/O com rastreabilidade NIST até 70 GHz, em dispositivos como fotodetectores e moduladores/transmissores ópticos.

Caracterização do dispositivo

Requisitos de caracterização de OTA (over-the-air) em distâncias maiores para testes de 5G e veículos de grande porte estão se tornando mais um desafio para VNAs tradicionais, devido aos longos cabos de interconexão. O ShockLine ME7868A atende a essa exigência movendo a porta VNA para o DUT, eliminando os cabos e melhorando a estabilidade e o alcance dinâmico das medições.

On-wafer medidas precisam se estender para as freqüências superiores mmWave para uma caracterização precisa do dispositivo. Ao desenvolver esses sistemas, é importante caracterizar os dispositivos em uma faixa de frequência muito mais ampla, desde próximo a DUT até bem além da frequência de operação. Por exemplo, amplificadores projetados para aplicações como o 802.11ad devem ser varridos muito além de 60 GHz para as regiões mmWave – lateralmente além de 180 GHz – para incluir testes de 3ªHarmonic.

Para satisfazer os requisitos de largura de banda da próxima geração de dispositivos, estão sendo desenvolvidas tecnologias que requerem o uso de freqüências extremamente altas. Uma dessas tecnologias é a opto-electrónica, que oferece enorme largura de banda, baixa latência, e é comercialmente viável. A demanda para testar precisamente estes dispositivos opto-eletrônicos é hoje um grande desafio. A solução ONA da Anritsu fornece medições precisas e precisas com rastreabilidade NIST destes dispositivos opto-eletrônicos.

VNAs continuam a ser usados em muitas aplicações variadas, desde a caracterização de dispositivos até a medição de materiais. A necessidade de realizar medições precisas da mmWave muito além dos 110 GHz é uma tendência chave. A próxima geração da rede celular 6G deverá ir além das freqüências de rádio da banda D de 170 GHz e entrar nas regiões de 325 GHz, para continuar a expandir as capacidades de manuseio de dados.

Active and Passive Device Characterization

Quando se trata de endereçar espaços de aplicação específicos, Stan Oda nos disse que os VNAs da ShockLine são bem adequados para fabricação e testes passivos de componentes. Com VNAs de 1, 2 e 4 portas em uma variedade de pacotes cobrindo freqüências de 50 kHz a 92 GHz, a família ShockLine de VNAs cobre uma ampla gama de aplicações. Navneet Kataria acrescentou que o VNA VectorStar cobre todos os principais mercados alvo, nomeadamente a caracterização de dispositivos activos e passivos.

A caracterização de dispositivos opto-electrónicos é outra área alvo dos sistemas ONA baseados em VectorStar da Anritsu. Atualizabilidade, flexibilidade e rastreabilidade NIST nos resultados de medição são algumas das ofertas exclusivas que ajudam nossos clientes. A capacidade de medição de materiais para vários tipos de materiais cobrindo frequências de até 1,1 THz é outra aplicação para VectorStar.

ShockLine VNAs usam a tecnologia patenteada NLTL da Anritsu para alcançar a capacidade de VNA de alta frequência de custo e espaço eficiente. No futuro, esperamos continuar usando esta tecnologia comprovada para aumentar as capacidades de teste na família ShockLine. A VectorStar também usa a tecnologia de amostragem NLTL para análises VNA precisas e de alta freqüência de até 70 GHz de banda base e banda larga de 110, 125, 145 e 220 GHz. O próximo passo na linha de análise de banda larga é a capacidade de realizar medições diferenciais de até 220 GHz para uma análise diferencial ideal.

Anritsu é que os VNAs continuarão a desempenhar um papel fundamental na caracterização 5G, automotiva e geral de OTA de todos os dispositivos, desde pequenos UE até grandes veículos. Como as freqüências continuam a aumentar e consolidar na pastilha, a necessidade de realizar calibrações precisas in-situ, bem como a capacidade de desencaixar com precisão os dispositivos de teste e os caminhos de transmissão na pastilha continuarão a aumentar.

Medição da Estabilidade Não-Invasiva

Quando contatamos Charles Hymowitz, VP de Vendas & Marketing na Picotest, ele mencionou a Medição da Estabilidade Não-Invasiva, baseada em um software proprietário usando um algoritmo matemático criado por Steve Sandler. No entanto, a empresa portou-a para muitos VNAs, sem custos, e está a tentar adicioná-la ao maior número possível de VNAs. NISM permite ao usuário obter a margem de fase a partir de uma medida de impedância de saída.

Muitos ICs de fonte de alimentação são fixos, e não têm seus loops de controle disponíveis para gráficos de Bode, e muitos reguladores têm múltiplos loops internos. Em alguns casos, os reguladores se tornaram tão pequenos que quebrar o loop se tornou impraticável. Além do teste de carga por passos, que realmente não fornece um número de margem de fase, não há outras maneiras de obter a estabilidade do loop de controle de tal regulador, exceto usando NISM.

Por exemplo, NISM está incluído no OMICRON Lab Bode 100 (Fig. 3), como um suplemento de software para o Keysight E5061B/E5071C, assim como o Rohde ZNL/ZNLE, e a linha de VNAs CMT da Montanha de Cobre. Outras portas estão em funcionamento.

3. Dispositivos como o OMICRON Lab Bode 100 incluem a tecnologia de Medição de Estabilidade Não-Invasiva da Picotest.

Todas as sondas e injectores de sinal da Picotest podem ser usados com qualquer VNA, permitindo que os DUT sejam ligados ao VNA para várias medições (Fig. 4). A maioria desses injetores (além dos itens relacionados ao gráfico de Bode) são proprietários e não estão disponíveis em outros fabricantes de VNA. Os vários injetores de Linha, como o J2102B, oferecem Cabo PDN e suportam PSRR e medição de impedância de 2 portas. O divisor ativo J2161A é único e pode transformar um osciloscópio em um VNA.

4. Todas as sondas e injetores de sinal Picotest podem ser usados com qualquer VNA.

Muitos novos osciloscópios podem ser usados como VNAs. O divisor ativo de 2 vias J2161A da Picotest, juntamente com seu transformador de modo comum J2102B, pode ser usado para transformar muitos novos escopos em VNAs com a mesma ou maior largura de banda e sensibilidade que os VNAs dedicados.

Desafios

Medição de impedância de duas portas é atualmente o padrão ouro para a medição de baixa impedância, com integridade de potência e impedância PDN (rede de distribuição de energia) uma enorme preocupação de design e desempenho. Além da simulação, a medição é essencial para compreender, delimitar e projetar bons PDNs.

Para medir impedâncias baixas e ultra-baixas, a Picotest criou uma série de acessórios essenciais para a medição precisa, incluindo os disjuntores de terra J2102B/J2113A (essenciais para remover o erro inerente do grupo de loop na medição) e o cabo PDN de baixa perda de blindagem, ultra-fino e flexível (Fig. 5).

5. Cabo PDN flexível de baixa perda de blindagem, ultra-fino, permite medições precisas.

É crítico, ao medir a impedância PDN miliohm e microhm, que as fontes de erro de medição sejam domadas, e estes produtos fazem isso. Além disso, a Picotest irá introduzir um substituto para a sua sonda actual de 2 portas que será uma verdadeira sonda BROWSER portátil de 4 portas capaz de medir a impedância do plano de potência milli-ohm. A conexão com o DUT, especialmente em PCBs densas, é um aspecto desafiador da medição de impedância PDN e a nova sonda Picotest P2102A de 2 portas vai aliviar muito esta barreira.

Tendências

A tendência para os osciloscópios incorporarem capacidades de VNA é significativa, e pode ter um impacto dramático nas vendas de instrumentos de VNA tradicionais, especialmente porque os fornecedores de escopo incorporam mais e melhores interfaces. Uma das áreas mais importantes atualmente para VNAs é a integridade de potência/Medições de impedância de VNA.

Especificamente, a medição de impedância de duas portas de trilho de potência está se tornando criticamente importante para quase todos os sistemas. Isto inclui fontes de alimentação para circuitos digitais de alta velocidade, ou RF. Tradicionalmente, as sondas de trilho de força eram usadas para medir o ruído do domínio do tempo, mas isso é inaceitável, pois não limita as possíveis excursões de tensão que podem ocorrer no trilho.

Impedância pode definir o estado do trilho de força e possíveis problemas de desempenho. Além disso, a banda de freqüência de interesse é de baixa freqüência (10s de Hz) para muitos GHz, tornando a medição tanto desafiadora quanto o domínio do VNA. A empresa também planeja introduzir uma série de sondas de 1 e 2 portas que ajudarão os usuários de VNA a se conectar aos seus DUTs.

Ferramentas Potentes e Flexíveis

A explosão dos sistemas habilitados para nuvens e as infra-estruturas baseadas em RF tem colocado uma tremenda pressão sobre os engenheiros que servem o espaço sem fio. Chegamos a Rich Pieciak, gerente de produto para analisadores de rede vetoriais da Rohde & Schwarz USA, e perguntamos o que a empresa está fazendo para resolver esses problemas. Ele nos disse que as mais recentes plataformas de analisadores de rede vetoriais da Rohde & Schwarz são a família R&S ZNA, e a plataforma R&S ZNBT40, que expandiu suas soluções multiportas para 40 GHz, com até 24 portas (Fig. 6).

6. A plataforma R&S ZNBT40 possui soluções multiportas para 40 GHz, com até 24 portas.

A família R&S ZNA de analisadores de rede vetoriais de alto desempenho aborda áreas de aplicação em evolução com sua sofisticada e flexível arquitetura de hardware. As características de RF da família R&S ZNA são destacadas pela sensibilidade, faixa de varredura de potência e linearidade, ampliadas por uma nova arquitetura de hardware com quatro fontes internas de fase coerentes, dois osciladores locais internos e oito receptores para um alto nível de versatilidade de medição.

Aplicações digitais de alta velocidade também foram expandidas nestas duas famílias de instrumentos, (da mesma forma as famílias R&S ZNB e R&S ZND), com a introdução de novas soluções de desembarque dando aos clientes a capacidade de avaliar e utilizar mais facilmente soluções aceitas pela indústria para caracterizar estruturas de projeto digital de alta velocidade que suportam faixas de frequência sempre crescentes.

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Pronto para a aplicação

A tecnologia avança no setor sem fio e aeroespacial &As aplicações de defesa continuam a abordar conjuntos integrados que contêm altas contagens de portas, devido a funções avançadas como formação de feixe, arquiteturas de antenas integradas e taxas de transmissão de dados digitais cada vez mais altas. Todos esses esforços de integração estão forçando novas abordagens para validações de desempenho.

Test instrument architecture needs to evolve to provide the necessary device under test performance insight. A arquitetura R&S ZNA, por exemplo, agora pode medir características de campo próximo de um conjunto de antena com um LO integrado devido a seus múltiplos sintetizadores internos e osciladores locais duplos, juntamente com sua arquitetura de receptor digital duplo.

6G e outras pesquisas sobre aplicações no espaço mmWave estão dando maior ênfase à extensão das medições VNA tradicionais em áreas de freqüência de até 300 GHz e além. A arquitetura VNA versátil é fundamental para a caracterização adequada do componente ou ambiente do canal correspondente.

Aplicações de endereçamento

Designs digitais de alta velocidade continuam assumindo importância e especialmente nas áreas de integridade do sinal. A proliferação de padrões diferentes e os correspondentes layouts de placas estão exigindo novas formas de sondagem e análise de sinais, tanto no domínio da frequência como no domínio do tempo. Rohde & Schwarz introduziu recentemente ferramentas para avaliar melhor o desempenho dos projetos e isolar seu desempenho de fontes externas, tais como conectores, cabos, sondas, etc.

Novas opções de técnicas de desembarque baseadas no Padrão P370, Smart Fixture De-embedding da Packet Micro, bem como In Situ De-Embedding da AtaiTec são agora suportadas como opções nas famílias R&S ZNA, R&S ZNBT, R&S ZNBT, e R&S ZND para permitir aos clientes avaliar as técnicas mais adequadas para uso em suas aplicações individuais.

Uma opção que aborda a caracterização da PCB Delta-L agora também está disponível. As medições de conversão de freqüência são outra área de medição central extremamente adequada ao R&S ZNA, devido à sua arquitetura de múltiplos sintetizadores e técnicas de medição, como aquelas direcionadas para sub-conjuntos com osciladores locais embutidos.

Os sintetizadores DDS no R&S ZNA são a base para quatro fontes fase coerente e fase repetível. O usuário pode definir amplitude e diferença de fase entre quatro sinais para aplicações como formação de feixe ou simulação de alvo. Aplicações mmWave e avanços contínuos em conjuntos integrados necessitam de avanços contínuos na estratégia de teste. As plataformas de teste precisam evoluir de acordo com a arquitetura e a ciência de medição correspondente.

A Changing Landscape

Analizadores de rede caracterizam os componentes eletrônicos em quase todas as indústrias. Embora sua versatilidade tenha crescido, a arquitetura central dos analisadores de rede tem permanecido praticamente inalterada nas últimas décadas. Tecnologias modernas com frequências mais altas e larguras de banda maiores, como 5G, empurram os limites dos analisadores de rede atuais e criam novos desafios para os engenheiros à medida que medem dispositivos multicanal.

Matt Campbell, Engenheiro de Marketing de Produtos da Keysight Technologies, apontou que as fontes dos analisadores de rede tradicionalmente não precisavam ser altamente precisas, uma vez que as descontinuidades podiam ser apenas comparadas com as medições. No entanto, o desempenho da fonte pode ter um impacto mais significativo nas complexas medições de banda larga e não-lineares de hoje.

Alterar isso, a Keysight habilitou seus analisadores de rede PNA e PNA-X com a mesma fonte de sinal que seus geradores de sinal high-end. Apresentado como tendo o menor ruído de fase disponível, os engenheiros podem rapidamente realizar medições como EVM, medições do conversor com análise de rede fase e não-linear com confiança nos resultados (Fig. 7).

7. Keysight’s N5245B PNA-X mcrowave network analyzer.

Para ajudar no teste de fabricação 5G, Keysight introduziu o seu analisador de componentes vetoriais, apresentado como o primeiro instrumento modular multiportas que pode realizar tanto a análise de rede como as medições de sinal modulado. Isso permite que os projetistas realizem medições de analisadores de rede como parâmetros S e ganhem simultaneamente com EVM e ACP.

Matt apontou que quando os clientes procuram analisadores de rede, aplicações como medições de RF pulsada, análise de espectro e análise de domínio de tempo são frequentemente tão importantes para eles quanto os parâmetros S. As pessoas estão pensando em analisadores de rede como ferramentas gerais de RF, não apenas em máquinas com parâmetros S, e os analisadores de rede Keysight oferecem recursos como calibração guiada com um módulo ECal e assistentes que passam por medições avançadas.

Os analisadores de rede Keysight cobrem todas as aplicações, desde R&D à fabricação, até testes de campo com fatores de forma adaptados a cada aplicação respectiva. Os práticos e capazes VNAs USB, os VNAs multiportas com até 50 portas e o resistente FieldFox portátil, trazem desempenho onde quer que seja necessário. Quase todas as indústrias estão vendo as freqüências subirem e os dispositivos se tornarem mais integrados, então o Keysight fornece cobertura de freqüência em freqüências milimétricas, bem como aplicações flexíveis de medição para cada fator de forma.

As conexões são importantes

Um link de qualquer tipo é tão bom quanto seus conectores e cabo, e o teste não é exceção. De acordo com Steve Ellis, Gerente de Linha de Produtos da Pasternack, sua última linha de cabos de teste de VNA altamente flexíveis atende a uma ampla gama de exigentes aplicações de laboratório e teste (Fig. 8). As características incluem uma estabilidade de fase de ±6° a 50 GHz, e ±8° a 70 GHz com flexão, assim como VSWR de 1,3:1 a 50 GHz e 1,4:1 a 70 GHz.

8. Os cabos de teste VNA da Pasternack endereçam uma ampla gama de exigentes aplicações de laboratório e teste.

Estes conjuntos de 50 GHz são terminados com conectores de 2,4 mm, enquanto os conjuntos de 70 GHz utilizam conectores de 1,85 mm. A blindagem trançada de aço inoxidável ao redor do coaxial fornece um cabo robusto, porém flexível, com uma vida útil flexível superior a 100.000 ciclos, e os cabos são terminados com conectores robustos de aço inoxidável que fornecem até 5.000 ciclos de encaixe quando conectados com o cuidado adequado. Ambas as versões 50 e 70 GHz são oferecidas com conectores estilo NMD, com opções de conectores de 2,4- e 1,85-mm de ângulo reto varrido.