Introducere în sistemele de comunicații RF și fără fir

Acest articol a apărut în Evaluation Engineering și a fost publicat aici cu permisiune.

Descărcați acest articol în format PDF.

În lumea testării, măsurării și evaluării, analiza rețelei vectoriale (VNA) se numără printre cele mai importante metodologii de măsurare RF și microunde. Oferind o varietate de caracteristici, de la caracteristici RF excelente la o mare varietate de funcții de analiză, cele mai recente soluții VNA facilitează captarea și evaluarea parametrilor de performanță importanți. Iată o trecere în revistă a unora dintre cele mai recente soluții, realizată de cei de la companiile implicate.

Arhitecturi avansate

VNA-ul ShockLine ME7868A cu 2 porturi de la Anritsu este proiectat cu o arhitectură avansată care permite ca porturile VNA sincronizate în fază să fie distribuite fizic în afara unui singur șasiu. Acest lucru permite ca instrumentația să fie localizată la dispozitivul supus testării (DUT), mai degrabă decât să fie legată de o singură locație (Fig. 1).

1. VNA-ul ShockLine ME7868A cu 2 porturi permite ca porturile VNA sincronizate în fază să fie distribuite fizic în afara unui singur șasiu.

Potrivit lui Stan Oda, manager de produs VNA ShockLine, ME7868A utilizează tehnologia PhaseLync a companiei pentru a sincroniza două VNA-uri ShockLine MS46131A cu 1 port. Acest lucru permite măsurători ale pierderilor de inserție vectoriale între cele două VNA-uri. PhaseLync suportă sincronizarea la peste 100 de metri între VNA-urile cu 1 port, îmbunătățind performanțele de măsurare a parametrilor S cu 2 porturi pe distanțe comparabile cu cele ale soluțiilor VNA tradiționale.

Steve Reyes, Sr. Product Manager, a subliniat că sistemul VNA în bandă largă VectorStar ME7838G oferă caracterizarea dispozitivelor on-wafer de la 70 kHz la 220 GHz într-o singură scanare. Sistemul utilizează modulele de linie de transmisie neliniară (NLTL) de la Anritsu, care oferă performanțe excelente cu cea mai bună directivitate brută din industrie, pentru a asigura cea mai bună performanță de calibrare și stabilitate a măsurătorilor din clasa sa (Fig. 2).

2. Sistemul VNA în bandă largă VectorStar ME7838G asigură caracterizarea dispozitivelor on-wafer de la 70 kHz până la 220 GHz într-un singur sweep.

Acesta permite utilizatorilor să depășească limitele tradiționale într-un singur sweep, fără a fi nevoie să reconstruiască stația de sondare a plachetei de la o bandă de 110 GHz la benzi de ghid de undă mai mari. De asemenea, Anritsu a introdus recent opțiunea Universal Fixture Extraction (UFX) pentru VectorStar, care satisface nevoia de extragere a dispozitivelor de înaltă frecvență în măsurătorile de integritate a semnalului.

Navneet Kataria, VectorStar VNA Product Manager, a adăugat că sistemul VNA opto-electronic ME7848A bazat pe VectorStar poate caracteriza dispozitive opto-electronice. Aceste sisteme Optical Network Analyzer (ONA) combină un VNA VectorStar, un convertor E/O și un fotodetector de referință NIST de referință cu standard de argint trasabil NIST pentru a efectua măsurători E/O cu trasabilitate NIST până la 70 GHz, pe dispozitive cum ar fi fotodetectori și modulatoare/transmițătoare optice.

Caracterizarea dispozitivelor

Exigențele de caracterizare over-the-air (OTA) pe distanțe mai mari pentru 5G și testarea vehiculelor de mari dimensiuni devin o provocare tot mai mare pentru VNA-urile tradiționale, din cauza cablurilor lungi de interconectare. ShockLine ME7868A abordează această cerință prin mutarea portului VNA către DUT, eliminând cablurile și îmbunătățind stabilitatea măsurătorilor și gama dinamică.

Măsurătorile on-wafer trebuie să se extindă în frecvențele superioare ale undelor mm pentru o caracterizare precisă a dispozitivelor. Atunci când se dezvoltă aceste sisteme, este important să se caracterizeze dispozitivele pe o gamă de frecvențe mult mai largă, de la aproape de DC până mult dincolo de frecvența de funcționare. De exemplu, amplificatoarele proiectate pentru aplicații cum ar fi 802.11ad ar trebui să se extindă mult dincolo de 60 GHz în regiunile mmWave – în mod ideal dincolo de 180 GHz – pentru a include testarea celei de-a treia armonici.

Pentru a satisface cerințele de lățime de bandă a dispozitivelor de generație viitoare, se dezvoltă tehnologii care necesită utilizarea unor frecvențe extrem de înalte. Una dintre aceste tehnologii este optoelectronica, care oferă o lățime de bandă enormă, latență redusă și este viabilă din punct de vedere comercial. Cererea de testare precisă a acestor dispozitive opto-electronice reprezintă o mare provocare în prezent. Soluția ONA de la Anritsu oferă măsurători exacte și precise cu trasabilitate NIST a acestor dispozitive optoelectronice.

VNA-urile continuă să fie utilizate în multe aplicații variate, de la caracterizarea dispozitivelor la măsurarea materialelor. Nevoia de a efectua măsurători precise de mmWave mult peste 110 GHz este o tendință cheie. Se anticipează că următoarea generație de rețele celulare 6G va depăși frecvențele radio din banda D de 170 GHz și va intra în regiunile de 325 GHz, pentru a continua să extindă capacitățile de manipulare a datelor.

Caracterizarea dispozitivelor active și pasive

Când vine vorba de abordarea unor spații de aplicații specifice, Stan Oda ne-a spus că VNA-urile ShockLine sunt foarte potrivite pentru testarea componentelor de fabricație și pasive. Cu VNA-uri cu 1, 2 și 4 porturi într-o varietate de pachete care acoperă frecvențe de la 50 kHz la 92 GHz, familia de VNA-uri ShockLine acoperă o gamă largă de aplicații. Navneet Kataria a adăugat că VectorStar VNA acoperă toate piețele țintă majore, și anume caracterizarea dispozitivelor active și pasive.

Caracterizarea dispozitivelor optoelectronice este un alt domeniu țintă pentru sistemele ONA bazate pe VectorStar de la Anritsu. Upgradabilitatea, flexibilitatea și trasabilitatea NIST în rezultatele măsurătorilor sunt câteva dintre ofertele unice care îi ajută pe clienții noștri. Capacitățile de măsurare a materialelor pentru diferite tipuri de materiale care acoperă frecvențe de până la 1,1 THz este o altă aplicație pentru VectorStar.

ShockLine VNA utilizează tehnologia NLTL patentată de Anritsu pentru a obține o capacitate VNA de înaltă frecvență eficientă din punct de vedere al costurilor și al spațiului. În viitor, ne așteptăm să continuăm să folosim această tehnologie dovedită pentru a crește capacitățile de testare în familia ShockLine. VectorStar utilizează, de asemenea, tehnologia de eșantionare NLTL pentru o analiză VNA precisă, de înaltă frecvență, până la 70 GHz în bandă de bază și 110, 125, 145 și 220 GHz în bandă largă. Următorul pas în linia de analiză în bandă largă este capacitatea de a efectua măsurători diferențiale de până la 220 GHz pentru o analiză diferențială optimă.

Potrivirea Anritsu este că VNA-urile vor continua să joace un rol cheie în caracterizarea 5G, auto și OTA generală a tuturor dispozitivelor, de la micile UE la vehiculele mari. Pe măsură ce frecvențele continuă să crească și să se consolideze on-wafer, nevoia de a efectua calibrări precise in-situ, precum și capacitatea de a de-embarca cu precizie dispozitivele de testare și căile de transmisie on-wafer vor continua să crească.

Măsurarea neinvazivă a stabilității

Când l-am contactat pe Charles Hymowitz, vicepreședintele de vânzări & marketing de la Picotest, acesta a adus în discuție măsurarea neinvazivă a stabilității lor, bazată pe un software proprietar care folosește un algoritm matematic creat de Steve Sandler. Cu toate acestea, compania a portat-o pe mai multe VNA-uri, fără niciun cost, și încearcă să o adauge la cât mai multe. NISM permite utilizatorului să obțină marja de fază dintr-o măsurătoare a impedanței de ieșire.

Multe circuite integrate de alimentare sunt fixe și nu au buclele lor de control disponibile pentru diagramele Bode, iar multe regulatoare au mai multe bucle interne. În unele cazuri, regulatoarele au devenit atât de mici încât ruperea buclei a devenit impracticabilă. În afară de testarea sarcinii în trepte, care într-adevăr nu oferă un număr de marjă de fază, nu există alte modalități de a obține stabilitatea buclei de control a unui astfel de regulator decât prin utilizarea NISM.

De exemplu, NISM este inclus cu OMICRON Lab Bode 100 (Fig. 3), ca supliment software pentru Keysight E5061B/E5071C, precum și pentru Rohde ZNL/ZNLE și linia de VNA-uri Copper Mountain CMT. Alte porturi sunt în lucru.

3. Dispozitivele, cum ar fi OMICRON Lab Bode 100, includ tehnologia de măsurare neinvazivă a stabilității de la Picotest.

Toate sondele și injectoarele de semnal de la Picotest pot fi utilizate cu orice VNA, permițând ca DUT-urile să fie conectate la VNA pentru diverse măsurători (Fig. 4). Majoritatea acestor injectoare (în afară de elementele legate de diagrama Bode) sunt brevetate și nu sunt disponibile de la alți producători de VNA. Diferitele injectoare de linie, cum ar fi J2102B, oferă cablu PDN și suportă măsurarea PSRR și a impedanței cu 2 porturi. Splitterul activ J2161A este unic și poate transforma un osciloscop într-un VNA.

4. Toate sondele și injectoarele de semnal de la Picotest pot fi utilizate cu orice VNA.

Multe osciloscoape noi pot fi utilizate ca VNA-uri. Splitterul activ de bandă largă cu 2 căi J2161A de la Picotest, împreună cu transformatorul lor de mod comun J2102B, pot fi folosite pentru a transforma multe osciloscoape noi în VNA-uri cu aceeași lățime de bandă și sensibilitate sau mai mare decât VNA-urile dedicate.

Provocări

Măsurarea impedanței cu două porturi este în prezent standardul de aur pentru măsurarea impedanței joase, integritatea puterii și impedanța PDN (rețeaua de distribuție a puterii) fiind o preocupare uriașă de proiectare și performanță. În afară de simulare, măsurarea este esențială pentru a înțelege, delimita și proiecta PDN-uri bune.

Pentru a măsura impedanțele joase și ultrajoase, Picotest a creat o serie de accesorii esențiale pentru o măsurare precisă, inclusiv întrerupătoarele de bucla de masă J2102B/J2113A (esențiale pentru eliminarea erorii de buclă de grup inerente în măsurare) și cablul PDN flexibil, ultra-subțire și cu pierderi de ecran reduse (Fig. 5).

5. Cablul PDN flexibil, ultra-subțire, cu pierderi reduse de ecran permite măsurători precise.

Este esențial ca atunci când se măsoară impedanța PDN în miliohmi și microhmi să fie îmblânzite sursele de eroare de măsurare, iar aceste produse fac acest lucru. În plus, Picotest va introduce un înlocuitor al sondei sale actuale cu 2 porturi, care va fi o adevărată sondă BROWSER portabilă cu 4 porturi, capabilă să măsoare impedanța miliohmică a planului de putere. Conectarea la DUT, în special pe PCB-uri dense, este un aspect dificil al măsurării impedanței PDN, iar noua sondă Picotest P2102A cu 2 porturi va ușura foarte mult această barieră.

Tendințe

Tendința ca osciloscoapele să încorporeze capabilități VNA este semnificativă și una care poate avea un impact dramatic asupra vânzărilor de instrumente VNA tradiționale, în special pe măsură ce furnizorii de osciloscoape încorporează interfețe mai multe și mai bune. Unul dintre cele mai importante domenii în prezent pentru VNA-uri este măsurarea impedanței de integritate a puterii/PDN.

În mod specific, măsurarea cu două porturi a impedanței liniei de alimentare devine de o importanță critică pentru aproape toate sistemele. Aceasta include sursele de alimentare pentru circuite digitale de mare viteză, sau circuite RF. În mod tradițional, sondele pentru șina de alimentare au fost folosite pentru a măsura zgomotul în domeniul timpului, dar acest lucru este inacceptabil, deoarece nu delimitează posibilele excursii de tensiune care pot apărea pe șină.

Impedanța poate defini starea șinei de alimentare și posibilele probleme de performanță. În plus, banda de frecvență de interes este de la frecvențe joase (10s de Hz) până la mulți GHz, ceea ce face ca măsurarea să fie atât o provocare, cât și domeniul VNA-ului. Compania plănuiește, de asemenea, să introducă o serie de sonde cu 1 și 2 porturi care vor ajuta utilizatorii VNA să se conecteze la DUT-urile lor.

Unelte puternice și flexibile

Explozia sistemelor bazate pe cloud și a infrastructurilor bazate pe RF a pus o presiune enormă asupra inginerilor care deservesc spațiul wireless. L-am contactat pe Rich Pieciak, manager de produs pentru analizoare de rețele vectoriale la Rohde & Schwarz USA, și l-am întrebat ce pune la dispoziție compania pentru a aborda aceste probleme. El ne-a spus că cele mai recente platforme de analizoare de rețele vectoriale de la Rohde & Schwarz sunt familia R&S ZNA și platforma R&S ZNBT40, care și-a extins soluțiile multiport până la 40 GHz, cu până la 24 de porturi (Fig. 6).

6. Platforma R&S ZNBT40 oferă soluții multiport până la 40 GHz, cu până la 24 de porturi.

Familia R&S ZNA de analizoare de rețea vectoriale de înaltă performanță se adresează domeniilor de aplicații în evoluție cu arhitectura lor hardware sofisticată și flexibilă. Caracteristicile RF ale familiei R&S ZNA se evidențiază prin sensibilitate, interval de baleiaj de putere și liniaritate, sporite de o arhitectură hardware nouă cu patru surse interne coerente cu faza, două oscilatoare locale interne și opt receptoare pentru un nivel ridicat de versatilitate a măsurătorilor.

Aplicațiile digitale de mare viteză au fost, de asemenea, extinse în aceste două familii de instrumente, (la fel ca și familiile R&S ZNB și R&S ZND), prin introducerea de noi soluții de de-embedding care oferă clienților posibilitatea de a evalua și utiliza mai ușor soluții acceptate în industrie pentru a caracteriza structurile de proiectare digitală de mare viteză care suportă intervale de frecvență din ce în ce mai mari.

Avansarea aplicației

Progresul tehnologic în aplicațiile de apărare & aerospațială și fără fir continuă să se adreseze ansamblurilor integrate care conțin un număr mare de porturi, datorită funcțiilor avansate, cum ar fi formarea de fascicule, arhitecturi de antene integrate și viteze de transmisie a datelor digitale tot mai mari. Toate aceste eforturi de integrare forțează noi abordări pentru validarea performanțelor.

Arhitectura instrumentelor de testare trebuie să evolueze pentru a furniza informațiile necesare privind performanța dispozitivului supus testului. Arhitectura R&S ZNA, de exemplu, poate măsura acum caracteristicile de câmp apropiat ale unui ansamblu de antene cu un LO integrat, datorită multiplelor sale sintetizatoare interne și oscilatoarelor locale duble, cuplate cu arhitectura sa de receptor digital dublu.

6G și alte cercetări privind aplicațiile în spațiul mmWave pun un accent sporit pe extinderea măsurătorilor VNA tradiționale în zone de frecvență de până la 300 GHz și dincolo. Arhitectura VNA versatilă este primordială pentru caracterizarea adecvată a componentei sau a mediului de canal corespunzător.

Abordarea aplicațiilor

Proiecțiile digitale de mare viteză continuă să capete importanță și în special în domeniul integrității semnalului. Proliferarea standardelor diferite și a configurațiilor corespunzătoare ale plăcilor necesită noi modalități de sondare și analiză a semnalelor atât în domeniul frecvenței, cât și în cel al timpului. Rohde & Schwarz a introdus recent instrumente pentru o mai bună evaluare a performanțelor proiectelor și pentru a izola performanțele acestora de sursele externe, cum ar fi conectorii, cablurile, sondele, etc.

Noile opțiuni care abordează tehnici de de-embedding bazate pe standardul P370, Smart Fixture De-embedding de la Packet Micro, precum și In Situ De-Embedding de la AtaiTec sunt acum acceptate ca opțiuni în familiile R&S ZNA, R&S ZNB, R&S ZNBT și R&S ZND pentru a permite clienților să evalueze cele mai potrivite tehnici de utilizat pentru aplicațiile lor individuale.

Este disponibilă acum și o opțiune care abordează caracterizarea PCB Delta-L. Măsurătorile de conversie a frecvenței reprezintă un alt domeniu de măsurare de bază extrem de potrivit pentru R&S ZNA, datorită arhitecturii sale de sintetizator multiplu și a tehnicilor de măsurare, cum ar fi cele care vizează subansamblele cu oscilatoare locale încorporate.

Sintetizatoarele DDS din R&S ZNA stau la baza a patru surse coerente în fază și repetabile în fază. Utilizatorul poate defini amplitudinea și diferența de fază între patru semnale pentru aplicații precum formarea fasciculului sau simularea țintelor. aplicațiile mmWave și progresele continue în ansamblurile integrate necesită un progres continuu în strategia de testare. Platformele de testare trebuie să evolueze în mod corespunzător atât în ceea ce privește arhitectura, cât și știința de măsurare corespunzătoare.

Un peisaj în schimbare

Analizoarele de rețea caracterizează componentele electronice în aproape toate industriile. În timp ce versatilitatea lor a crescut, arhitectura de bază a analizoarelor de rețea a rămas în mare parte neschimbată în ultimele câteva decenii. Tehnologiile moderne cu frecvențe mai mari și lățimi de bandă mai largi, cum ar fi 5G, împing limitele analizoarelor de rețea actuale și creează noi provocări pentru ingineri atunci când măsoară dispozitive multicanal.

Matt Campbell, inginer de marketing de produs la Keysight Technologies, a subliniat că, în mod tradițional, sursele analizoarelor de rețea nu trebuiau să fie foarte precise, deoarece discontinuitățile puteau fi pur și simplu raportate în afara măsurătorilor. Cu toate acestea, performanța sursei poate avea un impact mai semnificativ asupra măsurătorilor complexe în bandă largă și neliniare de astăzi.

Abordând acest aspect, Keysight a activat analizoarele de rețea PNA și PNA-X cu aceeași sursă de semnal ca și generatoarele lor de semnal high-end. Prezentat ca având cel mai mic zgomot de fază disponibil, inginerii pot efectua rapid măsurători cum ar fi EVM, măsurători ale convertoarelor cu fază și analiza rețelelor neliniare cu încredere în rezultate (Fig. 7).

7. Analizorul de rețea mcrowave N5245B PNA-X de la Keysight.

Pentru a ajuta la testarea producției 5G, Keysight a prezentat analizorul de componente vectoriale, prezentat ca fiind primul instrument modular multiport care poate efectua atât analiza rețelei, cât și măsurători ale semnalelor modulate. Acest lucru permite proiectanților să efectueze măsurători ale analizorului de rețea, cum ar fi parametrii S și câștigul, simultan cu EVM și ACP.

Matt a subliniat că atunci când clienții caută analizoare de rețea, aplicații cum ar fi măsurătorile RF pulsate, analiza spectrală și analiza în domeniul timpului sunt adesea la fel de importante pentru ei ca și parametrii S. Oamenii se gândesc la analizoarele de rețea ca la instrumente RF generale, nu doar ca la aparate S-parametru, iar analizoarele de rețea de la Keysight oferă caracteristici cum ar fi calibrarea ghidată cu un modul ECal și asistenți care parcurg măsurătorile avansate.

Analizoarele de rețea de la Keysight acoperă toate aplicațiile, de la R&D la producție, la teste pe teren, cu factori de formă adaptați la fiecare aplicație respectivă. VNA-urile USB convenabile și capabile, VNA-urile multiport cu până la 50 de porturi și FieldFox, un dispozitiv portabil robust, aduc performanța acolo unde este nevoie de ea. Aproape toate industriile văd cum frecvențele cresc și dispozitivele devin tot mai integrate, așa că Keysight oferă acoperire de frecvență până la frecvențe milimetrice, precum și aplicații de măsurare flexibile pentru fiecare factor de formă.

Conexiunile sunt importante

O legătură de orice fel este la fel de bună ca și conectorii și cablurile sale, iar testarea nu face excepție. Potrivit lui Steve Ellis, Product Line Manager la Pasternack, cea mai recentă linie a lor de cabluri de testare VNA foarte flexibile se adresează unei game largi de aplicații exigente de laborator și de testare (Fig. 8). Caracteristicile includ o stabilitate de fază de ±6° la 50 GHz și ±8° la 70 GHz cu flexie, precum și VSWR de 1,3:1 la 50 GHz și 1,4:1 la 70 GHz.

8. Cablurile de testare VNA de la Pasternack se adresează unei game largi de aplicații exigente de laborator și de testare.

Aceste ansambluri de 50 GHz sunt terminate cu conectori de 2,4 mm, în timp ce ansamblurile de 70 GHz utilizează conectori de 1,85 mm. Armătura împletită, din oțel inoxidabil, care înconjoară coaxialul oferă un cablu robust, dar flexibil, cu o durată de viață la flexiune care depășește 100.000 de cicluri, iar cablurile sunt terminate cu conectori rezistenți, din oțel inoxidabil, care asigură până la 5.000 de cicluri de împerechere atunci când sunt atașate cu grija corespunzătoare. Atât versiunile de 50 cât și cele de 70 GHz sunt oferite cu conectori de tip NMD, cu opțiuni de conectare în unghi drept de 2,4 și 1,85 mm.

.