在互連世界中,人們需要更快速地傳輸更多資訊,這使得設計工程師開始將觸角伸向30到300GHz的毫米波(mmwave)頻率。這個範圍以這些頻率中1mm到10mm的波長命名。微波的傳輸速率可達1Gbit/s左右,但毫米波可提供高達10Gbit/s或更高的傳輸速率,因而在消費者與研究市場中創造了許多機會。

毫米波技術需求日益成長

毫米波技術最顯著的應用之一是5G技術,它也是下一代無線通訊技術。近來,越來越多裝置需要在等於或小於6GHz的頻率,於有限的蜂巢式頻段內,進行資料傳輸。5G旨在善用毫米波頻率的頻譜可用性,支援越來越多的物聯網(IoT)裝置。其方法之中是藉由使用較小的熱點(又稱為cell),來取代大型且集中的蜂巢式基地台」。一座蜂巢式基地台只能支援一定數量的裝置,因此增加小型基地台(cell),將有效減輕蜂巢式基地台的負擔。

毫米波技術的另一個潛在用途是WiGig。WiGig聯盟正致力於使用60GHz頻段,為Wi-Fi裝置提供多Gigabit的傳輸速度。WiGig裝置具有標準的2.4和5GHz頻段,以及可與其他鄰近WiGig裝置共用的額外60GHz頻段。60GHz頻段在聚焦波束上提供高達7Gbit/s的傳輸速率,而且不會互相干擾。

毫米波技術還提供非常出色的低延遲特性。這點非常重要,尤其是對汽車雷達這類應用來說,差之毫釐,失之千里。車道輔助、主動車距巡航控制、緊急剎車,以及許多其他功能,都仰賴高頻雷達來實現。傳統上,這些雷達使用24GHz上下的頻段,但是到了2022年,24GHz頻段將被完全淘汰,並以77至81GHz頻段取而代之。與低頻雷達相比,寬頻和小波長將帶來更佳的解析度和準確度。隨著汽車自動化程度越來越高,準確性將變得至關重要。

毫米波技術在航空航太與國防產業,也有很強勁的需求。機場檢測用的毫米級成像站,在35至325GHz之間運作。為了確定潛在的威脅,我們需要更高的頻率和頻寬,以獲得最佳解析度。安全雷達通訊正從擁擠的低頻段,轉移至毫米波範圍。

所有這些應用,在測試和應用方面,都面臨著獨特的挑戰。誤差的來源包含纜線損耗、連接器重測度與相位偏移,它們在無線射頻中可忽略不計的誤差,在高頻中可能導致嚴重後果。高階向量網路分析儀的最大頻率通常為67GHz,因此許多應用所需進行的測試,大多超出其硬體限制。幸好我們現在有辦法增加VNA的頻率範圍。

毫米波向量網路分析儀——分散式架構

用於執行毫米波網路分析的量測解決方案,是由向量網路分析儀(VNA)、測試儀控制器和展頻器所組成的分散式系統。

該系統由單獨的元件組成,它們可相互溝通以提供系統級運作。展頻器介面與待測物(DUT)是系統中唯一在毫米波頻段運作的部分。這使得我們無需重新設計VNA以處理更高的頻率,便可量測毫米波裝置。

分散式配置的每個部分各有不同的量測優勢。如下所述,小型展頻器讓您能在裝置上進行量測,以便將纜線誤差降到最低,而測試儀控制器則可用於介接VNA和展頻器。它包含切換器和放大器,使得VNA能在完整頻率範圍中進行連續掃描。如果沒有測試儀控制器,VNA就不能在寬廣頻率範圍內進行連續掃描。

例如是德科技(Keysight Technologies)基於模組化展頻套件(N5295AX03)的分散式解決方案。該模組化展頻套件可添加到現有的相容型網路分析儀(PNA或PNA-X,最大頻率為26.5GHz或更高)。此升級方案讓您無需換掉整個儀器,因而可有效降低測試成本。展頻器可連接到與VNA測試儀介接的測試儀控制器,如此可將VNA的最大頻率擴展至120GHz,以便測試現代毫米波裝置。

避免毫米波量測誤差

分散式系統同時也解決了高頻量測的兩大誤差來源:纜線損耗和溫度不穩定性。

纜線損耗

頻率和纜線損耗間的關聯性,如圖1所示。毫米波頻率下的纜線損耗,對量測影響甚鉅。在110GHz或更高頻率下,即便是良好的纜線,當長度超過8公分,就會有1.1-1.5dB的損耗。所以使用0.5公尺的纜線進行量測時,待測物與儀器之間可能會有9dB的損耗。因此,盡可能縮短纜線長度並在裝置上進行量測,至關重要。相較於VNA及其測試儀,外部展頻器可以更靠近待測裝置,因而可以減少幾dB的纜線損耗。

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圖1:纜線損耗

較短的纜線還可以減少纜線移動的情形,並提供更準確的相位控制。當波長為2.7mm時,只要在量測平面移動1.35mm,即可形成180°的相位偏移。

溫度穩定性

對於需長時間持續運作的系統來說,溫度穩定性極為重要。溫度升高會鼓動更多的電荷載子,導致熱雜訊的產生。熱雜訊功率(dBm)可由下列公式得出:

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在J/K中,k是波茲曼常數,T是以K為單位的溫度,B是以Hz為單位的量測頻寬。在這個等式中,可以看到熱雜訊功率會隨著溫度升高而增加。當溫度增加,熱雜訊以及纜線接頭的熱膨脹,在量測時將導致漂移誤差。漂移誤差可歸因於系統在校驗後的改變。圖2顯示以2個已連續運作8小時的系統,所進行的單埠匹配量測。N5291A(藍色)毫米波系統包含展頻器。而另一系統(紅色)是使用另一種展頻解決方案的毫米波系統。該展頻器可顯著降低漂移不確定性,特別是在較高頻率下。其中的關鍵是溫度調節。

這模組化展頻套件夠小,可更為靠近裝置,但又不是小到不需要外部溫度控制。在量測時,對流冷卻可讓模組維持在一致的溫度,以便將漂移降到最低。經過24小時後,模組的振幅穩定度小於0.015dB,而且相位穩定度小於0.15°。此穩定度可媲美大型PNA-X網路分析儀。

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圖2:漂移對於已校驗量測的影響

這種分散式系統架構不僅有利於對裝置進行量測,並將纜線損耗、相位誤差與溫度漂移的影響減至最小,從而實現準確且完全可追溯的量測。

系統部署

圖3a顯示如何安排毫米波測試架構的高階層方塊圖。此配置看起來跟圖3b很像。

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圖3a:毫米波VNA系統之高階層方塊圖

![20190118_Keysight_TA71P3b](https://static.emedia-asia.net/5dbe14c9-7153-42c5-a076-836bf199fbf5.jpg)

圖3b:實際毫米波測試配置

讓我們深入檢視每一部份。

向量網路分析儀

在這類系統中,向量網路分析儀是執行量測和計算的引擎。進行單晶微波積體電路(MMIC)測試時,多功能型VNA是必要的配備。MMIC包含大量元件,分別於不同頻率範圍運作。而PNA-X的單次連接、多次量測(SCMM)架構,方便您進行多元的量測,例如S參數、雜訊指數、增益壓縮、THD、IMD和頻譜分析,全都只需單一連接。

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圖4:PNA-X上的SCMM

展頻器

展頻器將測試儀的26.5GHz輸出升頻,以便測試毫米波裝置。圖5的展頻器方塊圖顯示轉換電路。它有三個倍頻器可使用,可混合射頻輸入以產生高達120GHz的頻率。該頻率在毫米範圍內,可對尖端毫米波裝置進行準確的特性分析。

20190118_Keysight_TA71P5 圖5:模組化展頻器(N5295AX03)方塊圖

電晶體和放大器等主動元件,需要直流偏壓以進行操作。T型偏壓器結合了交流和直流訊號,讓主動元件得以同時完成偏壓與測試。圖6是T型偏壓器的簡化等效電路。電感器和電容器可防止直流電和射頻信號源相互干擾。模組化展頻器內建T型偏壓器,因此可以盡可能地靠近待測物,如此有助於減少較長的接地迴路。有多條路徑接地時,就會出現接地迴路,並導入不必要的干擾,尤其是在迴路較長的情況下。直流偏壓可提供接地路徑,以靠近待測物,進而將接地迴路干擾降到最低。

20190118_Keysight_TA71P6 圖6:T型偏壓器等效電路

展頻器到待測物之輸出端為1mm的寬頻耦合器。此耦合器具有高度指向性,可非常有效地分離反向移動的訊號。因此它可將進入待測物的參考訊號,與來自於待測物物的測試訊號,加以分離。可使用寬頻Gilbert混頻器對參考訊號和測試信號進行取樣。Gilbert混頻器可消除不必要的混頻,藉以產生乾淨無比的輸出訊號。混頻器可將參考訊號與測試訊號,轉換為網路分析儀的IF中頻頻率,以便透過儀器進行分析。

測試儀控制器

測試儀控制器是展頻器模組和VNA之間的介面,便於在展頻器的完整頻率範圍內進行寬頻掃描。若無測試儀控制器,則VNA只能進行帶狀量測,也就是將整個頻率範圍劃分為較小的頻段,並對每個頻段進行單獨掃描。如需在特定頻率下查看待測物響應,這項功能非常有用,但是如果需要對待測物進行完整的特性分析,寬頻掃描是更合適的方法。

測試儀控制器放大了網路分析儀的本地振盪器(LO)訊號,藉以在展頻器的完整頻率範圍內驅動混頻器。控制器也同時進行誤差修正與展頻器調整,使其輸出在VNA的IF頻率。該控制器藉由使用單條纜線,為展頻器提供射頻、本地振盪器(LO)和中頻(IF)訊號,以簡化量測設定。如此便可在VNA介面上完成所有量測配置,無需調整硬體。

低頻擴展

PNA和PNA-X支援的最低頻率為10MHz。如需轉到較低的頻率,可在網路分析儀上使用低頻擴展(LFE)套件,如Keysight VNA選項205/425,以便將最低頻率降到900Hz。如圖7所示,LFE專為低頻而設計,內含一個單獨的訊號源和接收器。透過對裝置特性進行更完整的描述,低頻測試可提供更準確的裝置模型。展頻器模組包含LFE的輸入,使其頻率範圍介於900Hz至120GHz之間。

20190118_Keysight_TA71P7 圖7:LFE部署

結論:分散式架構最佳化毫米波量測

隨著毫米波應用空間持續成長,業界需要能夠準確描繪毫米波頻率的系統。透過本文中介紹的分佈式架構方法使向量網路分析儀能夠跟上此一趨勢,準確度高達120GHz,並可重複測量。