毫米波 高頻 量測 5G 5G LET mmWave

正確連接攸關成效 毫米波量測考驗操作技巧

2019-04-02
在10年前,可能無法想像50GHz以上的毫米波頻率應用將成為主流。回顧起來,Wireless HD、802.11ad無線網路、5G蜂巢式和汽車雷達等等,都是拜半導體技術突飛猛進所推動的重要趨勢。那麼,有哪些產業趨勢驅策了毫米波頻率的發展?其中一項驅動因素,就是低頻率頻譜的高成本。而較高頻率下的寬廣連續頻譜,則具有成本適中的經濟優勢。另外,將現有流量轉移到更高頻率以盡可能釋放較低頻譜,是一種公共利益。

從經濟面來看,毫米波產品已開始變成實際產品。近來,Wireless HD的零售價格已低於200美元,而越來越多的汽車則開始使用雷達選項。為了將這項技術引進大眾市場並獲得大規模採用,廠商須提供經濟實惠的價位,因而在設計和製造上面臨巨大挑戰。

毫米波技術具有龐大的經濟潛力,而且近期內就有機會實現,其技術挑戰讓射頻工程師躍躍欲試。無論是著重於設計還是測試,想要以切實可行的方法來善用釐米和毫米波段的潛在容量,都還有很長一段路要走。

研發微波和毫米波頻率原本就深具挑戰性,隨著射頻工程師轉向毫米波頻率和更寬的頻寬,須同時解決伴隨更寬的頻寬、更高的微波,及毫米波段資料速率而來的雜訊問題。如圖1所示,這種雜訊降低了訊噪比(SNR),並最終減弱了通道容量增益。

圖1 比較不同通道頻寬的最大頻譜效率。S形曲線顯示了頻譜容量和通道效率如何隨著頻寬變寬而降低。

毫米波頻率的可用寬頻,有助於大幅提高通道容量。不幸的是,這些頻寬會聚集更多的雜訊,因而限制了真實世界的容量和頻譜效率。圖1還顯示了現有服務運作時的頻譜效率和通道頻寬。射頻工程師已順利將它從理論轉化為現實。隨著毫米技術變得普遍,必須考量各方面因素以做出取捨。

以毫米波頻率進行測試

以毫米波頻率進行測試,是非常重要的任務,需要更多的細心和關注。許多在較低頻率下可以忽略不計的事情,現在則須審慎處理。隨著頻率增加,準確度和動態範圍將隨之下降;但不希望犧牲準確度、重測度或連接損耗。在此情況下,量測解決方案包括訊號分析儀、訊號產生器和相關設備就變得更加昂貴了。為此,必須盡可能增進效能並保留所有可用邊限。

無論是否開始以毫米頻率進行量測,都有必要關注該領域的發展。當無線和其他應用開始向更高頻率和更寬頻寬擴展,覆蓋範圍也不容忽視。在毫米波頻率下實現準確、可靠的量測,不但考驗著技巧,同時還牽涉到是否有能力處理在射頻甚或微波下被忽視的因素。

為了向更高的頻率和更寬的頻寬邁進,以下4個可最佳化毫米波訊號分析的提示變得無比重要:

1. 連接器保護裝置大有助益

2. 外部混頻或直接頻率覆蓋該選哪一個?

3. 透過正確扭矩進行毫米連接,既簡單又重要

4. 使用同軸纜線與波導的合適時機

連接器保護裝置大有助益

看看許多毫米頻率訊號產生器和分析儀的前面板。不常見的母連接頭(N型、3.5mm、2.4mm等),它們有大直徑刻痕凸緣,可用手指栓緊,以連接公連接頭(圖2、圖3)。

圖2 典型的前面板連接器是母頭,但是對於覆蓋毫米波頻率(30GHz到300GHz)的裝置而言,則須使用公頭。公連接頭可針對幾種損壞提供一定程度的保護。
圖3 連接器保護接頭是位於儀器前面板連接器和電纜或待測物之間的同軸轉接器。如若受損或老化,可輕易進行更換。

由於大多數纜線組件的每一端都有一個公連接頭,所以須有充份的理由來放棄這種設計。的確,情況就是這樣,原因在於連接器保護裝置。雖然推薦使用連接器保護裝置,但它們會增加電氣和機械介面的效應。同樣的,須根據需求來加以取捨。想要兼顧需求並實現有效的連接,方法之一是使用不同於一般每端配置公連接頭的纜線,來減少轉接器數量。纜線可以取代連接器保護裝置並簡化測試連接,特別是當不須頻繁移除連接器時。另外,請仔細評估纜線長度和品質。良好的纜線可能很昂貴,但可能是提高準確度和重測穩定度,最經濟有效的方式。

連接器保護裝置的另外兩個好處是可消耗和可替換。毫米連接器不但很小,而且有點脆弱,而更換儀器前面板連接器,是一項代價高昂的操作。更重要的是,重新校驗通常是必要的,而且儀器在校驗期間可能須停止運作。如須頻繁更換連接,將轉接器半永久性地連接到儀器的前面板上是有道理的。當轉接器損壞或磨損時,更換成本不高而且操作簡便。相對而言,即使是最昂貴的計量級轉接器成本也低於儀器修理和重新校驗。

前面板連接器會受到幾種損壞和磨損。使用公連接頭和連接器保護裝置在幾個方面會有幫助。首先,公連接頭傾向於鼓勵使用連接器保護裝置。未正確使用和維護連接器的操作員無法將大多數纜線(兩端均為公頭)直接連接到前面板,因此不太可能造成意外損壞。其次,公連接頭通常比母頭更堅固。最常見的損壞類型是由中心導體破壞母夾頭,該中心導體未對齊或尺寸錯誤。前面板公連接頭將損壞集中在較不昂貴的零件上。

最後一點,這種性別選擇往往會大大減少儀器連接器本身的連接週期數。即使仔細操作,磨損和損壞也是不可避免的,最好將磨損和風險集中在消耗性零件上。

下列列出幾個常見問答:

・如何確定具有不同外殼配置的連接器的性別?

性別由連接器的最中心導體決定,無論外螺母、螺紋筒或卡口式硬體的位置如何。

・加工至連接器保護裝置筒的平板目的是什麼?

圖3所示加工至連接器保護裝置筒的平板不僅適用於扭矩扳手。它們還允許使用通用的開口扳手來避免螺母擰緊時造成連接器旋轉。由於其引起的磨損,應避免連接器旋轉,特別是在精密的毫米硬體中。

・這些標準轉接器是唯一可用的轉接器嗎?

不,它們不是唯一可用的轉接器。有些儀器使用自定義轉接器,可以充當連接器保護裝置,而不是上述的標準轉接器。這些自定義轉接器是前面板連接器組的使用者可更換零件,可以在使用者端提供多種連接器類型。由於其緊湊的配置,這種方法可以提供更短的實體連接並提高機械堅固性。但是,如果特殊轉接器的連接器保護裝置功能受損並且不能立即使用,則該特殊轉接器可能是不利的。

總結來說,作為連接器保護裝置的同軸轉接器是一種實用的配件,用於減輕對更加脆弱的輸入連接器的磨損和損壞。

選擇外部混頻/直接頻率覆蓋

外部混頻一直是進行毫米頻率量測的實用和經濟的方法。N9041B UXA X系列訊號分析儀等訊號分析儀為單一儀器解決方案的性能和便利性提供了連續的2Hz至110GHz直接覆蓋範圍(圖4)。

圖4 這裡顯示了兩種解決方案。第一個實際的毫米量測是用外部混頻器(左)進行的,但直接覆蓋毫米波段的訊號分析儀(右)正變得越來越普遍。

外部混頻

外部混頻有效地將分析儀的第一個混頻器移出分析儀本身。分析儀向混頻器提供本地端功率訊號,並接收-有時透過相同的纜線-變頻後的IF訊號進行處理和顯示。這提供了較低成本的解決方案,其中具有較低頻率覆蓋的分析儀通過直接波導輸入來處理毫米訊號。

在使用上,這種設置比單機解決方案更為複雜,但諸如帶USB隨插即用功能的智慧混頻器等創新技術使連接和校驗過程更加方便。外部混頻器可以是一種遠端測試頭,將分析儀的輸入擴展到靠近待測物,並簡化了波導連接或用於無接頭量測的天線位置。

而外部混頻器的缺點包括:

1. 它們是帶狀的,這限制了頻率覆蓋。

2. 它們缺乏輸入調整,如濾波器、衰減器和前置放大器。

3. 它們的有效量測頻寬受主機分析儀的IF頻寬的限制,這對於在毫米頻率下經常使用的超寬頻訊號來說是個問題。

4. 它們通常需要某種訊號識別過程來分離在分析儀顯示中出現錯誤或別名訊號而不需要的混頻器產物。訊號識別對於窄頻訊號是很直接的,但對於非常寬的訊號可能不切實際。

具有連續/直接頻率覆蓋訊號分析儀

毫米訊號分析儀提供的量測解決方案在幾乎所有方面都更好,但價格更為昂貴。它們提供直接、連續的覆蓋和校驗結果。它們的濾波器和處理消除了對訊號識別的需求,並且它們的輸入調整使得對靈敏度或動態範圍進行最佳化變得更容易。

靈敏度是毫米頻率量測的另一個重要方面。在這些頻率下功率很難達到,而且所使用的寬頻可能會收集大量雜訊,從而限制訊噪比。最佳化訊號分析儀的顯示平均雜訊位準(DANL)以及仔細的連接,可以產生出色的突波和發射量測結果。

毫米量測,特別是寬頻量測,將持續有嚴苛的要求,但是這些工具已經到位來處理,因為它們已經成為工程設計工作中的重要組成部分。無論選擇外部混頻還是訊號分析儀,都需要連續、直接的頻率覆蓋,確實了解要進行的量測也是該過程的關鍵部分。

毫米連接正確扭矩

在高頻時,連接器扭矩可能很重要並且有用。施加一致的扭矩點以使用扭矩扳手並避免損壞意味著注意其限制功能。一致的扭矩會對螺母和連接器結構的其餘部分施加一致的應力。這有三個重要的好處:

1. 連接器元件一致的機械對準和軸向定位確保了最佳的連接器性能(例如回返損耗)和重測度。

2. 足夠的應變減少了由於振動、熱變化或外部機械作用(如彎曲或扭曲)而導致連接鬆動的可能性。

3. 正確的扭矩可避免由於過度擰緊而導致連接器形變。

第一和第三個好處通常很難辨別。次佳的連接器性能可能是一個難以分離的問題,並且連接器形變或過度擰緊造成的損壞可能對是肉眼不可見的。第二個好處是更容易看到的。在使用手指並認為你的連接器夠緊的情況下,後來發現它很鬆。也許連接器被碰撞,或者更加微妙的事情發生:熱循環或纜線運動減少了從指尖收緊「過低」到零的應變。

適當的扭矩值

對於絕大多數人使用的微波和毫米波連接而言,正確的連接器扭矩是很簡單的,因為只有兩個扭矩值需要透過1.85mm(70GHz)覆蓋SMA。應該將SMA連接器擰到56牛頓釐米或5英吋磅,其餘的3.5、2.92、2.4和1.85mm應擰緊到90牛頓釐米或8英吋磅。1mm輸入連接器的導引範圍從4英吋磅到10英吋磅不等,因此在開始之前請參考製造廠商的建議。

如果將SMA連接器與3.5或2.92mm的其他相容精密連接器之一連接,該怎麼辦?應該使用SMA扭矩值還是精密連接器值?答案是遵循公連接頭的值。因此,如果SMA連接器是公頭,則應使用SMA扭矩值。

扭矩扳手

扳手的力量必須小心使用,因為使用者不會像用手指那樣感受到力量。如果使用多個或更長的轉接器,或者當裝置直接連接而沒有纜線來緩解彎曲應力時,過度拉緊物體的可能性也更大。圖5描述了「扳手上升應力」的例子。

圖5 使用合適的扳手來鎖緊或鬆開連接器是正確的做法,但如果使用方法錯誤,則會出現扳手上升應力,並且彎折了連接器。在組裝和拆卸過程中,在兩個扳手之間維持較小的角度可避免這個問題。

第二個扳手通常是一個簡單的開放式扳手,但它有個重要的任務。藉由防止連接器配合表面在它們接觸時旋轉,它可減少導致連接器磨損和損壞的主要來源。

總結來說,雖然連接器扭矩和旋轉不是連接器損壞和性能差等問題的唯一來源,但它們是非常重要的考慮因素。

掌握使用同軸纜線/波導時機

大多數射頻工程師經常使用同軸纜線和連接器。同軸纜線和連接器現在可以在110GHz的頻率下使用,乍看之下,它們可能比波導更容易和簡單。無論是否會經常使用到波導,理解選擇和折衷是非常有用的。

在連接決定中涉及電力和機械因素也許並不奇怪。特別是在毫米以上的頻率範圍內,電力和機械特性會產生複雜的交集。理解它們如何交織對於更好的量測是至關重要的。

同軸連接

同軸連接是靈活和方便的。直接布線,在同軸化身的情況下,無論在哪裡可以很好地完成工作,都是顯而易見的選擇。過去幾十年來,連接器、纜線和製造技術的進步以合理的成本提供了廣泛的選擇。同軸纜線可提供從計量級到生產品質的不同性價比點,靈活性從極端到半剛性不等。雖然成本很高,特別是對於精密同軸硬體,但它通常比波導更便宜。

當裝置連接需要某種功率或偏壓時,如探量和組件測試,同軸纜線可以成為簡單高效率的解決方案。單一纜線可以執行多種功能,並且頻率多工技術可以允許同軸纜線承載多個訊號,包括在不同方向上移動的訊號。例如,是德科技的波導諧波混頻器使用單一同軸連接將來自訊號分析儀的LO訊號傳輸到外部混頻器,並且將混頻器的IF輸出傳送回分析儀。

波導

損耗是選擇波導而非同軸纜線的重要原因。低功耗和高功耗考慮因素往往是工程師更換同軸纜線的靈活性和便利性的原因。在大多數情況下,波導在微波和毫米波頻率處的損耗明顯小於同軸纜線,並且在較高頻率處差異增大。

對於訊號分析來說,這種較低的損耗可以提高靈敏度並可能提高準確度。由於分析儀靈敏度通常隨著頻率,以及頻段或諧波數的增加而下降,波導的較低損耗可在某些量測中發揮極大作用。此外,由於在高頻率下,可用功率已變得越來越寶貴且昂貴,波導的典型成本增量可能會減少。就功率而言,波導的損耗較低,而且具有較高的功率處理能力。如同小訊號一樣,隨著頻率增加,它的優點也因而增加(表1)。

表1 比較微波和毫米波應用中,同軸和波導連接的好處。

從上面的總結可以看出,其他的同軸纜線/波導折衷方案可能會影響測試者決定使用哪個連接。

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