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30~300GHz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。其方法之一是藉由使用較小的熱點──又稱為小型基地台(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高速無線傳輸解決方案。產業組織WiGig聯盟(Wireless Gigabit Alliance)正致力於使用60GHz頻段為Wi-Fi 裝置提供數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。這點對諸如車用雷達等應用尤其關鍵,差之毫釐、失之千里。包括車道輔助、主動車距巡航控制、緊急煞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77~81GHz頻段取代。與低頻雷達相較,寬頻和小波長將帶來更佳的解析度和準確度,隨著車輛自動化程度越來越高,這種準確性將變得非常重要。

毫米波技術在航太與國防產業領域也有很強勁的需求。機場安全檢測用的毫米級成像站(millimeter imaging station)運作於35~325GHz之間,為了判定潛在的威脅,需要更高的頻率和頻寬,以獲得最佳解析度。而安全雷達通訊正在從擁擠的較低頻段轉移至毫米波範圍。

所有這些應用在測試和實施上都面臨獨特的挑戰,誤差的來源包含纜線損耗、連接器重測度(repeatability)與相位偏移;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(VNA)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。

分散式架構的毫米波網路分析量測解決方案

是德科技就開發了適用VNA的毫米波頻率擴充方案,此分散式系統針對精確量測進行了最佳化,可協助因應毫米波量測挑戰。該應用於毫米波網路分析的量測解決方案,是由VNA、測試儀控制器(test set controller)和展頻器(frequency extender)所組成的分散式系統。

該分散式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來因應更高的頻率,並支援毫米波裝置量測。

分散式配置的每個部分各有不同的量測優勢;如小型展頻器能支援在裝置上進行量測,以便將纜線誤差降到最低;測試儀控制器則可用於介接VNA和展頻器,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。

是德的分散式解決方案是以N5295AX03模組化展頻套件為基礎,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);這種升級方案無需換掉整套儀器,因此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,以支援現今的毫米波裝置測試。

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。

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圖1:纜線損耗。

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,即便是非常優良的纜線,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。

較短的纜線還可以減少纜線移動的情形,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(Boltzmann constant),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。

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圖2:漂移對於已校驗量測的影響。

漂移誤差可歸因於系統在校驗後的改變。圖2顯示以兩套已連續運作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N529AX03展頻器,另一套系統(紅色)是使用另一種展頻解決方案的毫米波系統。N5295AX03可顯著降低漂移不確定性,特別是在較高頻率下。溫度調節就是其中的關鍵。

N5295AX03 在設計時考量了這個問題。這些模組夠小,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0.015 dB,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。

這種分散式系統架構能對裝置進行量測,並將纜線損耗、相位誤差與溫度漂移的影響減至最小,支援準確且可追溯的量測。

系統部署

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圖3a顯示分散式毫米波測試架構的高階層方塊圖,此配置實際佈署會看起來像是圖3b。

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圖3b:實際毫米波測試配置。

以下讓我們深入檢視每一個部分。

向量網路分析儀

在這類系統中,VNA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)架構可透過單一連結支援多元量測,例如S參數、雜訊指數、增益壓縮、THD、IMD 和頻譜分析。

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圖4:PNA-X上之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N5295AX03展頻器方塊圖顯示了轉換電路,有三個倍頻鏈(multiplier chains)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。

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圖5:N5295AX03展頻器方塊圖。

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訊號源相互干擾。N5295AX03展頻器內建T型偏壓器,因此可以盡可能地靠近待測物,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。

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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,與來自於待測物的測試訊號分離。可使用寬頻Gilbert混頻器對參考訊號和測試訊號進行取樣。Gilbert混頻器可消除不必要的混頻,藉以產生乾淨的輸出訊號。混頻器可將參考訊號與測試訊號轉換為網路分析儀的中頻(IF)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,方便使用者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,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。

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圖7:N5292A測試儀控制器。

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、LO和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;例如Keysight VNA選項205/425,能將最低頻率降至900 Hz。如圖8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~120GHz之間。

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圖8:LFE部署。

結語

發展空間持續成長的毫米波應用,需要能夠準確描繪毫米波頻率的系統。新一代的分散式架構能讓向量網路分析儀因應此一趨勢,將量測準確度提高至120GHz,並可重複測量。

本文同步刊登於電子工程專輯雜誌2019年3月刊