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引领创新,确保毫米波网络分析获得优异结果
录入时间:2017/6/29 14:20:13

引领创新,确保毫米波网络分析获得优异结果

是德科技行业应用专家 Suren Singh

宽带器件的表征和建模面临诸多挑战,而随着新一代设计向着毫米波频率发展,这些挑战变得更难以克服。当评测一台矢量网络分析仪(VNA)时――这是最常用的测试工具――除了单次扫描频率范围之外,其他关键特性还包括跨越整个测量频段的稳定度和不确定度。

一款称为宽带毫米波网络分析仪的新解决方案提供了卓越的测量性能,以及 24 小时内低于 0.015 dB 和低于 0.15°的稳定度。 Keysight N5290A 和 N5291A 宽带毫米波网络分析仪,其连续频率扫描范围分别为 900 Hz 至110GHz和 120 GHz(图1)。充分利用是德科技在计量和校准方面的专长,这些解决方案提供了跨越整个频率范围的可溯源的计量级结果。

图 1. 宽带毫米波网络分析仪解决方案包括一台先进的矢量网络分析仪、一个测试仪控制器和外型紧凑的频率扩展器。

技术创新为我们打开新视野

毫米波技术已经发展了数十年,主要应用于航空航天、国际和微波回程应用领域,虽然开发、制造和支持的成本高昂,但给用户带来的惠益却有目共睹。最近,制造工艺的进步已经使甚高频(EHF)器件的成本得以降低,使其更适合商用和消费者应用。例如,开发人员已经采用互补金属氧化物半导体(CMOS)技术制造出截止频率 fT 超过 500 GHz 的器件,一些开发人员正致力于将这一经济高效的技术扩展至太兆赫范围。

作为一家独立自主的创新企业,是德科技一直在开发 EHF 元器件。在微波半导体技术领域的强大实力使其能够开发下一代磷化铟(InP)工艺,支持晶体管开关频率超过 300 GHz。这样可以让测试设备和其他器件中使用的集成电路(IC)实现更高的带宽。

克服阻碍,实现更佳的测量

在生产商用完整测试设备(提供精确、可重复的毫米波测试结果)时,导引信号和生成功率是带来挑战的两个主要问题。波导就是一个重要的实例:其必须尽可能完美,从而确保毫米波仪器内部的正确工作。管理 100 GHz 至 1 THz 之间的信号要求使用不同的波导频段。在如此短的波长上,法兰连接中的任何歪斜都会产生多余的反射,致使信号质量下降,并且信号功率减小。

想要生成充足的功率电平面临着重重挑战,因为在这些频率上很难同时兼顾放大器效率和线性度。这有可能限制信号发生器或网络分析仪能够产生的最大功率电平。

一旦这些问题得到解决,下一个重大问题就是仪器的校准和测试装置的设置。在极高频率上准确校准功率电平十分困难,但是要想确保测量准确性和避免损坏被测器件(DUT),精确控制功率是必不可少的。

对于新手来说,毫米波测量似乎是一种艺术、科学,可能还要靠运气。实际上,一个全新的开始将为工程师带来很多好处:抛开旧习惯,采用深思熟虑的方法,以及调整所有期望值。例如,测试人员需要仔细关注测量设置的每个阶段:仪器、电缆和附件。这意味着需要花时间确保精密的连接、对输出信号进行干净的上变频、对输入信号进行精准的下变频、降低信号内部的杂散和良好管控的内部谐波。这些因素对于成功进行网络分析及无源或有源器件(分别为 S 或 X 参数)的表征十分重要。

合并必要的测量功能

全新的是德科技宽带毫米波解决方案对上述问题给予了足够的重视。测量平台基于一台 26.5GHz 或 67 GHz PNA 或 PNA-X 矢量网络分析仪。其他核心组件包括 2 端口或 4 端口毫米波测试仪控制器,以及一组紧凑型频率扩展器(“智能模块”)。智能模块包括强化的 1.0 mm 连接器、对流散热模块和内置数据表征模块,支持开机时对端口输出功率进行完全校准。为了简化台式测量,工程师能够在可选的桌面定位器上安装频率扩展器。

新解决方案的测量结果可溯源至国家测量机构。其基础就是 1.0 mm 校准套件,结果使得关键性能参数(如剩余校准误差、系统动态精度和稳定度)的测量不确定度是可溯源的。一个随附的 USB 热电偶功率传感器(U8489A)覆盖了直流至 120 GHz 的范围,能够利用 1.0 mm 连接器和方便的单次连接简化电源功率校准(图2)。为了进一步提升测量结果,用户可以选择对已连接的测量应用自动夹具去嵌入,或在探针处执行校准,从而提高晶圆上测量的精度。

2. 随附的 USB 热电偶功率传感器具有很高的精度和稳定度,支持用户快速和可靠地进行平均功率测量。

利用机械技术创新增强稳定度和精度

在毫米波频率,测量系统的整体性能也取决于其物理和机械设计。在新的智能模块内部,是德科技应用了先进的加工能力来制造宽带耦合器技术,可在测量校准期间提供出色的稳定度。

在测试仪控制器和智能频率扩展器模块中,强化的 1.0 mm 测试端口能够确保从测量到测量、日复一日的可重复连接。这可以减少校准不确定度,进一步提高系统级测量精度。

在单次设置中,完成多个元器件的测试

新一代单片微波集成电路(MMIC)包含不同工作频率范围的元器件:基带、射频、微波和毫米波。具有从赫兹到千兆赫级单次扫描范围的矢量网络分析仪支持开发者在单次测试设置中,完成所有这些元器件的测试。

更宽的频率覆盖还能降低测试解决方案的成本。例如,毫米波网络分析仪中 900 Hz 的起始频率,让您无需购买专用的低频矢量网络分析仪。其他优势还包括:使用一台分析仪时,测试系统软件的开发显著简化,从而节省时间并降低复杂性。

单片微波集成电路内更高的集成度和其他宽带设计经常意味着通过更少的接入点对每个器件进行更多功能测试。被测器件与矢量网络分析仪或频谱分析仪之间的连接、断开和重新连接,无论是手动或通过开关矩阵自动完成,都很麻烦而且耗时。

最方便的解决方案就是具有单次连接/多项测量(SCMM)体系结构的矢量网络分析仪。与 PNA-X 网络分析仪中的实施一样,工程师能够利用一套连接来测量无源或有源器件的关键特征参数:S 参数、噪声系数、增益压缩、总谐波失真、互调失真等。为了获得更高的通用性,单次连接/多项测量功能支持 PNA 系列的频谱分析测量应用软件。

利用测量应用软件简化复杂的任务

为了帮助用户节省时间并轻松配置复杂的任务,测量应用软件能够满足特定测试的要求,支持您更深入地了解器件性能:

·           标量混频器/转换器测量:支持混频器和频率转换器的标量参数测试

·           增益压缩应用软件:提供放大器和频率转换器的完整参数表征

·           噪声系数测量:支持频率转换器性能的全面参数表征

·           差分和 I/Q 器件应用软件:简化放大器和混频器的测试

·           频谱分析仪应用软件提供高达 120 GHz 的校准的多通道频谱分析,使用兼容的频率扩展器可支持太兆赫范围。

这些测量应用软件还支持触控操作,进一步简化了复杂的操作,并提供直观的显示方法来对宽带毫米波器件进行探究、表征和故障诊断(图 3)。

3. 单次连接/多项测量能力和触控测量应用软件的结合,能够加速和简化增益压缩(右上)、差分器件(右中)和谐波内容(右下)的表征。

利用通用的平台

当执行 S 参数等基础测量时,良好的易用性非常有利,在探究复杂的任务(例如表征混频器和其他频率转换器件)时,这一点更是必不可少。为了确保在更短时间内获得有效的测量结果,很多客户请是德科技为其仪器提供测量指南,并在分析仪的屏幕上显示这些工具。这是一个非常重要的理念,因为大部分工程师面临着巨大的时间压力和严苛的设计要求。这也是一个合理且可行的想法,可以充分利用最新矢量网络分析仪的处理器、存储器和显示资源。

为了满足这些需求,是德科技设计团队同时关注两方面特性:测量的性能和操作的易用性。作为下一代是德科技矢量网络分析仪的基础,开发团队创建了一个通用平台,综合了现有 ENA 和 PNA 网络分析仪系列的特长。

我们遵循两个重要的指导原则:让新客户感觉有吸引力且操作直观,同时让现有用户感觉界面熟悉和操作舒适。最终的结果就是得到了一个图形化用户界面(GUI),它可以帮助工程师随时进行各种简单或复杂的测量,同时能够对各种射频元器件或子系统进行性能表征和故障诊断。另外,它对于不时需要进行高度复杂测量的有经验的用户也十分有用,他们可以获得关于重要步骤和设置的提醒(图 4)。

4. 界面包括特定任务指南,例如这个“毫米配置”屏幕,它可以帮助新用户或不熟练的用户获得更好的结果。

所有用户都看好这种熟悉的触控 用户界面 技术,因为其与智能手机、平板电脑和笔记本电脑中使用的触控技术非常类似。更新包括下列特性:

·           12.1 英寸宽屏显示,具有多点触控 用户界面

·           轻松访问常用功能

·           使用触摸方式来激活软件键和对话框菜单快速设置

·           直观的单点触控和多点触控手势操作,可以轻松拖拽或放大迹线

·           多功能触控游标功能

要想获得更多灵活性,用户还能在分析仪屏幕上自定义迹线和窗口的位置。例如通过一个“选项卡表单”功能合理安排多个测量通道的迹线和多页测量结果的显示。

揭秘毫米波技术

N5290A 和 N5291A 宽带毫米波解决方案体现是德科技一直以来秉承的使命,即让用户更轻松地在不断升高的频率和更宽的带宽上进行精确、可重复的测量。N5290A 和 N5291A 采用一系列电子和机械创新技术,可以提供计量级测量精度,确保出色的系统级性能。凭借这些工具,开发人员现在能够揭示毫米波技术的奥秘,自信地表征和优化从 900 Hz 至 120 GHz 的器件。


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