毫米波应用的出现推动了互连的发展

Pasternack, an Infinite Brand

近年来，大量新应用以及传统应用正在利用毫米波。这得益于低成本毫米波半导体的出现，以及用于通信和传感的有源/高级天线系统（AAS）技术的出现，这些技术都可用于消费、商业和工业应用。毫米波技术和应用的扩展给生产测试带来了新的挑战。传统的毫米波测试方法是基于劳动密集型的手工技术，需要相对较长的单位测试时间。这些新的应用给现代毫米波生产和质量测试带来了巨大的压力，需要以更快的速度和更低的成本进行测试。这导致用于测试的互连方式发生转变，以及对更高级别自动化的需求。

提高毫米波技术的可用性

在2000年代之前，毫米波技术的机会主要是在国防、政府或航空航天应用中。一些卫星通信应用使用毫米波，如卫星电视和海洋或航空航天通信平台，但地面无线通信应用仍处于起步阶段。

世纪之交后，消费、商业和工业无线通信解决方案开始获得关注，在24GHz频段运行的汽车雷达开始使用。早期的毫米波汽车雷达仍在24.0至24.25GHz工业、科学和医疗（ISM）频段工作，该频段有时被称为窄带（NB）。由于带宽较窄，NB汽车雷达应用在使用中受到限制，但对于汽车紧急制动和自适应巡航控制仍然可行。尽管24GHz汽车应用具有NB性质，但毫米波频谱的特征在于更宽的带宽信道，并且回程应用在免授权和授权频带中利用了这一特性。

尽管有一些应用，但这种早期硬件大多是通过手工制造、组装和测试技术小批量制造的。随着该行业在2000年代的退出，毫米波芯片组和集成电路（IC）的大规模制造开始变得越来越普遍。技术发展使24GHz汽车雷达更便宜、更易于使用，其价格远低于之前的毫米波技术。

2009年，WiGig联盟推出了WiGig，其设计工作频段为60GHz。该技术旨在作为一种无线标准，以取代家庭影院中的电缆和移动设备应用中的无线坞站。随着智能手机和3G的出现，这些应用程序开始流行起来。WiGig随后并入Wi-Fi联盟，虽然推出的WiGig硬件和60GHz Wi-Fi路由器数量有限，但该标准并未取得商业成功。目前，Wi-Fi的工作方向是更低频率的IEEE 802.11ax (Wi-Fi 6)和新兴的Wi-Fi 7应用。缺乏商业成功的原因之一可能是60GHz WiGig芯片组的成本较高。芯片组的高成本阻碍了设计人员将60GHz Wi-Fi功能集成到用户设备中。E波段无线电框图如图1所示，对高性能、高频率、高性价比射频组件的需求显而易见。

图1：71/81GHz E波段无线电框图。来源：Pasternack

2010年代初，Ku波段IC更易于使用，全球宽带的近地轨道（LEO）卫星星座竞赛开始了。随着Ka波段卫星通信网络变得越来越普遍，对Ka波段卫星星座和商业应用地面终端的投资和兴趣也在增加。在此期间，毫米波频率成为5G愿景的关键推动者。

相控阵天线和天线阵列相关技术的发展是使毫米波无线应用对消费者、商业和工业应用具有吸引力的重要因素。这些技术和架构需要更多的射频路径，但这些路径的射频功率较低。与依赖于一个高功率毫米波信号路径的传统架构相比，这种方法具有优势。低功耗IC与利用天线驱动器的波束赋形架构相结合，可提供所需的结果。MIMO方法补充了波束赋形架构，以实现更小、更紧凑的毫米波天线系统。该方法还受益于毫米波天线元件的较小物理尺寸。

2015年后，3GPP标准采用了毫米波频谱，Ka波段卫星通信芯片组得到了更广泛的应用。除了无线移动通信之外，还出现了固定无线接入（FWA）和利用毫米波频率的其他卫星宽带应用。现在，许多毫米波应用，如5G、卫星通信、Wi-Fi和77GHz汽车雷达，都包含毫米波频率和组件。对毫米波芯片组和其他技术的大量投资使广泛的应用和使用案例组合受益。77GHz雷达框图如图2所示。

图2：77GHz汽车雷达前端框图。来源：Pasternack

毫米波趋势影响射频互连

如上所述，毫米波技术正迅速出现在非政府应用中。毫米波技术在这些应用中的快速采用在很大程度上依赖于毫米波芯片组的开发以及计算和仿真软件的进步。然而，为了满足现有政府和卫星通信的要求，毫米波互连生态系统已经存在了几十年，它正在不断发展，以满足这些新的毫米波应用的需求。

为了实现这些新兴的毫米波应用，互连密度随着工作频率的增加而增加。支持这些趋势对于满足具有比传统毫米波系统更多信号路径的毫米波天线阵列应用和AAS系统的性能要求是必要的。如上所述，这些新架构中的信号路径的功率水平低于单路径系统。这使得硅、GaAs、InP和GaN等半导体技术能够提供所需的性能。

在这些应用中，一个重要的性能因素是散热。传导损耗和介电损耗是频率的函数，这意味着对于毫米波，信号路径中的固有损耗要高得多。使用多条信号路径可降低每条路径的功耗和耗散。这使得可以在毫米波系统设计中使用分布式热管理方法，该方法适应增加数量的信号路径。这种方法避免了热能在小区域中的高度集中，并使热设计挑战最小化。

除了增加设备和系统的互连体积外，毫米波互连还需要更好的容差，以确保正确连接。传输线的操作和传输介质内电磁波的相互作用是频率的函数。这意味着所需的表面光洁度、特征公差和传输线的尺寸与频率成比例。在更高的频率下，更好的光洁度、加工和同轴对准公差可实现最低的损耗和VSWR，以及同轴电缆组件的最佳一致性。

较高频率的互连还必须比较低频率的电缆具有更好的整体对准容差，以确保最佳性能。例如，500MHz信号的波长约为600mm，50GHz信号的波长约为6mm，150GHz信号的波长约为2mm。根据经验，建议将特征分辨率和容差保持在波长的十分之一以下，理想情况下低于最高工作波长的二十分之一。对于刚刚描述的500MHz特征分辨率，容差应低于60mm，理想情况下应低于30mm。在50GHz时，分辨率/容差应低于0.6mm，理想情况下应低于0.3mm。

在射频模块和AAS内，可以使用平面传输线、通孔、高频夹层连接器、可焊接同轴电缆和其他高密度、板对板和电缆对板互连，从而呈现相对较小的间距和轮廓。然而，对于测试和测量应用，如原型制作和质量控制，刚刚描述的互连方式通常是不可行的。随着毫米波技术在更多和更高容量的应用中的使用，用于原型制作和质量测试的长时间手动过程不支持时间和成本要求。其结果是，与传统的标准螺纹同轴连接器和可焊接同轴电缆互连相反，弹簧探针（弹簧针）、同轴弹簧探针和盲插连接器的使用越来越多。图3显示了可用于毫米波测试应用的手动测试探针定位器和带2.92mm同轴连接器接口的地-信号-地探针。

图3：手动测试探针

射频端口数量正在迅速增加。传统系统包含大约1到4个端口，现在通常包含64个或更多端口。这增加了为毫米波应用寻找更小、更低间距、高性能互连的紧迫性。在许多情况下，通常用于测试和测量应用中以适应各种被测设备和测试设置的柔性同轴电缆组件对于毫米波应用是不够的。刚性和半刚性同轴电缆组件往往比柔性同轴电缆具有更低的损耗和更好的VSWR。然而，熟练的技术人员必须将刚性和半刚性同轴电缆成形，以正确地安装这些互连。柔性同轴组件仅需要技术人员推入配合或适当地拧入并扭转螺纹同轴连接器。然而，这些组件确实需要一定注意，以确保在操作期间或校准之间柔性电缆的最小偏转。刚性和半刚性同轴电缆组件通常不能返工，应成型并留在原位。使用这些电缆需要进行一些规划，以及在实验室或测试场所使用足够的工具和专业知识，以正确形成和安装连接器。图4显示了盲插同轴连接器，其使用子弹形适配器连接两个PCB。

图4：盲插同轴互连

另一种解决方案是使用探针和精密定位器来进行原型和验证/质量测试的射频连接。以这种方式使用探针互连需要规划和设计，以确保射频路径有足够的测试点。这种测试设置需要复杂的探头和精确的定位，以正确可靠地连接每个测试点。根据被测设备或系统的不同，这些测试可能需要几个到几千个测试周期。在某些情况下，可能需要同时探测设备或系统的多个侧面。例如，用于AAS应用的许多发射-接收模块被制造在平面层压板或陶瓷板上，其中布线可能仅允许探针测试点位于顶部和底部。这需要双侧探测以使用所有测试点，并且典型的探针台/探针定位器被设计为仅探测单侧。这可能需要定制探针台或精密探针定位器。图5显示了可用于这些应用的工作频率为DC至22GHz的盲插连接器。

图5：Pasternack BMA连接器

自动化日益重要

存在从高混合、低容量毫米波设备和系统到更高容量生产的转变。这一数量增长的一部分是通过更高水平的毫米波技术集成实现的。具有更多集成功能的芯片组和IC是可用的，但也出现了向更多自动化和更少人工制造、组装和测试的转变。几十年来，射频部件的自动化制造和组装一直在不断进步，该领域的自动化利用了许多用于高速数字和计算系统的技术。然而，原型和实验室射频测试以及毫米波组件和系统的质量/验证测试的自动化已经落后于实现了更低成本和更高容量的其他自动化。

最初的应用并不适合自动化毫米波测试。政府和国防机构已经主导了这些应用，并且它们可以适应手动和耗时的毫米波测试策略的成本和产量。直到最近在数量和成本方面的担忧有所上升，才出现了开发低成本、更快和更自动化的解决方案的巨大压力。此外，政府和国防用户可能更愿意牺牲产品的可重复性和成本，以满足严格的标准和性能要求。

电子校准（E-CAL）等技术有助于提高典型小信号射频测试的可重复性和可靠性。然而，这些技术仍然需要在校准之间进行互连循环。对毫米波测试系统的可重复性、准确性和可靠性的更多强调需要在校准和各种测试设置之间移动毫米波设备和系统时更多的自动化和更少的手动工作。除了小信号S参数测试之外，还需要在许多毫米波系统中进行大信号S参数和功率、阻抗（负载牵引）和/或噪声测试测量，尤其是TR模块和其他有源射频设备和系统。毫米波设备和系统的传统质量/验证测试通常涉及使用各种测试站或测试线。当然，即使在同一设施内，也必须在不同位置断开、运输和重新连接被测设备或系统，这可能导致测试变化和更改。由给定设备或被测系统的各种测试域引起的一致性和可重复性问题使得协调这些测试域的结果即使不是不可能的，也是困难的。图6显示了带有2.92mm同轴连接器接口的精确校准噪声源模块，该模块可能是毫米波测试设置的一部分。

图6：校准噪声源模块

使测试设置足够灵活，以执行所有必要的质量/验证测试，从而最大限度地减少数据可重复性问题。它还可以提高测试吞吐量，减少手动干预。作为示例，该方法可以允许测量发射器模块的小信号和大信号S参数，并且在没有实质操作的情况下协调数据。这将提供对用于感测或通信应用的总体发射器行为的更完整的分析。

与手动插入和连接相比，附加自动化（尤其是互连）的另一结果是连接可重复性的显著增加。尽管由熟练技术人员正确扭转的螺纹同轴连接器的可重复性可能非常高，但是盲插连接器和其它插入方法的可重复性较低。盲配合连接的配合速度和占用空间的优点可能超过可重复性问题。最佳解决方案是通过机器人连接循环而不是人类操作员来增强盲配对连接的可重复性。对于弹簧探针和盲插连接，机器人插入系统将可能确保比人类操作员更好的可重复性。目标是实现与螺纹同轴连接器相同的可重复性。使用自动化的弹簧探针和盲插连接器还可以减少总测试时间，并且可以减少测试系统的占地面积，因为机器人系统可以被设计为比人类操作员所需的面积更少。更快的互连速度可以导致更高的吞吐量，这将降低测试成本，并增加用于新兴的高端口数毫米波系统的日益昂贵的测试和测量系统的ROI。

结论

几十年来，毫米波技术一直被用于航空航天、太空和一些回程通信应用。为了支持永不满足的数据消费需求，同时减轻6GHz以下电信频谱中的频谱杂波问题，应用正在向更高频率转移。毫米波5G应用的出现重新激发了人们对消费、商业和工业毫米波通信和传感的兴趣。随着许多新的毫米波应用的出现和发展，这种兴趣正在被点燃成熊熊的火焰。其中一些应用包括5G FR2、57至64GHz的802.11ay、77至81GHz的汽车雷达、用于安全和机器学习的毫米波成像/雷达以及新的太空通信和传感。这些新应用中的每一个都需要一个强大的互连选项供应链，并将受益于更多的自动化制造和测试方法。