Анализ сигналов на частотах 110 ГГц и выше
Краткие рекомендации по применению
Введение
При работе на терагерцовых частотах можно недооценить проблемы, возникающие в ходе разработки, отладки и испытаний устройств. В отличие от сигналов НЧ-, ВЧ- или СВЧ-диапазона, сигналы на частотах 30 ГГц, 300 ГГц или 1 ТГц ведут себя совершенно по-другому. На соответствующих длинах волн 10 мм, 1 мм или 0,3 мм потери при распространении радиоволн в атмосфере достаточно высоки, особенно на резонансных частотах молекул кислорода, воды и углекислого газа. Эти различия затрудняют генерацию мощности, а также создают проблемы в ходе выполнения калиброванных измерений и получения достоверных результатов.
Передовые методы измерений и большой опыт работы в миллиметровом диапазоне позволяют компании Keysight создавать коммерчески доступные приборы миллиметрового диапазона. Эти знания и опыт, широко используемые в наших аппаратных и программных продуктах, всегда к вашим услугам, а наши инженеры готовы помочь вам в освоении специализированных приложений. Анализатор сигналов Keysight N9041B серии UXA компании (от 3 Гц до 110 ГГц) поможет решить все задачи по анализу сигналов на частоте 110 ГГц и выше.
На пике технологий
Технология миллиметровых волн используется на протяжении десятилетий в аэрокосмической и оборонной отраслях и магистральных линиях связи, где ее преимущества оправдывают высокие затраты на разработку, производство и поддержку устройств нового поколения. Последние достижения в производстве устройств миллиметрового диапазона позволили снизить их стоимость, что сделало их использование в промышленности более выгодным. Так, разработчики КМОП-транзисторов уже создают устройства с частотой переключения более 500 ГГц и продолжают совершенствовать эту технологию для достижения частот от 1,0 до 1,5 ТГц.
Компания Keysight также занимается научными исследованиями и разработкой собственных инновационных компонентов для создания измерительных приборов диапазона миллиметрового диапазона. Накопленный опыт в области разработки полупроводниковых устройств СВЧ-диапазона позволяет нам разрабатывать компоненты на основе фосфида индия (InP) с частотами переключения транзисторов выше 300 ГГц. Это открывает возможности расширения полосы пропускания ИС и конечных продуктов, например осциллографов с революционными характеристиками (рис. 1).
Сегодня на рынке уже внедрены различные технологии миллиметрового диапазона, например 802.11ad, и бюджетные маршрутизаторы с поддержкой стандарта 802.11ad (WiGig) предлагаются по цене около 350 долл. США. Развитие стандарта 802.11 привело к появлению стандарта 802.11ay, расширяющего возможности стандарта 802.11ad, для работы с более широкими полосами пропускания. В перспективе до 2020 года предполагается развёртывание сетей мобильной связи пятого поколения (5G). Претворение в жизнь девиза сетей 5G “везде и всегда на связи» зависит от успешного использования более широких полос пропускания в недавно выделенном спектре на частотах 28 ГГц, 37 ГГц, 39 ГГц и в диапазоне 64-71 ГГц. В других областях связи используются транспортные системы миллиметрового диапазона прямой видимости и межспутниковые линии связи.
Используя разрешение, получаемое на длине волны 1 мм, можно рассматривать такое применение, как формирование изображений. В качестве других примеров можно привести следующее: контроль оболочек таблеток в процессе их производства, измерение физических параметров для определения содержания и структуры пищевых продуктов и формирование медицинских изображений для идентификации здоровых и поражённых тканей на основе их спектральных характеристик.
Преимущества и проблемы миллиметрового диапазона
Разработчики систем миллиметрового диапазона могут столкнуться с трудностями, не связанными с потерями при распространении радиоволн в атмосфере. Например, по сравнению с ВЧ- или СВЧ-устройствами, ослабление сигнала миллиметрового диапазона увеличивается при его прохождении через линии передачи – коаксиальный кабель или волновод.
По мере повышения частот размеры компонентов уменьшаются. В результате уменьшаются размеры оборудования, и снижается его механическая прочность, а также значительно ужесточаются производственные допуски. Это затрудняет изготовление и сборку высокочувствительных устройств миллиметрового диапазона.
Тем не менее сигналы миллиметрового диапазона обладают рядом преимуществ. Например, размеры антенны могут быть очень небольшими по сравнению с размерами
СВЧ-антенн, а приёмопередающие системы — очень компактными. Кроме того, антенны можно сделать узконаправленными с малой шириной диаграммы направленности.
В диапазоне длин волн от 1 до 10 мм сигналы ослабляются, что создает не только проблемы, но и ряд преимуществ. Например, сигналы наземных систем быстро ослабляются при распространении через атмосферу.
Учитывая эти свойства, сигналы миллиметрового диапазона могут оказаться очень полезными для технологии ближней связи. В некоторых случаях используются области с низким поглощением: автомобильный радар (от 77 до 81 ГГц), радиосвязь точка-точка, беспроводные магистральные линии связи и высокогорные антенные системы для радиоастрономических наблюдений.
В других случаях большое ослабление сигналов позволяет уменьшить помехи между оборудованием пользователей. Например, стандарт 802.11ad (WiGig) для высокоскоростных аудио- и видеоканалов использует нелицензируемый диапазон 60 ГГц. В отличие от типичных сигналов Wi-Fi, сигналы с частотой 60 ГГц и радиусом действия 12 метров ослабляются деревянными, каменными и стеклянными конструкциями, поэтому их целесообразно использовать для домашних кинотеатров в многоквартирных жилых домах. Высокое ослабление сигналов и узконаправленные антенны позволяют создавать защищенные системы связи, которые минимизируют несанкционированный перехват информации.
Проблемы измерений
При создании коммерческого контрольно-измерительного оборудования для получения точных и воспроизводимых результатов измерений необходимо решить две основные проблемы – передача сигналов и генерация мощности.
Например, волновод должен быть максимально близок к идеальному, чтобы обеспечить надлежащую внутреннюю работу любого прибора миллиметрового диапазона. Для работы в диапазоне частот от 100 ГГц до 1 ТГц потребуются волноводы с разными полосами пропускания. В миллиметровом диапазоне длин волн любой сдвиг фланцевого соединения волновода становится причиной появления нежелательных отражений, приводящих к снижению качества и мощности сигнала.
Получение сигнала с требуемой мощностью проблематично, так как на этих частотах трудно одновременно поддерживать линейность и эффективность усилителя. В результате мощность на высоких частотах, создаваемая генератором сигналов или анализатором цепей, ограничивается. В связи с этим более широкая полоса частот – одно из преимуществ миллиметрового диапазона длин волн, но при измерениях в широкой полосе частот возрастает собственный шум прибора. В итоге максимальная мощность уменьшается, а собственный шум прибора растет, что приводит к уменьшению доступного динамического диапазона при измерении спектра широкополосных сигналов.
Преодолев эти трудности, вы неизбежно столкнетесь со сложностями, связанными с калибровкой прибора и измерительной схемы. Кроме того, точная калибровка уровней сигналов в миллиметровом диапазоне затруднена, но только точная регулировка мощности гарантирует точность измерений и предотвращает повреждение тестируемого устройства.
Измерения на этих частотах значительно отличаются от традиционных измерений, поэтому даже самые опытным инженерам придется отказаться от проверенных методов и пересмотреть традиционные подходы. На всех этапах – от анализа спектра или тестирования по маске (SEM) до анализа цепей и измерения характеристик пассивных устройств (S-параметры) или активных устройств (X-параметры) – необходимо обеспечить правильные соединения, качественное преобразование частоты выходных сигналов вверх, качественное преобразование частоты входных сигналов вниз, низкий уровень внутренних паразитных сигналов, подавление внутренних гармоник и многое другое.
Кроме того, проблемы возникают из-за того, что в ряде случаев измерения выполняются по радиоэфиру (OTA), без использования кабелей или волноводов. При выполнении измерений по радиоэфиру понадобится корректировать и калибровать среду передачи сигнала вокруг измерительной схемы. Необходимо также предусмотреть возможность управления или блокировки излучения любого направленного элемента в испытуемом устройстве, чтобы гарантировать воспроизводимые измерения.
Анализ сигналов в миллиметровом диапазоне длин волн
Обширные знания и опыт компании Keysight в области измерительных решений в том числе в миллиметровом диапазоне позволяют создавать коммерчески доступные измерительные приборы для миллиметрового диапазона длин волн. Анализатор сигналов N9041B серии UXA разработан с учетом уникального опыта компании, причем команда разработчиков смогла решить три ключевые проблемы анализа сигналов миллиметрового диапазона: чувствительность, диапазон частот и полоса анализа (рис. 2).
В анализаторах сигналов серии UXA улучшенные входные каскады позволяют уменьшить потери и повысить эффективность преобразования частоты, обеспечивая средний уровень собственных шумов (DANL) –150 дБм/Гц при измерении широкополосных модулированных сигналов миллиметрового диапазона. Анализатор снабжён двумя соединителями. Надёжный и недорогой соединитель типа 2,4 мм предназначен для измерений на частотах до 50 ГГц, а специальный соединитель 1,0 мм, подвергнутый прецизионной обработке для получения заданных допусков, используется для непрерывного свипирования и получения достоверных измерений на частотах до 110 ГГц.
При едином свипировании анализатор сигналов серии UXA обеспечивает полное перекрытие диапазона частот от 3 Гц до 110 ГГц без разрывов. В отличие от решений, использующих измерения в нескольких полосах частот, в анализаторе сигналов серии UXA выполняется свипирование всего диапазона частот без появления паразитных сигналов и, следовательно, с максимальной чувствительностью. В результате можно измерять неизвестные или случайные сигналы с высокой чувствительностью и наблюдать реальные проблемы, а не искаженные сигналы от анализатора. Охват диапазона частот до 110 ГГц с помощью одного прибора обеспечивает готовность анализатора к работе в новых диапазонах частот.
Полностью интегрированная мгновенная полоса пропускания равна 1 ГГц, на выходе ПЧ поддерживается максимальная полоса анализа 5 ГГц при подключении этого выхода к внешнему осциллографу Keysight. Для наблюдения за импульсными или слабыми сигналами можно использовать опцию анализа спектра в режиме реального времени(RTSA) с максимальной полосой 250 МГц.
Глубокий анализ самых сложных сигналов
Тесная интеграция анализатора с программным обеспечением и специализированными измерительными приложениями позволяет выполнять расширенный анализ сигналов. Измерительные приложения серии Х зарекомендовали себя как надёжные и полностью готовые решения для анализа сигналов. Эти приложения, основанные на многолетнем опыте компании Keysight в области измерений и позволяющие получать воспроизводимые результаты, упрощают отображение и оценку характеристик устройств в ходе их проектирования и испытаний. Анализатор сигналов N9041B поддерживает различные полезные опции и измерительные приложения, включая анализ в режиме реального времени до 255 МГц с базовым или оптимальным детектированием (опции N9041B-RT1 или N9041B-RT2; рис. 3).
ПО векторного анализа сигналов Keysight 89600 VSA содержит всеобъемлющий набор инструментов для демодуляции и векторного анализа сигналов. ПО 89600 VSA предоставляет широкие возможности захвата/воспроизведения сигналов, которые позволят проводить детальный анализ и постобработку результатов измерений с использованием функций синхронизации, подстройки и масштабирования, что поможет в точности определить причину проблем с сигналами (рис. 4). Эти средства позволяют на практике осуществить всестороннее исследование сигналов и оптимизировать самые передовые разработки.
Заключение
Компания Keysight, более 75 лет выпускающая передовое контрольно-измерительное оборудование, предлагает инженерам приборы для выполнения точных и воспроизводимых измерений на всё более высоких частотах и во всё более широких полосах. Мы постоянно расширяем возможности своих решений для инженеров-исследователей, занимающихся
разработкой, моделированием и испытанием устройств и анализом сигналов в миллиметровом диапазоне. Инновационный анализатор сигналов N9041B серии UXA – свидетельство нашего лидирующего положения в создании решений миллиметрового диапазона.
Дополнительная информация
–– Техническое описание: Анализатор сигналов N9041B серии UXA с мультисенсорным интерфейсом пользователя, документ 5992-1822EN
–– Руководство по конфигурированию: Анализатор сигналов N9041B серии UXA с мультисенсорным интерфейсом пользователя, документ 5992-2112EN
–– Брошюра: Анализаторы сигналов серии Х, документ 5992-1316RURU
–– Краткие рекомендации по применению: Измерения параметров LTE-устройств, документ 5992-1361EN
–– Краткие рекомендации по применению: Оптимизация разработок беспроводных устройств, документ 5992-1591EN
–– Краткие рекомендации по применению: Измерения параметров широкополосных импульсных сигналов, документ 5992-1502EN
–– Краткие рекомендации по применению: Испытания систем спутниковой связи и обнаружение помех, документ 5992-1469EN
–– Краткие рекомендации по применению: Измерения шума и коэффициента шума, документ 5992-1360EN
Источник: www.keysight.ru