Нажмите "Enter" чтобы переместиться к содержанию
Анализаторы цепей 438 0

Высокопроизводительное решение для векторного анализа параметров цепей в миллиметровом диапазоне волн.

Со временем в различных отраслях промышленности продолжалась эволюция технологий в сторону более высоких частот в связи с увеличением числа пользователей на низких частотах в сетях связи и необходимостью повышения безопасности.
Хотя эта тенденция не нова, рассматриваемые сегодня частоты значительно выше, чем в прошлом, что создает необходимость в новых технологиях тестирования, обеспечивающих точность в различных производственных условиях.
До недавнего времени частоты миллиметровых волн (мм-волны), которые обычно относятся к диапазону от 30 до 300 ГГц, использовались в ограниченном объеме. Однако за последние годы ситуация изменилась с появлением технологий с гораздо более высокими частотами. Требуя большей пропускной способности, производители оборудования в различных отраслях промышленности, включая аэрокосмическую и оборонную, автомобильную и беспроводную связь, демонстрируют растущий интерес к сверх высоким частотам, что обусловливает потребность в высокопроизводительном испытательном и измерительном оборудовании.

Тенденции применения Высоких Частот

За последние несколько лет рынки аэрокосмической и оборонной промышленности, включая радиолокацию и визуализацию, перешли на частоты миллиметровых волн. Например, в аэропортах были установлены более сложные системы визуализации для улучшения потока людей. В радиолокационных приложениях растущая потребность в обнаружении небольших целей требует более высокого разрешения, что приводит к необходимости расширения полосы пропускания и перехода на более высокие частоты. Аналогичным образом, в применениях для обработки изображений потребность в изображениях с более высоким разрешением привела к использованию более высоких частот.

Однако частоты миллиметровых волн вышли за рамки применений в космической и военной промышленности и распространились на другие отрасли, такие как автомобилестроение, связь и медицинская визуализация. Ключевой областью роста в автомобилестроении для высоких частот стали радары для предотвращения столкновений, обусловленные переходом автомобильной промышленности на автономное вождение. Участники всей цепочки поставок автомобильной техники работают над увеличением дальности действия, разрешения и скорости автомобильных радаров. Все шире внедряются передовые сенсорные технологии, помогающие водителям и пассажирам быть информированными, более безопасными.

В области связи ожидается, что новые технологии, включая стандарт Wi-Fi 802.11ad (WiGig) и 5G (следующее поколение сотовой технологии), приведут к значительному изменению частот антенн и систем связи от менее чем 6 ГГц и до более чем 26,5 ГГц. Благодаря доступным наборам микросхем 802.11ad сейчас находится в стадии разработки, и 5G скоро достигнет этого рубежа. В настоящее время проводится значительная исследовательская деятельность, а в ближайшие несколько лет ожидается активизация деятельности по разработке. Сегодня почти вся сотовая связь ограничена узким спектром ниже 3 ГГц. Весь спектр ниже 3 ГГц распределен, а спектр ниже 6 ГГц становится дефицитным ресурсом. Потребность в большей доступности спектра является важным фактором, побуждающим отрасль переводить технологии сотовой связи в более высокие диапазоны частот с интересом к частотам от 10 ГГц до 80 ГГц и особенно 15, 24, 28, 38, 60, и 71-76 ГГц.

Стандарт 5G также приводит к повышению сложности по сравнению с предыдущими поколениями стандартов сотовой связи. Поскольку цели 5G охватывают различные требования, сеть должна быть очень гибкой. Технологии множественного радиодоступа (RAT) будут использоваться и сосуществовать в сети 5G для различных вариантов использования.
Исследуемые формы сигналов-кандидатов включают Мультиплекс с обобщенным частотным разделением (GFDM), Мультинесущую банка фильтров (FBMC), Универсальную мультинесущую с фильтром (UFMC), Отфильтрованный OFDM (f-OFDM). С 5G отрасль также перейдет от множественного ввода-вывода (MIMO) к массовому MIMO для повышения надежности и пропускной способности. Massive MIMO достигает этой цели за счет значительного увеличения количества антенн в элементах и пространственных потоков в базовой приемопередающей станции (BTS) по сравнению с конфигурациями, используемыми в BTS сегодня. В диапазонах частот миллиметровых волн MIMO позволяет разместить значительно большее количество антенн в антенной решетке, поскольку размер антенны обратно пропорционален полосе частот. Таким образом, размер массива из 64 антенн составляет 1176 см2 при частоте 3,5 ГГц, но только 2,7 см2 при частоте 73 ГГц. Используя управляемые антенны, Massive MIMO обеспечивает одновременную связь с разными пользователями. Узкие лучи помогают эффективно направлять беспроводную энергию пользователям, но для передачи сигнала в заданном направлении требуется формирование луча. Также называемый 3D MIMO, массивный MIMO позволяет базовым станциям формировать сигналы по вертикали и горизонтали.

Хотя технологии, используемые в 5G, не все новы, некоторые из них очень новы и разрушительны, особенно для коммерческого мира, который еще не имел дела с высокими частотами. Многочисленные радиотехнологии, устройства и материалы, которые будут использоваться в 5G, требуют как индивидуальной, так и внутрисистемной характеристики. Тестирование MIMO и по воздуху (OTA) являются главными задачами, стоящими перед нами, особенно по мере продвижения технологии от жизненного цикла к производству.
В медицинской визуализации расширилось использование технологии миллиметровых волн, позволяющей медицинскому персоналу изучать реакцию человеческого организма на миллиметровые волны в диагностических и лечебных целях. Способность миллиметровых волн
захватывать изображение всего человеческого тела используется в различном оборудовании для визуализации и сканирования. Они также находят применение в терапии и других медицинских учреждениях.

В целом, в настоящее время многие системы работают в диапазоне 80-90 ГГц, и в этих системах ведется массовая разработка и производство соответствующих компонентов. Ожидается, что этот показатель будет только расти с внедрением 5G и Интернета вещей (IoT). Для достижения более высоких скоростей передачи данных необходим более широкий спектр, и ожидается, что 5G будет в 100 раз быстрее, чем 4G. 5G также должен обеспечить основу для миллиардов устройств, которые, как ожидается, будут подключены к Интернету в будущем с появлением Интернета вещей. Однако, если отбросить технические последствия, переход рынка на высокие частоты создает серьезную проблему для производителей из-за ценового давления.

Проблемы клиентов

Частоты миллиметровых волн создают значительные технические проблемы для инженеров-проектировщиков и испытателей. На этих частотах паразитные характеристики устройства и схемы гораздо сложнее измерить и смоделировать по сравнению с более низкими частотами. Тестовая установка является бременем для инженеров, которые также могут бороться с соединительными устройствами и жизнеспособными методами измерения. Потери на тракте и затухание также более значительны на высоких частотах, что затрудняет достижение точности и надежности измерений. Учитывая все эти проблемы, инженеры должны уметь проводить точные измерения и определять характеристики устройств. Правильные, точные измерения являются более важными, чем когда-либо.

Векторный анализ параметров цепей на протяжении десятилетий был методом тщательной характеристики устройств. Для этого типа измерений заказчики в основном имеют в своем распоряжении два варианта для обработки частот миллиметровых волн — широкополосные VNA и комбинации VNA с расширителями частоты. Широкополосные VNA с диапазоном частот от кГц до десятков ГГц являются очень сложными приборами, поскольку им необходимо точно измерять широкий диапазон частот. Следовательно, эти инструменты являются дефицитными и чрезвычайно дорогими. Более того, большинству заказчиков, работающих в диапазоне миллиметровых волн, на самом деле не нужны низкочастотные возможности этих приборов, поскольку они обычно ориентированы на конкретные интересующие полосы пропускания. Следовательно, цена приобретения широкополосного VNA непомерно высока для многих клиентов, тем более что лишь немногие организации используют оборудование в полной мере.

Электронное испытательное и измерительное оборудование для научных исследований и разработок

В качестве альтернативы клиенты могут использовать низкочастотный VNA, обычно модель 20 ГГц, и увеличить его частоту с помощью модулей расширения частоты. VNA подключается к умножителям частоты и повышающим и понижающим преобразователям. Это позволяет заказчикам проводить измерения на более высоких частотах без необходимости инвестировать в широкополосный VNA. Будучи более доступным по цене, это решение создает серьезную проблему для клиентов из-за процесса преобразования частоты, который создает шум. Клиенты также крайне обеспокоены способностью расширителей частоты сохранять динамический диапазон от VNA в зависимости от температуры и времени для точности измерений. И здесь, опять же, из-за уровня сложности этой задачи, лишь несколько компаний предоставляют эти решения. Хотя эти решения дешевле, чем широкополосные VNA, они остаются относительно дорогими, поскольку для правильного преобразования частоты вверх и вниз и доступа к ПЧ и локальному генератору VNA требуется специальная версия VNA. Цена таких VNA варьируется от 80 000 до 150 000 долларов США, что приводит к общей цене от 150 000 до 200 000 долларов США за полное решение VNA в миллиметровом диапазоне волн в сочетании с расширителями частоты.

Несмотря на то, что на рынке имеется ряд решений векторного анализа цепей для обработки частот миллиметровых волн, эти решения остаются дорогостоящими. Такие цены непомерно высоки для многих клиентов, особенно для новых, развивающихся компаний и тех, кому требуется несколько систем. Тестирование стало узким местом для инноваций и роста бизнеса.

Еще одной ключевой проблемой, с которой сталкиваются инженеры-проектировщики и испытатели при использовании существующих решений mm-wave VNA, являются их размеры и портативность. Пространство по-прежнему остается проблемой, особенно в производственных условиях. Стремясь увеличить свою пропускную способность, заказчики стараются разместить больше оборудования на производственном цехе. Они также стремятся сократить площадь оборудования, чтобы снизить затраты. Это серьезная проблема для заказчиков, которым требуется несколько таких систем для своих отделов производства и контроля качества. Текущий размер доступных систем VNA в миллиметровом диапазоне волн также не способствует высокой мобильности, не позволяя заказчикам использовать решения в определенных местах, в то время как потребность в проведении тестирования в точке тестирования возрастает.

Развитие компьютерных технологий создает еще одну серьезную проблему для заказчиков ведущих VNA, поскольку компьютеры внутри этих приборов быстро устаревают из–за их длительных циклов разработки — обычно 2 года. Процессоры, дисплеи и другие компьютерные технологии развиваются гораздо более быстрыми темпами. Пользователи также сталкиваются с проблемами с жестким диском, дисплеем и памятью. Жесткий диск может выйти из строя, дисплей может быть слишком маленьким и со временем развалиться, а памяти может не хватить для приложения заказчика. Кроме того, клиентам часто приходится переносить данные со встроенного компьютера на другой компьютер и преодолевать трудности, связанные с этим процессом. Включение компьютеров в VNA также создает другие проблемы с точки зрения технического обслуживания. Операции с клиентами могут быть нарушены, так как замена компьютеров выполняется только производителем или авторизованным партнером. Это серьезная проблема, поскольку встроенный компьютер является одним из компонентов VNA, который чаще всего выходит из строя, помимо дисплеев, ручек и кнопок.

Решение: Cobalt Fx

Cobalt Fx — это высокопроизводительное, доступное и интуитивно понятное решение для векторного измерения цепей в миллиметровых волнах, удовлетворяющее потребности рынка в экономически эффективных решениях. Сочетая VNA Planar и высокочастотные расширения от Farran Technology, CobaltFx помогает клиентам достигать высоких частот за небольшую часть цены доступных решений на рынке. Это решение обеспечивает такую же точность, как и традиционное лабораторное оборудование, но при этом гораздо практичнее и экономичнее.

Одной из ключевых причин более низкой стоимости решения является использование VNA Planar. Несмотря на высокую производительность, VNA Planar намного дешевле, чем другие устройства аналогичной производительности, доступные на рынке. Это было достигнуто за счет удаления бортового компьютера, который находится внутри традиционных VNA, в сочетании с меньшим размером блоков. Линейка VNA Planar Cobalt включает в себя две модели: C1209 и C1220. С диапазоном частот до 9 или 20 ГГц в зависимости от модели, типичным динамическим диапазоном 145 дБ и скоростью измерения 15 или 10 мкс эти модели представляют собой инновационное сочетание быстрого времени измерения, широкого динамического диапазона и небольших размеров.

Система CobaltFx использует модель C4209, которая основана на C1209. C4209 — это 9 ГГц VNA с динамическим диапазоном 162 дБ и скоростью развертки до 10 мкс и обладает всеми функциями, необходимыми для использования с частотными расширениями. CobaltFx работает плавно и исключительно с частотными расширениями, разработанными серией FTL – FEV. Удлинители FTL обеспечивают высокий динамический диапазон, выходную мощность и отличную направленность, обеспечивая точные и воспроизводимые измерения на миллиметровых волнах. Модули заключены в компактные и универсальные корпуса, которые допускают различные конфигурации настольных систем, а также индивидуальную установку на дальностях действия антенн. Благодаря уровню технических знаний, необходимых для разработки высокопроизводительных удлинителей частоты миллиметровых волн, FTL является одной из немногих компаний в мире, специализирующихся в этой области. Компания имеет долгую историю предоставления высококачественных продуктов, охватывающих более 3 десятилетий, в частности, для индустрии испытаний, измерений и визуализации. Для CobaltFx инженеры FTL сделали все возможное, чтобы усовершенствовать свои технологии и разработать модули расширения частоты, которые могли бы работать на частоте 9 ГГц, сохраняя при этом уровень производительности, необходимый заказчику. Использование VNA с частотой 9 ГГц вместо обычной модели с частотой 20 ГГц помогло еще больше снизить цену системы CobaltFx.

Стремясь сделать высокоточное испытательное оборудование более доступным и доступным для клиентов, чем это было традиционно, Planar и Farran добились успеха с CobaltFx, который продается примерно намного дешевле конкурентов, экономя клиентам около 100 000 долларов по сравнению с существующими решениями. В настоящее время решения доступны для 3 диапазонов частот — от 50 до 75 ГГц (CobaltFx 15), от 60 до 90 ГГц (CobaltFx 12) и от 75 до 110 ГГц (CobaltFx 10).

Компании также учитывали практичность и стоимость владения в качестве главных соображений при разработке CobaltFx. VNA Planar — это устройства на базе USB, управляемые ПК, меньшие по размеру, чем доступные на рынке решения, что делает их очень мобильными. В то время как большинство расширителей частоты громоздки, модули расширения FEV FTL имеют изящный дизайн. VNA, расширители частоты и все кабели, необходимые для запуска системы CobaltFx представляет собой комплексное решение, которое легко настроить, поскольку для него требуется всего несколько радиочастотных (RF) кабелей, что облегчает нагрузку на клиентов при настройке тестирования.

Заключение

Когда-то считавшиеся экзотическими или непрактичными для многих применений, частоты миллиметровых волн становятся нормой. За последние несколько лет их использование значительно расширилось и теперь охватывает научно-исследовательские разработки, автомобилестроение, связь, медицинскую визуализацию и другие сферы. Ожидается, что новые технологии на горизонте продолжат подталкивать производителей к все более высоким частотам в будущем. Хотя это обуславливает потребность в высокопроизводительном испытательном оборудовании, более сильная зависимость от приложений, связанных с потребителями, делает текущие цены на такое оборудование неприемлемыми. Planar и Farran Technology поняли, в каком тупике находятся клиенты, и решили эту проблему с помощью CobaltFx. Cobalt Fx — это захватывающий продукт для клиентов, которым требуется более доступное и высокопроизводительное решение VNA.

https://radiomera.ru/product/izmeritelnaya-sistema-kobaltfx/

Источник: A Frost & Sullivan White Paper, https://farran.com/wp-content/uploads/2020/12/FS-White-Paper-1.pdf