應(yīng)對毫米波測試的挑戰(zhàn)

在很長的一段時(shí)間內(nèi)，毫米波(大于40GHz頻段)主要用于軍事領(lǐng)域，包括各種雷達(dá)，衛(wèi)星通信等，民用應(yīng)用也只限于微波點(diǎn)對點(diǎn)的應(yīng)用中。由于工作在毫米波頻段的同軸電纜和連接器等器件的設(shè)計(jì)開發(fā)難度比較大，很多公司的產(chǎn)品目前使用的連接方式還是以波導(dǎo)為主。安立公司在毫米波半導(dǎo)體器件，微波器件，電纜和接頭方面一直有很深的研究，并且有多年的持續(xù)投入，在該方面一直處于業(yè)界的領(lǐng)先的位置。目前毫米波在工業(yè)和消費(fèi)類領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越多，研發(fā)工程師必須知曉測試系統(tǒng)中使用的同軸電纜給測試可能帶來的問題。安立公司為此開發(fā)了一系列的小型化儀表，可以有效的減少使用同軸電纜和連接器的數(shù)量，有效的提高測試精度。

市場展望

隨著科技的發(fā)展，越來越多的行業(yè)和應(yīng)用開始使用毫米波的頻率。

5G— 隨著智能手機(jī)用戶的增加和各種手機(jī)應(yīng)用軟件的發(fā)展，對無線數(shù)據(jù)傳輸速率的要求與日俱增。原有的頻譜資源已經(jīng)非常擁擠，不能滿足這些需求，急需新的頻譜資源來滿足這一需求。有鑒于此，2016年7月，美國FCC開放了將近11GHz的頻譜資源：27.5到28.35GHz， 37到38.6GHz，38.6到40GHz 和64 到71GHz，用于滿足該需求。雖然5G還在研發(fā)中，目前來看，最快應(yīng)用的將是家庭寬帶毫米波接入。在此之后，將會(huì)在移動(dòng)通信，基站中大規(guī)模應(yīng)用，并會(huì)使用波束賦形天線技術(shù)來補(bǔ)償信號(hào)在空間傳輸中產(chǎn)生的比較大的衰減。

汽車?yán)走_(dá) — 自動(dòng)駕駛技術(shù)實(shí)現(xiàn)的前提條件是汽車要能感知并且規(guī)避障礙物(見圖1)。因此汽車就需要一系列的雷達(dá)來探測和感知汽車周圍的環(huán)境。為了提高雷達(dá)的分辨率，目前主要使用的頻率是24GHz，77GHz和79GHz的毫米波頻率。

圖1、汽車?yán)走_(dá)的應(yīng)用

60GHz Wi-Fi (WiGig)— 隨著對高速傳輸速率需求的增加，在原有IEEE 的802.11ac 無線局域網(wǎng)(LAN)的基礎(chǔ)上，發(fā)展了802.11ad的標(biāo)準(zhǔn)。802.11ad的頻率范圍定義為58到64 GHz，該頻段是無需授權(quán)的頻段。最近，該頻段的頻率范圍擴(kuò)展到了71GHz (FCC 第15部分)。802.11ad主要用于高速無線多媒體傳輸?shù)膽?yīng)用，包括未壓縮的高清晰度電視和實(shí)時(shí)的音樂和圖片傳輸。

點(diǎn)對點(diǎn)微波回傳 — 電信的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中，一般使用光纖和微波兩種方式。光纖的優(yōu)勢是數(shù)據(jù)傳輸速率高，但是缺點(diǎn)是部署麻煩。微波的優(yōu)點(diǎn)是容易部署，適合基站回傳的應(yīng)用，被大量的使用。尤其是隨著各種小基站，如picocells(微微基站)， microcells(微基站) 和metrocells(地下基站)的大量部署，微波回傳也在被大量的使用。傳統(tǒng)的微波回傳頻段是6， 11， 18， 23 和38GHz。最新的60GHz微波回傳頻段是非授權(quán)頻段，具有使用成本低的優(yōu)勢，但是缺點(diǎn)是60GHz頻段受氧氣分子吸收的影響，衰減比較大。目前有些微波回傳使用的是80GHz的頻段，常用的頻段是E-BAND頻段，頻率范圍覆蓋71到76 GHz， 81 到86 GHz 和92 到95 GHz。

安全和防務(wù) — 雷達(dá)和衛(wèi)星通信是毫米波在軍工方面的主要應(yīng)用。毫米波最近在安全領(lǐng)域也逐漸開始得到應(yīng)用。利用毫米波特性開發(fā)的成像技術(shù)，可以使用非接觸的方式探測金屬和非金屬，用于探測武器或者爆炸物。如果您近期會(huì)乘坐美國的航班的話，您有可能在美國的機(jī)場看到并使用這些毫米波成像設(shè)備。

毫米波應(yīng)用的挑戰(zhàn)

如上文所述，基于毫米波的諸多優(yōu)點(diǎn)，可以開發(fā)很多的應(yīng)用。然而，高頻率的信號(hào)傳輸，也不可避免的帶來高的傳輸損耗，低的測試重復(fù)性和外場測試?yán)щy等問題。射頻和微波信號(hào)傳播損耗vs.頻率(f)與距離(d)的關(guān)系見下面的公式

在毫米波的頻率，受到大氣中，尤其是氧氣分子的影響，還會(huì)有比較大的大氣傳播衰減。圖2顯示了大氣傳播衰減和頻率之間的關(guān)系。在60GHz的頻段，由于氧氣分子對電磁波吸收的加劇，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)衰減的峰值。正因?yàn)?0GHz傳輸衰減比較大，傳輸距離相對短，同頻干擾也相對少，因此政府將60GHz頻段規(guī)定為非授權(quán)的頻段。同時(shí)，衰減較大對測試也帶來了挑戰(zhàn)，測試儀表需要比較大的輸出功率或比較高的接收靈敏度來保證測試的精度。

當(dāng)頻率到70GHz的時(shí)候，同軸連接器內(nèi)導(dǎo)體的直徑只有0.5mm，該尺寸已經(jīng)接近車床機(jī)械加工能力的極限，連接器上任何的毛刺甚至灰塵都會(huì)影響連接器的在毫米波頻段的匹配性能。相對于低頻連接器，在使用高頻連接器的時(shí)候，要?jiǎng)?wù)必小心，以免損壞。并且建議在每次使用之前，使用放大鏡檢查和進(jìn)行清潔，并且使用力矩扳手進(jìn)行連接。

圖2、大氣傳播衰減VS 頻率

應(yīng)對毫米波測試的挑戰(zhàn)

頻譜儀是進(jìn)行毫米波測試的關(guān)鍵的設(shè)備之一，配合信號(hào)源和天線，可以用于無線信道的衰落特性測試。在低頻段，常用臺(tái)式頻譜儀和天線組成測試系統(tǒng)。天線一般放置在轉(zhuǎn)臺(tái)上，臺(tái)式頻譜儀放置在測試臺(tái)上，兩者之間使用同軸線連接。然而在毫米波頻段，由于頻率的增加，同軸線的損耗會(huì)急劇的增加。例如，在70GHz的頻段，一個(gè)3m電纜的損耗會(huì)高于20dB，使用這樣的電纜進(jìn)行測試時(shí)，測量的范圍和精度會(huì)大大降低。同時(shí)，電纜的損耗和相位特性還會(huì)隨著溫度變化，這將導(dǎo)致測試的不確定度增加。為了去除電纜對測試的諸多影響，安立公司提出了全新的方案，使用超小型的頻譜儀和天線直接連接，便攜式的頻譜儀使用PC通過USB線進(jìn)行連接和控制(見圖3和4)。

圖3、使用臺(tái)式儀表進(jìn)行毫米波頻段的測試將會(huì)面臨電纜損耗過大的問題(b)

使用超小型的USB接口的儀表，可以將儀表和被測件直接連接(a)

圖4、28GHz的無線通道測試，使用電池供電的便攜式信號(hào)源通過天線發(fā)射0dBm的信號(hào)，使用USB式的頻譜儀和天線接收信號(hào)

減少測試系統(tǒng)中的連接次數(shù)和電纜數(shù)量會(huì)降低測試的誤差和降低誤測的比例。由于減少電纜的使用，也會(huì)降低信號(hào)傳輸?shù)牟黄ヅ?，減少由于電纜帶來的測試漂移，提高測試的精度。

功率計(jì)和頻譜儀的測試是“標(biāo)量”測試，意味著不包含信號(hào)的相位。功率計(jì)和頻譜儀連接處的失配會(huì)使部分信號(hào)被反射回去到信號(hào)源，信號(hào)反射到信號(hào)源后，信號(hào)源端口的失配會(huì)將反射信號(hào)重新反射到功率計(jì)和頻譜儀。反射信號(hào)的相位會(huì)隨著頻率而變化，相位的變化會(huì)導(dǎo)致反射信號(hào)和原有的入射信號(hào)矢量疊加時(shí)，總的信號(hào)強(qiáng)度可能為幅度相加或相減，導(dǎo)致總的幅度測量結(jié)果的紋波增加。這樣測試結(jié)果可能高于或者低于真實(shí)的情況。

失配的不確定度可以使用連接處的電壓反射系數(shù)ρ進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)電纜兩端連接處的反射系數(shù)為ρ1和ρ2，可以使用下面的公式計(jì)算正不確定度u+和負(fù)的不確定度u-，單位為dB。

可以使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行ρ的測量，圖5顯示的就是通過上述公式得到的不確定度曲線。例如：一個(gè)70GHz的信號(hào)源和一個(gè)功率計(jì)或頻譜儀通過電纜連接，信號(hào)源和功率計(jì)或頻譜儀端口的駐波比為2：1(ρ=1/3)，一個(gè)0dBm的功率測試的最差不確定度可能高達(dá)+0.92dB 到1.02 dB。如果一個(gè)系統(tǒng)的電纜或連接數(shù)量更多，相應(yīng)的誤差也會(huì)更大。

圖5、由于連接處的反射ρ1和 ρ2導(dǎo)致的測試不確定度(±dB)

使用高性能，低損耗的電纜可以降低測試不確定度，但是會(huì)帶來成本的上升等問題，例如一個(gè)2英尺長的精密測試電纜大約需要1000美元，同時(shí)在精密的測試電纜也不能完全消除連接端面的失配和電纜自身損耗帶來的測試誤差(見圖6)。如果在一個(gè)系統(tǒng)中使用多根電纜的話，問題將會(huì)變得更加復(fù)雜。例如，假設(shè)一個(gè)電纜在30GHz時(shí)候的損耗是5dB，在70GHz時(shí)候的損耗是8dB，同樣廠家生產(chǎn)的另一跟電纜，在30GHz時(shí)候的損耗是5dB，在70GHz時(shí)候的損耗卻是10dB。事實(shí)上，這種情況很常見，在這種情況下，損耗的計(jì)算就變得復(fù)雜了，可能需要一個(gè)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試每一個(gè)頻點(diǎn)的實(shí)際損耗，這將變得很繁瑣并且容易出錯(cuò)。如果能減少甚至消除電纜的使用，將被測件和測試儀表直接連接，將會(huì)大大簡化測試過程，并且提高測試精度。圖6的例子中，如果將頻譜儀和被測件直接連接，由于沒有了電纜的影響，靈敏度將增加5dB，測試不確定度會(huì)降低大約0.4dB。

圖6、當(dāng)使用電纜連接測試儀表和被測件時(shí)，由于電纜的反射和損耗引起的測量不確定度

毫米波測試的進(jìn)展

毫米波測試技術(shù)的進(jìn)展使得測試的精度得到了提高，1983年發(fā)明的40 GHz的K型連接器(安立公司專利)，1989年發(fā)明的70 GHz V型連接器和1997年發(fā)明的110GHz W型連接器的都是測試接口技術(shù)逐漸發(fā)展的例子。

測試儀表也在逐漸發(fā)展以滿足市場的需求：目前，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的一個(gè)同軸輸出口可以支持70kHz到145GHz，還有非常小巧的USB接口的頻譜分析儀，頻率范圍支持9kHz到110GHz(圖7)。

安立的毫米波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的外混頻器體積非常小，由于使用了非線性傳輸線(NLTL)技術(shù)，單次連接最寬覆蓋70kHz-110GHz/145GHz。并且由于使用同軸輸出，可以和探針直接連接，大大提高了測試的穩(wěn)定性和易用性，非常適合晶圓級別的探針測試。同樣使用了非線性傳輸線(NLTL)技術(shù)開發(fā)的手持頻譜儀，頻率范圍覆蓋9kHz-110GHz，體積只比一個(gè)智能手機(jī)稍大，卻可以提供和臺(tái)式儀表相媲美的性能，但是還具有比較低的價(jià)格和小的體積。由于體積很小，儀表可以和大部分的被測件直接連接，而不需要同軸電纜轉(zhuǎn)接。

圖7、當(dāng)前先進(jìn)的毫米波測試系統(tǒng)

安立的VectorStar 70kHz-145GHz矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(a)

安立的9kHz-110GHz手持頻譜分析儀MS2760A (b)

總結(jié)

在過去的十年中，隨著半導(dǎo)體，微波元器件，電纜，連接器和測試儀表的發(fā)展，大大降低了毫米波應(yīng)用的難度和成本，使得毫米波技術(shù)可以大規(guī)模應(yīng)用到價(jià)格敏感的商業(yè)和消費(fèi)類的產(chǎn)品及系統(tǒng)中。通過使用先進(jìn)的測試儀器，可以減少電纜的使用，減少因?yàn)槭浜碗娎|損耗引起的測試不確定度，提高毫米波頻段的測試精度，減少誤測，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。新推出的測試儀表大大提高測量了速度和精度，保證了研發(fā)和測試的順利進(jìn)展和成本降低。