應對毫米波測試的挑戰

在很長(cháng)的一段時(shí)間內，毫米波(大于40GHz頻段)主要用于軍事領(lǐng)域，包括各種雷達，衛星通信等，民用應用也只限于微波點(diǎn)對點(diǎn)的應用中。由于工作在毫米波頻段的同軸電纜和連接器等器件的設計開(kāi)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為主。安立公司在毫米波半導體器件，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)和消費類(lèi)領(lǐng)域的應用也越來(lái)越多，研發(fā)工程師必須知曉測試系統中使用的同軸電纜給測試可能帶來(lái)的問(wèn)題。安立公司為此開(kāi)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量，有效的提高測試精度。

市場(chǎng)展望

隨著(zhù)科技的發(fā)展，越來(lái)越多的行業(yè)和應用開(kāi)始使用毫米波的頻率。

5G— 隨著(zhù)智能手機用戶(hù)的增加和各種手機應用軟件的發(fā)展，對無(wú)線(xiàn)數據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(mǎn)足這些需求，急需新的頻譜資源來(lái)滿(mǎn)足這一需求。有鑒于此，2016年7月，美國FCC開(kāi)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(mǎn)足該需求。雖然5G還在研發(fā)中，目前來(lái)看，最快應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，基站中大規模應用，并會(huì )使用波束賦形天線(xiàn)技術(shù)來(lái)補償信號在空間傳輸中產(chǎn)生的比較大的衰減。

汽車(chē)雷達 — 自動(dòng)駕駛技術(shù)實(shí)現的前提條件是汽車(chē)要能感知并且規避障礙物(見(jiàn)圖1)。因此汽車(chē)就需要一系列的雷達來(lái)探測和感知汽車(chē)周?chē)沫h(huán)境。為了提高雷達的分辨率，目前主要使用的頻率是24GHz，77GHz和79GHz的毫米波頻率。

圖1、汽車(chē)雷達的應用

60GHz Wi-Fi (WiGig)— 隨著(zhù)對高速傳輸速率需求的增加，在原有IEEE 的802.11ac 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(LAN)的基礎上，發(fā)展了802.11ad的標準。802.11ad的頻率范圍定義為58到64 GHz，該頻段是無(wú)需授權的頻段。最近，該頻段的頻率范圍擴展到了71GHz (FCC 第15部分)。802.11ad主要用于高速無(wú)線(xiàn)多媒體傳輸的應用，包括未壓縮的高清晰度電視和實(shí)時(shí)的音樂(lè )和圖片傳輸。

點(diǎn)對點(diǎn)微波回傳 — 電信的數據傳輸應用中，一般使用光纖和微波兩種方式。光纖的優(yōu)勢是數據傳輸速率高，但是缺點(diǎn)是部署麻煩。微波的優(yōu)點(diǎn)是容易部署，適合基站回傳的應用，被大量的使用。尤其是隨著(zhù)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) — 雷達和衛星通信是毫米波在軍工方面的主要應用。毫米波最近在安全領(lǐng)域也逐漸開(kāi)始得到應用。利用毫米波特性開(kāi)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(huà)，您有可能在美國的機場(chǎng)看到并使用這些毫米波成像設備。

毫米波應用的挑戰

如上文所述，基于毫米波的諸多優(yōu)點(diǎn)，可以開(kāi)發(fā)很多的應用。然而，高頻率的信號傳輸，也不可避免的帶來(lái)高的傳輸損耗，低的測試重復性和外場(chǎng)測試困難等問(wèn)題。射頻和微波信號傳播損耗vs.頻率(f)與距離(d)的關(guān)系見(jiàn)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 )出現一個(gè)衰減的峰值。正因為60GHz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頻段規定為非授權的頻段。同時(shí)，衰減較大對測試也帶來(lái)了挑戰，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(lái)保證測試的精度。

當頻率到70GHz的時(shí)候，同軸連接器內導體的直徑只有0.5mm，該尺寸已經(jīng)接近車(chē)床機械加工能力的極限，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，要務(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

應對毫米波測試的挑戰

頻譜儀是進(jìn)行毫米波測試的關(guān)鍵的設備之一，配合信號源和天線(xiàn)，可以用于無(wú)線(xiàn)信道的衰落特性測試。在低頻段，常用臺式頻譜儀和天線(xiàn)組成測試系統。天線(xiàn)一般放置在轉臺上，臺式頻譜儀放置在測試臺上，兩者之間使用同軸線(xiàn)連接。然而在毫米波頻段，由于頻率的增加，同軸線(xiàn)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(zhù)溫度變化，這將導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(xiàn)直接連接，便攜式的頻譜儀使用PC通過(guò)USB線(xiàn)進(jìn)行連接和控制(見(jiàn)圖3和4)。

圖3、使用臺式儀表進(jìn)行毫米波頻段的測試將會(huì )面臨電纜損耗過(guò)大的問(wèn)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(wú)線(xiàn)通道測試，使用電池供電的便攜式信號源通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射0dBm的信號，使用USB式的頻譜儀和天線(xiàn)接收信號

減少測試系統中的連接次數和電纜數量會(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 )降低信號傳輸的不匹配，減少由于電纜帶來(lái)的測試漂移，提高測試的精度。

功率計和頻譜儀的測試是“標量”測試，意味著(zhù)不包含信號的相位。功率計和頻譜儀連接處的失配會(huì )使部分信號被反射回去到信號源，信號反射到信號源后，信號源端口的失配會(huì )將反射信號重新反射到功率計和頻譜儀。反射信號的相位會(huì )隨著(zhù)頻率而變化，相位的變化會(huì )導致反射信號和原有的入射信號矢量疊加時(shí)，總的信號強度可能為幅度相加或相減，導致總的幅度測量結果的紋波增加。這樣測試結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ρ進(jìn)行計算。假設電纜兩端連接處的反射系數為ρ1和ρ2，可以使用下面的公式計算正不確定度u+和負的不確定度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(guò)上述公式得到的不確定度曲線(xiàn)。例如：一個(gè)70GHz的信號源和一個(gè)功率計或頻譜儀通過(guò)電纜連接，信號源和功率計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+0.92dB 到1.02 dB。如果一個(gè)系統的電纜或連接數量更多，相應的誤差也會(huì )更大。

圖5、由于連接處的反射ρ1和 ρ2導致的測試不確定度(±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(lái)成本的上升等問(wèn)題，例如一個(gè)2英尺長(cháng)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?yè)p耗帶來(lái)的測試誤差(見(jiàn)圖6)。如果在一個(gè)系統中使用多根電纜的話(huà)，問(wèn)題將會(huì )變得更加復雜。例如，假設一個(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(chǎng)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(jiàn)，在這種情況下，損耗的計算就變得復雜了，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。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(jiǎn)化測試過(guò)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(méi)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(zhuān)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(mǎn)足市場(chǎng)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(xiàn)性傳輸線(xiàn)(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(xiàn)性傳輸線(xiàn)(NLTL)技術(shù)開(kāi)發(fā)的手持頻譜儀，頻率范圍覆蓋9kHz-110GHz，體積只比一個(gè)智能手機稍大，卻可以提供和臺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接。

圖7、當前先進(jìn)的毫米波測試系統

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

在過(guò)去的十年中，隨著(zhù)半導體，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用的難度和成本，使得毫米波技術(shù)可以大規模應用到價(jià)格敏感的商業(yè)和消費類(lèi)的產(chǎn)品及系統中。通過(guò)使用先進(jìn)的測試儀器，可以減少電纜的使用，減少因為失配和電纜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。