Soluzioni per misure ad alta frequenza

Sebbene siano disponibili Vector Network Analyzer per l’esecuzione di test a frequenze molto elevate, da alcuni GigaHertz fino ai TeraHertz, la richiesta più diffusa è quella di strumenti operanti nella gamma di frequenze comprese tra 70 kHz a 145 GHz. Eseguire test che coprano tale gamma in un singolo sweep presenta non poche sfide. Lo strumento, per essere in grado di funzionare dalle basse frequenze fino alle frequenze millimetriche, dovrà necessariamente contenere più tecnologie. Inoltre, il Vna dovrà funzionare con un massimo di quattro porte ed essere compatibile con il montaggio su una stazione di rilevamento. Un moderno Vna è in grado di soddisfare questi requisiti. Ci sono svariate applicazioni per questo tipo di analizzatore, in particolare nel settore delle telecomunicazioni, dove attualmente il bit rate può oscillare tra le decine di Gb/s ai 400 Gb/s, e sta diventando sempre più veloce, e dove la migrazione verso la quinta generazione sta generando una richiesta di trasmissioni radio ad altissima frequenza, fino a 100 GHz. Ma ci possono anche essere più applicazioni industriali, come l’utilizzo per la misurazione delle onde millimetriche delle proprietà di nuovi materiali, o in situazioni meteorologiche dove i sistemi radar sono utilizzati per misurare le onde elettromagnetiche, o ancora per la misura di frequenze estremamente elevate in applicazioni di tipo imaging nei settori medicale, sicurezza e difesa.

Misure effettuate con Vna

Nella pratica, un Vna misura l’ampiezza e fase di un’onda riflessa o trasmessa in un dispositivo, da cui ulteriori misurazioni, che includono potenza, intermodulazione, fattore rumore e i parametri della modalità differenziale, possono essere derivati. Un diagramma semplificato mostra la configurazione di un Vna a quattro porte. Poiché ciascuna porta di test può generare la sorgente del segnale, oltre a essere in grado di misurare la riflessione e la trasmissione, deve disporre di connettori in grado di supportare frequenze a banda larga. I connettori basati su guida d’onda non sono adatti a causa della loro larghezza di banda limitata, quindi viene utilizzata una porta coassiale con un connettore da 0,8 mm specificato fino a 145 GHz e in grado di testare fino a 150 GHz. Le sue piccole dimensioni significano che deve essere maneggiato con cura, ma il suo design previene qualsiasi danno al pin interno. Questo connettore è uno standard del settore e viene utilizzato in adattatori, cavi e sonde di test (singoli o doppi) di diversi produttori.

Lo schema di un analizzatore

Sebbene il Vna debba funzionare su un’ampia gamma di frequenze, alcuni componenti chiave utilizzati nell’analizzatore, come gli accoppiamenti e gli oscillatori, non possono essere ottimizzati per funzionare su tutta la banda di frequenza. Di conseguenza, al fine di coprire l’intera banda, ogni strumento contiene tre analizzatori: ciascuno utilizza tecnologie diverse per coprire le bande di frequenza da 40 kHz a 2,5 GHz, da 2,5 a 30 GHz e da 30 a 150 GHz, rispettivamente. Le prime due bande di frequenza sono coperte dal VectorStar MS4647B di Anritsu, un Vna standard che copre le basse e alte frequenze con due analizzatori nello stesso chassis insieme a diversi accoppiatori, sorgenti e campionatori. Le varie funzionalità sono collegate internamente in modo che vengano visualizzate come un’unica apparecchiatura sullo schermo del Vna. L’ultima banda da 30 a 150 GHz è coperta con l’uso di un modulo aggiuntivo esterno a onde millimetriche. Questo modulo è separato dal telaio per due motivi: in primo luogo perché consente un maggior grado di modularità e in secondo luogo perché consente di posizionare la porta di prova vicino al dispositivo sottoposto a test al fine di ridurre al minimo le perdite dei cavi ad alta frequenza. Una caratteristica importante dei Vna di Anritsu è l’uso di linee di trasmissione non lineari, o “shocklines”, che consentono loro di generare segnali ad altissima frequenza con livelli di ampiezza elevata per creare sorgenti di segnali e oscillatore locale, oltre a consentire l’uso di campionatori nel Vna. Di conseguenza, lo strumento può eseguire misurazioni con un intervallo dinamico elevato su un ampio spettro di frequenze. Un altro punto importante è che Anritsu è riuscita a miniaturizzare questa tecnologia per consentirne la realizzazione trammite un Asic di piccole dimensioni.

La configurazione dei test

Le misurazioni di wafer rappresentano una sfida nelle configurazioni multiporta poiché è necessario montare sulla stazione quattro moduli a onde millimetriche e connetterli alla sonda. Il fatto che questi moduli misurino ciascuno più di 400 × 200 × 100 mm rende difficile o impossibile installare quattro moduli sulla stessa piastra di una stazione di rilevamento. Per risolvere questo problema, Anritsu ha miniaturizzato tutti i componenti chiave, inclusi campionatori e accoppiatori, e li ha combinati con l’Asic ShockLine per creare nuovi moduli a onde millimetriche per misurazioni a 110 GHz e 145 GHz, che misurano solo 55 x 54 x 22 mm. Per consentire una maggiore modularità, i moduli a 110 GHz dispongono di adattatori per interfacce a guida d’onda. L’installazione di configurazioni di test sulle stazioni di rilevamento richiede tempo e molta attenzione, ed è complicata dalla disponibilità di diversi modelli di stazioni di rilevamento, di diversi produttori, che offrono diversi posizionatori e supporti per i moduli a onde millimetriche. Fortunatamente, con le ridotte dimensioni dei moduli Anritsu, l’utente può facilmente organizzare diverse configurazioni di test, anche con il montaggio nord-sud e est-ovest. Diverse opzioni di assemblaggio possono colmare la distanza tra i puntali della sonda e il modulo, sia indiretto, attraverso un cavo coassiale, o tramite una guida d’onda. Per le misurazioni su dispositivi con connettori coassiali o in guida d’onda, i moduli sono collegati ai componenti direttamente o tramite un cavo, senza utilizzare la stazione della sonda. Con la manovrabilità, le piccole dimensioni e la massa ridotta dei moduli, è possibile posizionarli il più vicino possibile al dispositivo in prova.

Applicazioni di misura

I test più comuni eseguiti utilizzando un analizzatore di rete vettoriale sono le misurazioni dei parametri S. Con il nuovo VectorStar è possibile eseguire una vasta gamma di misurazioni aggiuntive, anche a frequenze in banda larga, tra cui test di potenza, punto di compressione, Imd, impulso, offset della frequenza del ricevitore e fattore di rumore. Con la configurazione multiporta, è possibile  rappresentare diverse modalità, tra cui Independent Port, Common-Mode e Differential. Il Vna della serie VectorStar può fornire una elevata gamma dinamica, precisione, stabilità e frequenze a banda larga. Da 2 MHz a 145 GHz la sensibilità è superiore a -100 dBm, e per i piccoli livelli di segnale la fonte di alimentazione è regolabile tra -6 dBm e -50 dBm a 145 GHz. La stabilità corrispondente nelle 24 ore è compresa tra 0,04 dB per fase e magnitudo e 0,3 ° per la fase. La Fig.5 mostra le curve per il sistema dinamico e lo sweep di potenza. Come con qualsiasi Vna, è necessaria la calibrazione prima che inizi la misurazione. Sono disponibili numerosi strumenti di supporto per la calibrazione e una modalità ibrida che consente di combinare diversi metodi. Esistono anche strumenti di estrazione dalla rete che possono essere utilizzati per rimuovere o aggiungere elementi nella catena di misurazione come un puntale, un cavo o un adattatore.

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