L’analisi di rete a onde millimetriche

Una caratterizzazione e modellizzazione accurata di dispositivi a banda larga presenta molte sfide che diventano più difficili quando tali dispositivi operano nel campo delle frequenze millimetriche. Nella valutazione di un analizzatore di rete vettoriale (VNA), che è lo strumento più comunemente utilizzato per queste applicazioni, le caratteristiche cruciali oltre al range di frequenza single-sweep includono la stabilità e l’incertezza in tutta la fascia di misura. Una nuova soluzione chiamata analizzatore di rete a banda larga offre prestazioni di misura eccezionali con stabilità inferiore a 0,015 dB e meno di 0,15 gradi nell’arco di 24 ore. Gli analizzatori di rete a banda larga N5290A e N5291A di Keysight hanno un range di frequenza che parte da 900 Hz fino a 120 GHz. Sfruttando le competenze di Keysight in metrologia e calibrazione, queste soluzioni offrono risultati tracciabili e metrologici in tutta la gamma di frequenza.

Nuove possibilità di misura

La tecnologia a onde millimetriche è disponibile da decenni, soprattutto in applicazioni aerospaziali, di difesa e backhaul dove i vantaggi hanno giustificato i costi elevati di sviluppo, produzione e supporto. Più di recente i progressi nella fabbricazione stanno riducendo il costo dei dispositivi ad alta frequenza (EHF), rendendoli più accessibili anche per applicazioni commerciali e consumer. Ad esempio, gli sviluppatori che utilizzano la tecnologia Cmos hanno prodotto dispositivi con fT superiore a 500 GHz e alcuni stanno cercando di estendere questa ormai conveniente tecnologia nel range dei terahertz. Keysight, ha sviluppato e continua a sviluppare, componenti ad alte frequenze per i propri strumenti. Le sue proprie capacità in-house nello sviluppo di tecnologia a semiconduttore a microonde hanno portato allo sviluppo di un processo per la creazione di componenti in Fosfuro di Indio che supporta frequenze di commutazione dei transistor oltre ai 300 GHz. Ciò consente di ottenere una larghezza di banda più ampia negli circuiti integrati utilizzati in apparecchiature di test e altri dispositivi.

Ottenere misure migliori

La creazione di apparecchiature di test commerciali che permettano di avere risultati precisi e ripetibili a frequenze d’onda millimetriche presenta diverse difficoltà. Due temi fondamentali come l’efficienza nel trasporto di segnale e la potenza del segnale di test sono particolarmente sentiti. A queste frequenze, così elevate, il trasporto del segnale avviene utilizzando linee di trasmissione a guida d’onda: questa deve essere molto precisa per garantire il corretto funzionamento interno di uno strumento a onde millimetriche. La gestione dei segnali da 100 GHz a 1 THz richiede l’utilizzo di diverse bande di guida d’onda. A queste lunghezze d’onda, qualsiasi inclinazione in una connessione a flangia può causare riflessioni indesiderate che degradano la qualità del segnale e ne riducono la potenza. La generazione di livelli di potenza adeguati è impegnativa perché è difficile mantenere simultaneamente l’efficienza e la linearità dei componenti attivi come gli amplificatori a queste frequenze. Ciò tende a limitare il livello massimo di potenza che un generatore di segnali o una sorgente all’interno di un analizzatore di rete può produrre. Una volta che questi problemi sono stati risolti, le successive grandi sfide sono la calibrazione dello strumento e la relativa configurazione di test. È difficile calcolare accuratamente i livelli di potenza a frequenze estremamente elevate, ma un controllo preciso della potenza è essenziale per garantire la precisione della misura ed evitare danni al dispositivo in esame. Per i neofiti, le misure a onde millimetriche possono sembrare coinvolgere l’arte, la scienza e la fortuna. In realtà gli ingegneri potranno beneficiare di un nuovo inizio: mettere da parte le vecchie abitudini, avere un approccio più libero e ridefinire tutte le aspettative. Ad esempio, è necessario prestare molta attenzione a ogni fase del set-up di una misura: strumenti, cavi e accessori. Ciò richiede tempo per garantire collegamenti incontaminati, pulire l’upconversion dei segnali in uscita, precisa downconversion dei segnali in ingresso, segnali spuri interni a basso livello e armoniche interne ben gestite. Questi fattori sono fondamentali per l’analisi di rete e la caratterizzazione di dispositivi passivi o attivi (rispettivamente parametri S o X).

Capacità di misura

Keysight ha affrontato questi dettagli nelle sue nuove soluzioni a onde a banda larga e millimetriche. La piattaforma di misura è un PNA o PNA-X VNA che funziona a 26,5 o a 67 GHz. Gli altri elementi di base sono un controller, a due o quattro porte, e dei moduli molto compatti per l’estensione di frequenza (chiamati anche moduli intelligenti). I moduli intelligenti comprendono connettori da 1,0 mm, raffreddamento a convezione e dati di caratterizzazione integrati che consentono la completa calibrazione della potenza della porta al momento dell’accensione. Per semplificare le misurazioni del benchtop, gli ingegneri possono montare i moduli di estensione di frequenza su un posizionatore desktop opzionale. Le nuove soluzioni producono misurazioni che sono tracciabili dagli istituti nazionali di misura. Alla base vi è un kit di calibrazione da 1,0 mm e il risultato è un’incertezza di misura tracciabile per i parametri di prestazione chiave come gli errori di taratura residua, la precisione dinamica del sistema e la stabilità. Un sensore di potenza a termocoppia Usb (U8489A) con una copertura DC fino a 120 GHz semplifica la calibrazione della sorgente. Funzioni di de-embedding automatiche sono presenti nel software dello strumento per misurare in maniera accurata dispositivi non connettorizzati permettendo di compensare per eventuali supporti di prova o eseguire la calibrazione alle punte della sonda per aumentare l’accuratezza delle misure su wafer.

Stabilità e precisione

A frequenze d’onda millimetriche, le prestazioni complessive di un sistema di misura dipendono anche dal design fisico e meccanico. All’interno dei nuovi moduli intelligenti, Keysight ha applicato capacità avanzate di lavorazione per la realizzazione di una tecnologia di accoppiamento a banda larga che garantisce una stabilità eccezionale durante la calibrazione della misura. Nel controller e nei moduli intelligenti di estensione della frequenza, le porte di test ad alta resistenza da 1,0 mm assicurano collegamenti ripetibili della misura, giorno dopo giorno. Ciò riduce l’incertezza di calibrazione e migliora ulteriormente la precisione di misura a livello di sistema.

Testare più componenti

I circuiti integrati monolitici a microonde di nuova generazione o MMIC incorporano componenti che operano in diverse frequenze: banda base, RF, microonde e onde millimetriche. Un VNA con una copertura single-sweep da pochi Hertz a Gigahertz consente agli sviluppatori di testare tutti quei componenti in una singola misura. Una copertura di frequenza più ampia riduce anche il costo della soluzione di test. Ad esempio, una frequenza di avvio di 900 Hz in un analizzatore di rete a onde millimetriche può eliminare la necessità di acquistare un VNA a bassa frequenza dedicato. Un ulteriore vantaggio: la capacità di utilizzare un solo analizzatore consente di risparmiare tempo e di ridurre la complessità semplificando lo sviluppo del software del sistema di test. Maggiore integrazione all’interno dei MMIC e altri progetti a banda larga, significa spesso testare più funzioni per dispositivo attraverso pochi punti di accesso. Per fare queste misure tradizionalmente abbiamo bisogno di strumenti separati che devono essere connessi al dispositivo sotto test. La necessità di collegare, scollegare e ricollegare il Dut a, per esempio, un analizzatore di rete o di spettro è scomodo e richiede più tempo. La soluzione più conveniente è un VNA con un’architettura SCMM (Single-Connection / Multiple-Measurement). Come implementato negli analizzatori di rete PNA-X, gli ingegneri possono misurare le caratteristiche chiave dei dispositivi passivi o attivi con una sola connessione: parametri S, cifra di rumore, guadagno di compressione, distorsione armonica totale, distorsione di intermodulazione e altro ancora. Per una maggiore versatilità, la funzionalità SCMM supporta l’applicazione di misura dell’analisi di spettro della famiglia PNA.

Semplificare i compiti complessi

Per aiutare gli utilizzatori a risparmiare tempo e configurare facilmente attività complesse, le applicazioni di misura indirizzano test specifici e consentono di approfondire le prestazioni del dispositivo:

  • misura scalare del mixer / convertitore: caratterizzazione scalare di mixer e convertitori di frequenza;
  • applicazione per la caratterizazione del guadagno di compressione: fornisce una caratterizzazione completa degli amplificatori e dei convertitori di frequenza;
  • misura della cifra di rumore: consente ulteriori caratterizzazioni delle prestazioni del convertitore di frequenza;
  • applicazione per la caratterizzazione di dispositivi differenziali e I/Q: semplifica la verifica degli amplificatori e dei mixer;
  • funzione analizzatore di spettro: fornisce un’analisi di spettro multicanale calibrata fino a 120 GHz, o nella gamma dei terahertz utilizzando moduli per l’estensione di frequenza compatibili.

Il software che governa queste applicazioni utilizza una versione tattile, semplificando operazioni complesse e fornendo un approccio intuitivo.

Una piattaforma comune

Una buona usabilità è vantaggiosa quando si eseguono misure di base come i parametri S e diventa essenziale quando si tratta di compiti complessi come la caratterizzazione di mixer e altri dispositivi di conversione di frequenza. Per aiutare a garantire risultati significativi in meno tempo, molti clienti hanno chiesto a Keysight di creare procedure di misura integrate negli strumenti e di presentare tali informazioni sullo schermo dell’analizzatore. Questo è un concetto importante, date le pressioni temporali e le esigenze di progettazione che la maggior parte dei tecnici affrontano. È anche un’idea logica e fattibile che utilizza le risorse di processore, memoria e visualizzazione presenti negli ultimi VNA. Per affrontare queste esigenze, il team di progettazione Keysight ha perseguito lo sviluppo in parallelo verso due obiettivi: prestazioni di misura e usabilità del pannello frontale. Per fornire una solida base per i VNA Keysight di nuova generazione, il team di sviluppo ha creato una piattaforma comune che sfrutta i migliori attributi delle famiglie di analisi di rete VNA e PNA. Due principi guida sono stati fondamentali: essere invitanti e intuitivi per i nuovi utenti pur rimanendo familiari e confortevoli per gli utenti esistenti. Il risultato è un’interfaccia grafica che è utile agli ingegneri che, di tanto in tanto, devono eseguire una serie di misure, semplici o complesse che siano, ma anche per gli utenti esperti che occasionalmente hanno bisogno di effettuare misurazioni estremamente complesse. Tutti gli utenti apprezzeranno la familiarità con la tecnologia touch-enabled della Gui, simile a quella utilizzata negli smartphone, nei tablet e nei computer portatili. Gli aggiornamenti includono: schermo widescreen da 12,1 pollici con Gui multi-touch; facile accesso alle funzioni utilizzate frequentemente; impostazioni rapide con tasti soft-touch e menu di dialogo; gesti intuitivi singoli e multi-touch per trascinare e ingrandire le tracce; versatilità, capacità di marcatura touch-driven. Per una maggiore flessibilità, l’utente può anche personalizzare il posizionamento di tracce e finestre sullo schermo dell’analizzatore.

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