應(yīng)對(duì)毫米波測(cè)試的挑戰(zhàn)

在很長(zhǎng)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(duì)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(cè)試系統(tǒng)中使用的同軸電纜給測(cè)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(cè)試精度。

市場(chǎng)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(duì)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(cè)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(duì)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(duì)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(shì)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(shì)，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(cè)金屬和非金屬，用于探測(cè)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(chǎng)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(cè)試重復(fù)性和外場(chǎng)測(cè)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(duì)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(duì)短，同頻干擾也相對(duì)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(duì)測(cè)試也帶來了挑戰(zhàn)，測(cè)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(cè)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(duì)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(duì)毫米波測(cè)試的挑戰(zhàn)

頻譜儀是進(jìn)行毫米波測(cè)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(cè)試。在低頻段，常用臺(tái)式頻譜儀和天線組成測(cè)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(cè)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(cè)試時(shí)，測(cè)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(cè)試的不確定度增加。為了去除電纜對(duì)測(cè)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(cè)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(cè)件直接連接(a)

圖4、28GHz的無線通道測(cè)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(cè)試系統(tǒng)中的連接次數(shù)和電纜數(shù)量會(huì)降低測(cè)試的誤差和降低誤測(cè)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(cè)試漂移，提高測(cè)試的精度。

功率計(jì)和頻譜儀的測(cè)試是“標(biāo)量”測(cè)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(cè)量結(jié)果的紋波增加。這樣測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試不確定度(±dB)

使用高性能，低損耗的電纜可以降低測(cè)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(zhǎng)的精密測(cè)試電纜大約需要1000美元，同時(shí)在精密的測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)件和測(cè)試儀表直接連接，將會(huì)大大簡(jiǎn)化測(cè)試過程，并且提高測(cè)試精度。圖6的例子中，如果將頻譜儀和被測(cè)件直接連接，由于沒有了電纜的影響，靈敏度將增加5dB，測(cè)試不確定度會(huì)降低大約0.4dB。

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

毫米波測(cè)試的進(jìn)展

毫米波測(cè)試技術(shù)的進(jìn)展使得測(cè)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(cè)試接口技術(shù)逐漸發(fā)展的例子。

測(cè)試儀表也在逐漸發(fā)展以滿足市場(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(cè)試的穩(wěn)定性和易用性，非常適合晶圓級(jí)別的探針測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試不確定度，提高毫米波頻段的測(cè)試精度，減少誤測(cè)，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。新推出的測(cè)試儀表大大提高測(cè)量了速度和精度，保證了研發(fā)和測(cè)試的順利進(jìn)展和成本降低。