Keysight tự tin đo kiểm công nghệ Millimeter-Wave

Sự truyền công suất tần số vô tuyến (RF) ở tần số mmWave rất khó khăn và tốn kém do suy hao đường truyền cao. Bất kỳ sai lệch kết nối ống dẫn sóng nào cũng có thể dẫn đến phản xạ không mong muốn, làm giảm chất lượng và công suất tín hiệu.

Không có đầu nối hoặc điểm dò dành cho đo kiểm, các thiết bị mmWave thường nhỏ gọn và có mức độ tích hợp cao. Thay vào đó, giao diện OTA được sử dụng để thực hiện phần lớn các phép đo. Tuy nhiên, phương pháp đo này làm tăng suy hao đường truyền, tăng độ phức tạp của phép đo và không đảm bảo kết quả đo chính xác.

Bảng 1 tính toán khoảng cách trường xa nhỏ nhất và suy hao đường truyền trong không gian tự do theo khẩu độ và tần số vận hành của ăng-ten để giúp bạn hiểu rõ hơn về suy hao đường truyền.

Chẳng hạn, chênh lệch suy hao đường truyền giữa 2 tần số hoạt động 2 và 28 GHz đối với kích thước ăng-ten 10 cm lên tới 45 dB. Giá trị chênh lệch này lên tới 53 dB ở tần số 43 GHz.

Bảng 1: Đánh giá khoảng cách trường xa và suy hao đường truyền cho các giá trị khẩu độ bức xạ khác nhau

Tại sao suy hao đường truyền quan trọng

Suy hao đường truyền quá lớn ở tần số mmWave giữa một thiết bị đo và thiết bị cần đo (DUT) dẫn đến giá trị tín hiệu tạp âm (SNR) quá thấp để có thể sử dụng cho phân tích tín hiệu.

Các phép đo máy phát, chẳng hạn như độ lớn của vector lỗi (EVM), công suất kênh lân cận và phát xạ giả, trở nên khó khăn hơn do chỉ số tín hiệu tạp âm thấp.

Các kỹ sư có thể giảm suy hao của máy phân tích tín hiệu để tăng cường tỉ số SNR, nhưng suy hao đường truyền ở tần số mmWave có thể lớn hơn 60 dB và mức tín hiệu đầu vào có thể nhỏ hơn - 40 dBm.

Ngay cả khi suy hao đầu vào được đặt ở mức 0 dB, tỉ số SNR có thể vẫn quá thấp để có thể thực hiện phân tích tín hiệu chính xác. Do đó, cần nỗ lực giảm tối đa có thể giá trị suy hao đường truyền trong khi đo kiểm mmWave.

Trong cùng một thiết lập đo kiểm lên kết quả đo EVM, hình 1 và hình 2 so sánh tác động của mức tín hiệu đầu vào cao và thấp. Hiệu năng EVM tăng khi tín hiệu đầu vào giảm.

Hình 1. Khi tín hiệu 64QAM có tỉ số SNR cao, hiệu năng EVM sẽ tốt hơn.

Hình 2. Khi tín hiệu 64QAM có tỷ số SNR thấp, hiệu năng EVM thấp.

Giảm suy hao đường truyền tín hiệu

Phần cứng và phần mềm linh hoạt của máy phân tích tín hiệu có thể mang lại giải pháp tốt nhất khi đánh giá máy phát, xử lý sự cố máy thu, phân tích tín hiệu OTA hoặc thực hiện bất kỳ nhiệm vụ nào khác.

Tín hiệu đầu vào có thể là tín hiệu có tỷ số tín hiệu tạp âm cao, tín hiệu tần số thấp hoặc tần số cao tới THz, hoặc tín hiệu sóng liên tục hoặc tín hiệu điều chế băng rộng phức tạp.

Lựa chọn đường truyền tín hiệu

Máy phân tích tín hiệu có thể gây suy hao tín hiệu công suất cao hoặc sử dụng bộ tiền khuếch đại cho tín hiệu có mức thấp để đo lường các loại tín hiệu đầu vào khác nhau.

Máy phân tích tín hiệu cũng cung cấp nhiều loại đường truyền tín hiệu, chẳng hạn như đường truyền mặc định, được truyền vòng tránh (bypass) bộ chọn trước viba, đường tuyền tạp âm thấp và đường truyền vòng tránh toàn phần (full-bypass), để giảm tạp âm, tăng độ nhậy và giảm suy hao đường truyền tín hiệu để có tỉ số SNR tốt hơn (xem hình 3).

• Đường truyền mặc định: Tín hiệu đầu vào đi qua bộ suy hao RF, bộ tiền khuếch đại và bộ chọn trước trước trước trước khi đi đến bộ trộn tín hiệu. Do băng thông dưới 45 MHz do hạn chế băng thông của bộ chọn trước, đường truyền này hữu ích nhất để đo lường tín hiệu mức thấp.

• Đường truyền vòng tránh bộ chọn trước viba: Bỏ qua bộ chọn trước hỗ trợ phân tích băng rộng và phản ứng tần số phẳng trên toàn băng thông của bộ số hóa digitizer.

• Đường truyền tạp âm thấp: Bỏ qua các bộ chuyển mạch suy hao cao trên đường truyền tiền khuếch đại và các bộ tiền khuếch đại.

• Đường truyền vòng tránh toàn phần: kết hợp đường truyền tạp âm thấp và đường truyền vòng tránh bộ chọn trước viba.

Đường truyền tín hiệu của máy phân tích tín hiệu X-series của Keysight, như trong Hình 3.

Trộn tín hiệu ngoài

Các loại cáp và phụ kiện trên đường truyền giữa máy phân tích tín hiệu và thiết bị cần đo DUT tạo ra suy hao chèn khi xây dựng hệ thống đo kiểm mmWave.

Sử dụng bộ trộn tín hiệu bên ngoài là một kỹ thuật kinh tế để mở rộng giải tần của máy phân tích tín hiệu và đưa mặt phẳng đo kiểm lại gần hơn thiết bị cần đo DUT nhằm giảm thiểu suy hao chèn trên đường truyền mmWave quá dài.

Bộ trộn sóng hài

Bộ trộn tín hiệu thông minh được sử dụng để thiết lập kết nối trộn tín hiệu ngoài, như trong Hình 4 minh. Để được chuyển đổi thành tín hiệu đầu vào của thiết bị cần đo DUT, máy phân tích tín hiệu gửi một tín hiệu viba do bộ tạo dao động nội bộ tạo ra tới bộ trộn tín hiệu ngoài.

Tín hiệu trung tần (IF) được tạo ra bởi bộ trộn tín hiệu và tín hiệu này sau đó được gửi đến máy phân tích tín hiệu để phân tích. Tương tự như khi xử lý tín hiệu trộn nội bộ, máy phân tích tín hiệu tiếp tục xử lý lọc, số hóa, phân tích và hiển thị tín hiệu IF.

Hình 4. Thiết lập kết nối bộ trộn tín hiệu hài thông minh.

Chi phí hợp lý để phân tích tín hiệu mmWave và cổng đo kiểm được đưa đến gần thiết bị cần đo hơn bằng cách kết nối tín hiệu ngoài. Tuy nhiên, khi tần số đo nằm ngoài băng tần của bộ trộn tín hiệu, chúng ta cần kết nối lại tín hiệu đo kiểm với cổng đầu vào RF của máy phân tích tín hiệu hoặc tới một bộ trộn tín hiệu với băng tần khác. Sau đó, chúng ta phải chuyển đổi nguồn tín hiệu đầu vào tương ứng từ giao diện vận hành.

Mức độ phức tạp của phép đo kiểm và sự không chắc chắn của kết quả đo được tăng lên do các bước thực hiện này. Tín hiệu ngoài băng cường độ mạnh có thể dẫn đến phổ ảnh không mong muốn trong băng tần cần đo và làm giảm tính chính xác của phép đo.

Bộ mở rộng dải tần

Bộ mở rộng tần số ngoài tiên tiến kết hợp một bộ chọn trước và một thiết bị chuyển mạch RF với bộ trộn tín hiệu dải động và được kết nối liền mạch với máy phân tích tín hiệu.

Với băng thông trung tần IF lên tới 11GHz, phương pháp này cho phép quét phổ tần không phân băng và lựa chọn trước từ 2 Hz đến 110 GHz, không cần quản lý phân băng và ảnh phổ. Thiết lập đo kiểm cho máy phân tích tần số và bộ mở rộng tần số ngoài được thể hiện trong Hình 5.

Hình 5. Thiết lập máy phân tích phổ N9042B UXA X-Series signal analyzer và bộ mở rộng dải tần V3050A.

Không chỉ là một giải pháp

Ngoài tần số cao hơn, dải tín hiệu đầu vào rộng hơn là vấn đề của phép đo kiểm mmWave. Để đánh giá đúng các linh kiện và thiết bị mmWave, đội ngũ kỹ sư phải đặc biệt chú ý. Bạn có thể nhận được kết quả đo chính xác và khả lặp nếu bạn hiểu rõ về các ứng dụng đo kiểm và các thiết bị đo được sử dụng trong các phép đo mmWave.

Trên đây là bài viết của Eric Hsu, Giám đốc tiếp thị sản phẩm của Keysight Technologies, Inc., mà Tạp chí Điện thử giới thiệu cho bạn đọc.

Theo Tạp chí Điện tử

Cập nhật tin tức công nghệ mới nhất tại fanpage Công nghệ & Cuộc sống