原创 执行毫米波测试分析的4个技巧

2022-11-4 09:35 216 1 1 分类: 测试测量

微波和毫米波频率的工程设计有着内在的挑战性。当射频工程师转向毫米波频率和更宽带宽的设计时,他们必须解决微波和毫米波频段带宽更宽、数据速率更高所带来的噪声增加问题。如此处所示,这种噪声降低了信噪比(SNR),并最终减小了信道容量增益。

 

1:比较不同信道带宽的最大频谱效率。

S 形曲线显示了频谱容量和信道效率如何随着带宽的增加而减小

 

1还显示了现有业务的频谱效率和使用的信道带宽。射频工程师已经将这方面的理论 转化为现实。随着毫米波技术的普及,这些权衡都可以优化。

 

执行毫米波频率测试是一项需要小心谨慎的重要工作。在较低频率下可以忽略的许多因素在毫米波应用中变得非常重要。精度和动态范围已经随着频率的增加而下降,而您并不想影响其他特性,包括精度、可重复性或连接损耗。由于您购买的测量解决方案(包括信号分析仪、信号发生器和相关设备)变得更加昂贵,所以您希望尽量发挥其全部性能,并尽量节省成本。

 

无论是否在毫米波频率上进行过多次测量,您可能都会关注该领域的发展。随着无线和其他应用向更高频率和更宽带宽发展,频率覆盖范围不再短缺。在毫米波频率上进行精确、可靠的测量必然会对您提出挑战,要求您磨练自身技能,并更加重视某些您在射频乃至微波频率上曾经忽视的要素。

 

向更高频率和更宽带宽发展时,这四个优化毫米波信号分析的技巧就显得异常重要。

技巧 1:连接器保护器可以发挥重要作用。

2许多毫米波信号发生器和分析仪的前面板使用有大直径凸面法兰的阳头连接器。

 

作为连接器保护器的同轴适配器是一个实用的配件,以减轻磨损和损坏更微妙的输入连接器。解决连接权衡的一个方法是不采用末端配阳头连接器的常规电缆,而是使用其他类型的电缆以减少一些适配器。尤其是不经常取下电缆时,电缆可以取代连接器保护器并简化测试连接。另外,还应仔细考虑电缆长度和质量。优质的电缆可能很昂贵,但却是提高精度和可重复性最经济高效的方式。

 

连接器保护器的另外两个优点是“消耗品”和“可替换”。毫米波连接器自然是小巧精致,而更换仪器前面板连接器则是成本高昂。更重要的是,仪器通常需要重新校准而暂时无法使用。

 

若需要频繁改变连接,那么可以将牺牲适配器半永久地连接到仪器的前面板上。当适配器损坏或磨损后,可以很容易地以适度的费用更换适配器。相对而言,即使是最昂贵的计量级适配器在成本上也少于仪器维修和重新校准的费用。

 

技巧 2:外混频或直接频率覆盖,哪一种是您的最佳选择?

3:这里显示了两种解决方案。

 

预算和测试设置考虑因素将在今天可用选项中决定最佳选择方面发挥关键作用。长期以来,外混频(左)都是进行毫米波频率测量的一种经济、实用的方式。图3中,实用毫米波测量最初是用外部混频器(左)实现的,但是直接覆盖毫米波频段的信号分析仪(右)正用得越来越多。

 

外混频提供了一种成本更低的解决方案,其中频率范围较低的分析仪可通过直接波导输入来处理毫米波信号。在实际运用中,这种设置比一体化解决方案更加复杂,但是具有 USB 即插即用功能的智能混频器等创新使连接和校准过程更加方便。外混频器的缺点是:

1)      它们是分频段的,这限制了其频率范围。

2)      它们缺乏输入调理,如滤波器、衰减器和前置放大器。

3)      此外,它们的有效测量带宽受到主机分析仪中频带宽的限制,这对于经常在毫米波频率上使用的宽带信号来说是一个问题。

4)      最后,外混频器通常需要某种信号识别过程,以便分离多余的混频器产物,这些产物在分析仪显示屏上表现为假信号或混叠信号。对于窄带信号,信号识别非常简单;但对于宽带信号,则可能很难实现。

 

毫米波信号分析仪提供了一个在几乎所有方面都更出色的测量解决方案,但其价格也更高。它们提供直接而连续的频率范围和校准结果。它们的滤波和处理能力使识别信号的过程变成多余,并且它们的输入调理简化了灵敏度或动态范围的优化。

 

灵敏度是毫米波频率测量的另一个基本指标。一方面,在这些频率上很难传输高功率,并且所使用的宽带宽可能会聚集大量噪声,从而限制信噪比。优化信号分析仪的显示平均噪声电平(DANL)以及谨慎进行连接,可以得到优异的杂散和发射测量结果。

 

技巧 3:使毫米波连接达到正确转矩很容易也很重要。

高频应用中,连接器的扭矩可能非常重要也很有用。使用扭矩扳手时应施加一致的扭矩点,避免损坏,这意味着要注意其限制功能。一致的扭矩将会对螺母和连接器结构的其他部分施加一致的应力。它有三个重要的优点:

1)      一致的机械对齐和连接器元件的轴向定位可以确保连接器达到最佳性能(如回波损耗)和可重复性。

2)      足够的张力可以减少由于振动、温度变化或外部机械作用(如弯曲或扭曲)而导致连接松动的可能性。

3)      正确的扭矩可防止连接器因为过度拧紧而导致变形损坏。

 

第一个和第三个优点通常很难看出来。连接器性能没有达到最佳水平可能是一个很难发现的问题,而连接器因过度拧紧而发生的变形或损坏可能也无法仅凭肉眼察觉。第二个优点比较容易察觉。用手指确认连接器已经拧得够紧之后,你很快就会发现它又变松了。也许连接器被碰了一下,也许发生了更小的事情,比如热循环或电缆移动,使张力从指尖拧紧时的“过低”减少到零。

 

必须小心地施加扳手的力量,因为你无法像用手指调整那样感受到力。如果使用多个适配器或较长的适配器,或者当器件直接连接而没有使用电缆来缓解弯曲应力时,过度拉紧物体的可能性就会大大增加。

 

技巧 4:何时使用同轴器件,何时使用波导?

大多数射频工程师经常使用同轴电缆和连接器。现在市场上已经出现了 110 GHz 的同轴电缆和连接器,乍一看,它们可能比波导更简单、更容易操作。无论您是否经常使用波导,最好都要了解各种类型的波导及其特点。

 

选择连接时往往需要同时考虑电气和机械因素。特别是在毫米波及更高频率范围内,电气和机械特性会非常复杂。理解它们如何相互影响,对于更好地执行测量是必不可少的。

 

同轴连接非常灵活方便。如果条件允许的话,采用同轴器件直接连线是一个很好的选择。同轴器件有不同的性价比,从计量级到普通品质的都有,其柔性度也分为从极限到半刚性不等。虽然成本很高,特别是精密同轴硬件,但通常还是比波导便宜。当器件连接需要某种功率或偏置时,如进行探测和元器件测试时,同轴器件就成为简单高效的解决方案。单根电缆可以执行多种功能,并且频率复用技术使同轴器件可以承载多个信号,包括在不同方向上传送的信号。

 

损耗是选择波导而非同轴器件的重要原因。出于低功耗和高功耗方面的考虑,工程师往往会放弃灵活而便利的同轴器件。大多数情况下,波导在微波和毫米波频率上的损耗明显小于同轴器件,而且频率越高,差别越大。对于信号分析来说,损耗越小就意味着灵敏度越高,准确度也越高。由于分析仪灵敏度通常随着频率、频段或谐波数的增加而下降,波导的较低损耗可能会在某些测量中产生重大差异。而且,由于在高频率下有效功率越来越昂贵,波导的典型成本增幅可能会有所减少。

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