Keysight tự tin đo kiểm công nghệ Millimeter-Wave

Ở tần số mmWave, suy hao đường truyền cao dẫn đến việc truyền công suất tần số vô tuyến (RF) gặp nhiều khó khăn và tốn kém. Bất kỳ sai lệch nào trong kết nối ống dẫn sóng đều có thể gây ra phản xạ không mong muốn, làm giảm chất lượng và công suất tín hiệu.

Các thiết bị mmWave thường nhỏ gọn và có mức độ tích hợp cao, không có đầu nối hoặc điểm dò dành cho đo kiểm. Thay vào đó, hầu hết các phép đo được thực hiện qua giao diện OTA. Tuy nhiên, phương pháp đo này làm tăng suy hao đường truyền, tăng độ phức tạp của phép đo và không bảo đảm tính chắc chắn của kết quả đo.

Để giúp bạn hiểu rõ hơn về suy hao đường truyền, 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.

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

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 tỉ số tín hiệu tạp âm (SNR) quá thấp để có thể sử dụng cho phân tích tín hiệu.

Tỉ số tín hiệu tạp âm thấp làm cho 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.

Các kỹ sư có thể giảm suy hao của máy phân tích tín hiệu để cải thiện tỉ số SNR, tuy nhiên 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.

Thậm chí nếu 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.

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

Hình 1. Hiệu năng EVM tốt hơn khi tín hiệu 64QAM có tỉ số SNR cao.

Hình 2. Hiệu năng EVM thấp khi tín hiệu 64QAM có tỷ số SNR thấp.

Giảm suy hao đường truyền tín hiệu

Đánh giá máy phát, xử lý sự cố máy thu hay phân tích tín hiệu OTA hay thực hiện bất cứ nhiệm vụ nào khác, phần cứng và phần mềm linh hoạt của máy phân tích tín hiệu đều có thể mang lại giải pháp tối ưu.

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

Lựa chọn đường truyền tín hiệu

Để đo lường các loại tín hiệu đầu vào khác nhau, 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 công suất thấp.

Ngoài ra, máy phân tích tín hiệu còn cung cấp nhiều đường truyền tín hiệu – chẳng hạn 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, cải thiện 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 khi đi tới bộ trộn tín hiệu. Đường truyền này hữu ích nhất cho đo lường tín hiệu mức thấp, với băng thông dưới 45 MHz, do hạn chế băng thông của bộ chọn trước.

• Đường truyền vòng tránh bộ chọn trước viba: Bỏ qua bộ chọn trước giúp phân tích băng rộng và đáp 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.

Hình 3: Đường truyền tín hiệu của máy phân tích tín hiệu X-series của Keysight.

Trộn tín hiệu ngoài

Khi xây dựng hệ thống đo kiểm mmWave, 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.

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

Bộ trộn sóng hài

Hình 4 minh họa thiết lập kết nối trộn tín hiệu ngoài có sử dụng bộ trộn tín hiệu thông minh. 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 để được chuyển đổi thành tín hiệu đầu vào của thiết bị cần đo DUT.

Bộ trộn tín hiệu tạo ra tín hiệu trung tần (IF) và gửi trả tín hiệu này về máy phân tích tín hiệu. Máy phân tích tín hiệu tiếp tục xử lý lọc, số hóa, phân tích và hiển thị tín hiệu IF tương tự như khi xử lý các tín hiệu trộn nội bộ.

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

Trộn tín hiệu ngoài là giải pháp hợp lý về chi phí để phân tích tín hiệu mmWave và để đưa cổng đo kiểm tới gần thiết bị cần đo hơn. 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 cần đổi nguồn tín hiệu đầu vào tương ứng từ giao diện vận hành.

Các bước thực hiện này làm tăng mức độ phức tạp của đo kiểm và sự không chắc chắn của kết quả đo. Tín hiệu ngoài băng cường độ mạnh có thể tạo ra phổ ảnh không mong muốn trong băng tần cần đo và làm suy 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.

Giải 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, với băng thông trung tần IF lên tới 11 GHz. Hình 5 biểu diễn thiết lập đo kiểm cho máy phân tích tần số và bộ mở rộng tần số ngoài.

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

Vấn đề của đo kiểm mmWave không chỉ là tần số cao hơn mà còn là dải tín hiệu đầu vào rộng hơn. Đội ngũ kỹ sư cần đặc biệt chú ý mới có thể đánh giá đúng các linh kiện và thiết bị mmWave. Hiểu sâu về các ứng dụng đo kiểm và các thiết bị đo được sử dụng trong các phép đo mmWave sẽ giúp bạn có được kết quả đo chính xác và khả lặp.

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

Theo Tạp chí Điện tử