1- Giriş
mmWave bandı, 1 ila 10 mm dalga boyuna sahip frekansları kullandığı için bu adı almıştır; bu da somut olarak 30 GHz ila 300 GHz frekans anlamına gelmektedir. Daha yüksek frekanslı sinyaller daha güçlü doğrusallığa sahiptir, ancak mmWave bandı da yüksek yönlülüğe sahiptir. Fiziksel özellikler açısından, mmWave bandı büyük boş alan zayıflama kayıplarından muzdariptir ve yağmur, sis ve engellerden güçlü bir şekilde etkilenir, bu da çok uzağa gidememesine neden olur. Öte yandan, şimdiye kadar kullanılan daha düşük frekans bantlarıyla karşılaştırıldığında, milimetre dalga bandı hala nispeten az kullanılmaktadır ve bu da geniş bir mevcut frekans aralığını güvence altına almayı mümkün kılmaktadır. Bu özellikleri nedeniyle, milimetre dalgaları sadece cep telefonları gibi kablosuz iletişimde değil, son yıllarda tıp, otomotiv radarı vb. gibi diğer alanlarda da kullanılmaya başlanmıştır ve daha da yaygınlaşması beklenmektedir. Bu Uygulama Notu, mmWave bandı ölçümlerindeki sorunları ve Anritsu tarafından önerilen yeni bir ölçüm yöntemini açıklamaktadır.
2- mmWave Ölçüm Yöntemleri
Bu bölümde mmWave bandı spektrum ölçüm yöntemleri açıklanmaktadır. Çeşitli yöntemler tanıtılmakta ve her birinin özellikleri açıklanmaktadır.
2.1 Harmonik Karıştırıcılar Kullanan Yöntemler
MmWave bandını ölçmek için geleneksel yöntem harici bir harmonik karıştırıcı kullanır. Harmonik karıştırıcı, LO sinyalini özel bir spektrum analizöründen alır ve dahili olarak üretilen bir harmonik dalga formu kullanarak frekansa dönüştürür. Frekansı dönüştürülen bu IF sinyali analiz için spektrum analizörüne geri gönderilir. Frekans dönüşümü için harmoniklerin kullanılmasıyla analiz, ölçülen milimetre dalga bandı sinyaline kıyasla daha düşük frekansta bir LO sinyali ile gerçekleştirilebilir ve diğer ölçüm yöntemlerine kıyasla nispeten uygun maliyetli bir sistem yapılandırmasına olanak tanır. Öte yandan, bu yöntemin kullanımı sınırlıdır çünkü karıştırıcının yukarı akışında bir ön seçici kullanılamaz ve karıştırıcı yanıtı filtrelenemez (bkz. bölüm 3). Buna ek olarak, bu yöntem mikser harmonik yanıtını kullanarak frekans dönüşümü kullandığından, dönüşüm derecesi nedeniyle yüksek dönüşüm kayıplarından muzdariptir ve sonuçta ölçüm cihazının bozulan hassasiyetine dikkat edilmesi gerekir.
2.2 Harici Aşağı Dönüştürücü ve Harici LO Sinyal Kaynağı kullanan Yöntemler
Harici bir aşağı dönüştürücü kullanılan yöntemlerde, aşağı dönüştürücü spektrum analizörünün yukarısındadır ve LO sinyalini beslemek için bir sinyal kaynağı sağlanır. Aşağı dönüştürücü tarafından kullanılan karıştırıcı, bir harmonik karıştırıcıdan ziyade bir temel dalga karıştırıcıdır. Sonuç olarak, LO sinyalinin frekansını artırmak için LO sinyal yoluna bir çarpan eklenir.
Harici bir aşağı dönüştürücü kullanıldığında, aşağı dönüştürücünün IF çıkış sinyali aşağı akışa bağlı spektrum analizörüne frekans girişi olarak seçilebilir. Sonuç olarak sinyal, harici aşağı dönüştürücü tarafından üretilen istenmeyen yanıt (sahte yanıt) azaltılarak izlenebilir. Öte yandan, harici bir aşağı dönüştürücü kullanan ölçüm yöntemlerinde, herhangi bir IF sinyalinin seçilmesi sadece harici aşağı dönüştürücünün frekans özelliklerinin değil, aynı zamanda aşağı akış spektrum analizörüne giden kablo bağlantısının frekans özelliklerinin de düzeltilmesini gerektirir. Aşağı dönüştürücü için bir karıştırıcıya ek olarak, LO sinyali için hem bir sinyal jeneratörü hem de bir çarpan gereklidir, bu da ölçüm maliyetleri ve zor çalışma ile ilgili sorunlar yaratır. Ayrıca, LO sinyal yolundaki çarpan tarafından istenmeyen bir görüntü yanıtı üretildiğinden, ölçüm frekansına uygun ayrı bir ayarlama gerektiren sahte frekansların oluşumu dikkate alınmalıdır.
2.3 Spektrum Analizörlerini Kullanma Yöntemleri
Spektrum analizörü, karıştırıcı tarafından üretilen istenmeyen tepkileri ortadan kaldırmak için yerleşik bir ön seçiciye sahiptir. MmWave bandı için spektrum analizörleri ortaya çıkmaktadır. Öte yandan, spektrum analizörünün dahili gürültü figürü (NF) frekans yükseldikçe arttığından, gerekli ölçüm hassasiyetini elde etmek zorlaşmaktadır. Ayrıca, dalga kılavuzu yerine koaksiyel konektörlerin kullanılması, yüksek bağlantı kayıplarına sahip konektörlerin kullanımında sorunlara ve ölçüm hassasiyetinin düşmesine neden olur. Ayrıca, bu konfigürasyonlar bir ön seçici kullandığından, ölçülebilir bant genişliğinde sınırlar vardır.
2.4 Method using High-Performance External Waveguide Mixer
Harici dalga kılavuzu karıştırıcı bağlantı yöntemi, harmonik karıştırıcı kullanırken olduğu gibi aynı spektrum analizörü LO sinyal kaynağını kullanır. Harici dalga kılavuzu karıştırıcısı bir temel dalga karıştırıcısı kullanır, bu nedenle dahili bir LO sinyal çarpanı vardır. Bağlantı harmonik karıştırıcı ile aynı olduğu için IF sinyali spektrum analizörüne bağlıdır. Sonuç olarak, harici dalga kılavuzu karıştırıcı tarafından üretilen sahte bileşenler Sinyal Analizörü MS2840A/MS2850A ve 1,8755 GHz’lik yüksek IF ile azaltılır. Ayrıca, Anritsu MS2830A/MS2840A/MS2850A Sinyal analizörlerinden gelen yüksek 5-10 GHz LO sinyal çıkışı, harmonik çarpma faktörünü düşük tutarak dönüşüm kaybını önlemeye yardımcı olur. Harici bir dalga kılavuzu karıştırıcı kullanmak, aşağı dönüştürücü performansının avantajlarını harmonik karıştırıcı kullanım kolaylığı ile birleştirir.
MS2830A/MS2840A/MS2850A sinyal analizörlerini yüklü Harici Karıştırıcı Bağlantı Fonksiyonu MX284090A ile kullanarak, 1. LO portuna harici bir dalga kılavuzu karıştırıcı bağlayarak spektrumun ölçüm frekans aralığını mmWave bandına genişletir.
3. Required Measurement System Performance
3.1 Dynamic Range Performance
Geniş bantlı mmWave bandı sinyallerinin yakalanması, diğer uygulamalara göre daha iyi dinamik aralık performansı gerektirir. Örneğin, 2 GHz bant genişliğine sahip -10 dBm’lik bir sinyali ele alırsak, normalleştirilmiş sinyal spektrum yoğunluğu -103 dBm/Hz’dir (-10 dBm – 10*log(2 GHz) = -103 dBm/Hz). Bu tür bir sinyalin doğru ölçümü, -103 dBm’den yeterince düşük bir seviyeye sahip yüksek hassasiyetli bir ölçüm cihazı gerektirir.
3.2 Spurious Performansı
Harmonik karıştırıcı ve harici aşağı dönüştürücü kullanılarak yapılan mm Dalga bandı ölçümleri, sahte performans konusunda dikkatli olunmasını gerektirir. Bu ölçüm yönteminde, ön seçici kullanılmadığı için görüntü yanıtı gibi çeşitli sahtecilikler oluşur. Kullanıcı, istenen frekans aralığında sahtecilik görürse, bunun ölçüm sisteminden mi yoksa test edilen cihazdan mı (DUT) kaynaklandığını değerlendirmelidir. Ayrıca, geniş bantlı sinyalleri yakalamak için, sahte sinyal giriş sinyaline yakın üretilirse, Şekil 6’da gösterildiği gibi, istenen sinyal ile sahte sinyal arasında örtüşme konusunda endişeler olabilir.
4. Ön Seçici Kullanmadan Sahte Üretim Prensibi
4.1 Sahte Üretim Prensibi
Ön seçici kullanılmadan yapılan ölçümlerde ortaya çıkan sahte sinyallerin çoğu karıştırıcı tepkisinden kaynaklanır. Bu bölümde karıştırıcı tepkisi ve spektrum analizörü kullanıldığında sahte sinyallerin oluşma prensibi açıklanmaktadır.
Bir ön seçici kullanılmadığında, en büyük sahte sinyal karıştırıcı tarafından üretilen görüntü yanıtıdır. Örnek olarak, 59 GHz’lik bir LO sinyali 60 GHz’lik bir RF sinyalinde ve 1 GHz’lik bir IF sinyalinde üretilir. Tersine, LO sinyali 61 GHz olduğunda bile 1 GHz’lik bir IF sinyali üretilir. Spektrum analizörü, LO 59 GHz olduğunda yanıtı 60 GHz spektrum olarak ve LO 61 GHz olduğunda yanıtı 62 GHz spektrum olarak ekranda gösterecek şekilde çalışır. Sonuç olarak, sadece 60 GHz sinyal girildiğinde hem 60 GHz hem de 62 GHz sinyaller görüntülenir. Bu sırada ekranda görüntülenen 62 GHz sinyale görüntü yanıtı denir. Ek olarak, görüntü yanıtı tek ana sahte değildir. Aşağıdaki formülde gösterildiği gibi, karıştırıcı yanıtı karıştırma derecesine bağlı olarak bilinmeyen sayıda sinyaldir. Aşağıdaki formüle göre, daha önce açıklanan görüntü yanıtı örneği nedeniyle tüm IF sinyal yanıtları spektrum analizör ekranında sahte olarak görüntülenir.
IF = mRF ± nLO
Bu sahte tepkilere karıştırıcı çoklu tepkileri denir. (Görüntü yanıtı karıştırıcı çoklu yanıtlarından biridir ancak istenen sinyalle aynı olduğu için ayrı bir isim verilmiştir). Genel olarak, karıştırma derecesi küçüldükçe dönüştürme kaybının daha küçük olduğu ve dönüştürme derecesi küçüldükçe istenmeyen sinyal seviyesinin daha büyük olduğu bilinmektedir.
4.2 Sinyal Tanıma Fonksiyonları
Açıklandığı gibi, bir ön seçici olmadan yapılan ölçüm istenmeyen sinyaller üretir. Sonuç olarak, MS2830A/40A/50A sinyalleri tanımak için Sinyal ID ve PS işlevlerine sahiptir. Bu işlevlerin kullanılması, ölçüm sisteminden kaynaklanan ekranda görüntülenen sinyalleri ve DUT’tan kaynaklanan gereksiz sinyalleri filtrelemeyi mümkün kılar.
4.2.1 Sinyal Kimliği İşlevi
Sinyal Kimliği işlevinin iki yardımcı işlevi vardır: Görüntü Kaydırma ve Görüntü Bastırma. Her ikisi de karıştırma koşullarını değiştirerek ölçüm yapmak için kullanılabilir. Karıştırma koşulları değiştirildiğinde, frekans koşulları değişir, böylece ölçüm sisteminin neden olduğu ekranda görüntülenen sinyallerin frekansı değişir, ancak giriş sinyalinin frekansı değişmez. Bu özellik, ölçüm cihazına giriş sinyalinin doğru bir şekilde ayırt edilmesini mümkün kılar. Görüntü Kaydırma ve Görüntü Bastırma modlarının her ikisi de değişen ölçüm koşullarında ölçümü desteklese de, değişen karıştırma koşullarında alternatif ölçümler için sonuçları görüntüleyen Görüntü Kaydırma modunun aksine, Görüntü Bastırma modu tek bir ölçüm için her iki taraftaki iki sonuçtan yalnızca düşük olanı görüntüler.
Görüntü Kaydırma işlevi kullanılarak, karıştırma koşulları her taramada değişir ve ölçüm sistemi değişiklikleri nedeniyle sahte görüntülenen konum
4.2.2 PS İşlevi
MS2830A/40A/50A’nın harici bir dalga kılavuzu karıştırıcı ile kullanılması, sinyalleri sahte olmadan ölçmek için benzersiz PS işlevini destekler. PS işlevi, ölçüm sisteminin neden olduğu sahte sinyalleri bastırmak için frekansı bilinen bir sinyalin önceden girilmesini gerektirir. Sinyal ID fonksiyonu kullanılarak ölçülmesi zor olan sinyalleri değerlendirmek için kullanılabileceği gibi, doğru spektrum verilerini de yakalayabilir. Ön giriş sinyalinin frekansını yakalamak için daha önce açıklanan Sinyal Kimliği işlevini kullanmanızı öneririz.
PS işlevi harici dalga kılavuzu karıştırıcısının özelliklerinden maksimum düzeyde faydalanır. Gerekli dinamik aralık performansını elde etmek için bir harmonik karıştırıcı kullanmak yerine, harici dalga kılavuzu karıştırıcı, LO sinyalini LO Çarpan Zinciri kullanarak önce çarptıktan sonra bir referans dalga karıştırıcı kullanarak frekans dönüşümü gerçekleştirir. Referans dalga karıştırıcı kullanımı sadece yüksek bir dinamik aralık elde etmekle kalmaz, aynı zamanda karıştırıcı tarafından üretilen tepkileri de bastırır. Sonuç olarak, mikser yanıtının polaritesine bağlı olarak, üretilen sahte sinyal giriş sinyalinin üst veya alt tarafıyla sınırlandırılabilir. Herhangi bir frekanstaki sahte sinyal, prensip olarak karıştırıcı yanıtının polaritesi değiştirilerek bastırılır. Örneğin, polarite negatif olduğunda (LO sinyal frekansı giriş frekansından daha yüksek), girişten daha düşük bir frekansta bir görüntü yanıtı belirir. Tersine, polarite pozitif olduğunda (LO sinyal frekansı giriş frekansından düşük), görüntü yanıtı girişten daha yüksek bir frekansta görünür. Sonuç olarak, ölçüm ekranı merkezinin sol tarafındaki bir görüntü yanıtı pozitif polaritelidir ve sağ taraftaki negatif polaritelidir ve ölçülemez. PS işlevi yalnızca temel bir karıştırıcı ile kullanılabilir; harmonik bir karıştırıcı ile ölçüm aralığında başka yanıtların ortaya çıkma olasılığı vardır, bu nedenle PS işlevi kullanılamaz.
5. Ölçüm Örnekleri
Bu bölümde, MS2830A/MS2840A/MS2850A Sinyal Analizörü ve harici dalga kılavuzu karıştırıcıları kullanılarak mmWave bandının nasıl ölçüleceği açıklanmaktadır.
5.1 Kurulum
Harici dalga kılavuzu karıştırıcısı MS2830A/MS2840A/MS2850A’nın LO çıkış portuna bağlanır.
5.2 External Mixer Function Setting Method
MS2830A/MS2840A/MS2850A harici karıştırıcı işlevi, Harici Karıştırıcı kullanılarak etkinleştirilerek kullanılır: Frekans tuşunun ikinci sayfasındaki Açık/Kapalı tuşu kullanılarak kullanılır. Harici karıştırıcı işlevi etkinleştirildikten sonra, kurulum yöntemi yüksek performanslı dalga kılavuzu karıştırıcısı MA2806A/08A kullanıldığında üçüncü taraf harici dalga kılavuzu karıştırıcısı kullanımına kıyasla farklılık gösterir. Üçüncü taraf harici dalga kılavuzu mikseri kullanılırken Harici Mikser Bağlantı Fonksiyonu MX284090A’nın gerekli olduğunu unutmayın.
Harici mikser işlevini etkinleştirdikten sonra, 3. Taraf Mikser: (Açık/Kapalı) işlevini devre dışı bırakın. Ardından, spektrumu izlemek için her bir bantla eşleşen MS2830A/MS2840A/MS2850A’dan LO sinyalleri sağlamak için kullanılacak mikserle eşleşen en iyi bantları seçin.
Harici mikser işlevini etkinleştirdikten sonra, 3. Taraf Mikser: (Açık/Kapalı) işlevini etkinleştirin. Ardından, spektrumu izlemek için her bir bantla eşleşen MS2830A/MS2840A/MS2850A’dan LO sinyalleri sağlamak için kullanılacak mikserle eşleşen en iyi bantları seçin.
*Önerilen Üçüncü Taraf Harici Dalga Kılavuzu Mikseri
- Eravant (Formerly SAGE Millimeter) STC-N12-15-S1-IDP V-Band Full Waveguide Band Down-Converter
- Virginia Diodes, Inc. VDI WR12SAX-Z-M Spectrum Analyzer Extender (SAX)
5.3 Signal Analysis Functions
MS2830A/MS2840A/MS2850A kullanılarak, spektrum analizörü Ölçüm işlevi ve sinyal analizörü işlevleri harici bir dalga kılavuzu karıştırıcı kullanılırken bile kullanılabilir. Spektrum analizörü Ölçüm işlevi SEM, OBW vb. ölçümleri destekler. Ayrıca, sinyal analizörü işlevleri kullanılarak chirp sinyalleri vb. analiz edilebilir.
5.4 Faz Gürültüsü Ölçüm Fonksiyonu
Faz gürültüsü, faz gürültüsü ölçüm seçeneği (Opt-010) takıldığında ölçülebilir. MS2830A/MS2840A/MS2850A. Bu işlev, harici bir dalga kılavuzu karıştırıcı kullanıldığında da kullanılabilir ve mmWave bandında faz gürültüsü ölçümleri. MS2840A faz gürültüsü işlevi, 1 GHz CF’de 10 kHz ofsette -123 dBc/Hz performansı ve -123 100 kHz ofsette dBc/Hz. Bununla birlikte, harici bir dalga kılavuzu Karıştırıcı kullanılarak yapılan faz gürültüsü ölçümünde performans her modeldeki çarpan devresi yapılandırmasına bağlı olarak 20*log (çarpan) [dB] kadar bozulur. Örneğin, Eravant harici dalga kılavuzu mikseri STC-N12-15-S1-IDP’yi bir x8 dahili dalga kılavuzu kullanarak bağlarken çarpanı veya x12 dahili çarpan kullanan bir VDI harici dalga kılavuzu karıştırıcısı WR12SAX-Z-M ile MS2830A/MS2840A/MS2850A, faz gürültüsü sırasıyla yaklaşık 18 dB ve 22 dB azalır. Şekil 19, 75 GHz sinyal girişindeki faz gürültüsü ölçüm sonuçlarının bir örneğini göstermektedir.
6. mmWave Band Uncertainties and Improvements
6.1 Impedance Mismatching
mmWave bandını ölçmenin yanı sıra, empedans uyumsuzluğundan kaynaklanan belirsizliklerin anlaşılmasına yardımcı olmak için doğru ölçümler yapmak da önemlidir. MA2806A/08A RF portunun RL performansı <15 dB’dir, bu da empedans uyumsuzluğundan kaynaklanan ölçüm belirsizliğini azaltır.
6.2 Power Measurement
Güç genellikle bir güç ölçer kullanılarak ölçülür, güç ölçer tüm alınabilir frekans aralığındaki toplam gücü ölçer. Sonuç olarak, aranan sinyali etkileyen başka bir sinyal varsa sinyalin gücü doğru bir şekilde ölçülemez. Güç ölçümünün doğruluğunu artırmaya yardımcı olmak için, birçok kullanıcı istenen sinyal dışındaki spektrum bileşenlerinin varlığını önceden kontrol etmek için bir spektrum analizörü kullanır.
6.3 Connection Errors
Genellikle, mm Dalga bandı sinyal ölçümleri için arayüz olarak bir dalga kılavuzu kullanılır. Dalga kılavuzu yapısı nedeniyle, bağlantı yüzeyinde genellikle frekans özelliklerini bozabilecek bir boşluk vardır. Yüksek tekrarlanabilirliğe sahip ölçümlerin sağlanması, dalga kılavuzu arayüzü için özel bağlantı yöntemleri gerektirir.
6.4 Düzeltme Fonksiyonları
MS2830A/MS2840A/MS2850A harici karıştırıcı işlevi aşağıdaki düzeltme işlevlerine sahiptir.
・ Conversion Loss
・ Cable Loss
・ Level Offset
・ User Correction
Kullanıcılar bu düzeltme işlevlerinin her birini kullanarak mmWave bandındaki ölçümlerin doğruluğunu genel olarak artırabilirler.
・ Conversion Loss
Dönüşüm kaybı, hangi mikserin kullanıldığına bağlı olarak benzersiz bir değerdir. Sonuç olarak, bu fonksiyon ekranda görüntülenen spektrum seviyesini dönüştürme kaybı değerini girerek düzeltmek için kullanılır. Dönüştürme Kaybı düzeltme işlevinin iki modu vardır: Sabit ve Tablo. Tablo modu harici bir dalga kılavuzu karıştırıcısı olduğunda kullanılabilir. Mikser frekans özellikleri, kullanılan harici dalga kılavuzu mikseri için dönüştürme kaybı verileri yüklenerek düzeltilir. Bu veriler, her harici dalga kılavuzu karıştırıcıyla birlikte gönderilen bir USB bellek çubuğundan otomatik olarak okunur.
・ Cable Loss
MS2830A/MS2840A/MS2850A harici bir dalga kılavuzu karıştırıcı ile birlikte kullanıldığında, dönüştürme kaybı parametreleri yukarıda açıklanan Dönüştürme Kaybı işlevi kullanılarak ayarlanabilir, ancak MS2830A/MS2840A/MS2850A ile harici dalga kılavuzu karıştırıcı arasındaki bağlantı kablosu kullanım koşullarına göre farklılık gösterebilir. Sonuç olarak, kaybı bilinen bir bağlantı kablosu kullanıldığında, bu işlev ölçüm sonuçlarında bilinen kaybı yansıtmak için kullanılabilir.
・ Level Offset
Level Offset, ekran ofset değerini ayarlamak için MS2830A/MS2840A/MS2850A’nın standart bir işlevidir. Daha doğru seviye gösterimi için kullanılır. Ayrıca, daha önce açıklanan Kablo Kaybı ayarı da bu işlevle birleştirilebilir.
・ User Correction
Kullanıcı Düzeltmesi, MS2830A/MS2840A/MS2850A’nın standart bir işlevidir. Diğer işlevler tarafından kapsanamayan harici modüllerin (zayıflatıcılar vb.) frekans özelliklerini düzeltmek için kullanılır. Sistem Yapılandırma menüsünün 2. sayfasında ayarlanır. Kullanıcı Düzeltme verisi olarak 4096’ya kadar veri noktası girilebilir.
Oluşturulan Düzeltme Tablosu verileri uygulandığında, sonuçlar Şekil 22’de gösterildiği gibi her frekans için eklenen ayarlı Ofset değeriyle birlikte görüntülenir. Ayarlanan Ofset, ayarlanan frekanslar arasında doğrusal enterpolasyonla uygulanır ve Ofset değeri, ayarlanan alt frekansın altındaki ve ayarlanan üst frekansın üstündeki alanlardaki üst ve alt frekanslara yansıtılır. Ölçüm cihazına bağlı harici cihazların frekans karakteristiklerini düzeltmenin yanı sıra bu fonksiyon, kullanıcı frekans karakteristiklerini daha doğru bir şekilde düzeltmek istediğinde de kullanılabilir.
7. Sonuçlar
Bu Uygulama Notu, mmWave bandı ölçüm cihazlarının gerektirdiği performansı ve ölçüm yöntemlerini açıklamaktadır. Ayrıca, mmWave bandı pazarındaki kilit oyuncuların ihtiyaç duyduğu ölçüm öğeleri için en iyi ölçüm yöntemlerini ve ölçüm cihazını tanıtmaktadır. Son olarak, mmWave bandı ölçümleriyle ilgili bazı önlemler açıklanmaktadır. Anritsu’nun Sinyal Analizörü MS2830A/MS2840A/MS2850A ve önerilen harici dalga kılavuzu karıştırıcıları, gelecekte yaygın olarak benimsenmesi beklenen mmWave bandı cihazının gelişmiş kalitesini destekleyen ideal ölçüm çözümleridir.
