Частоты радиосигналов повышаются до диапазона миллиметровых волн (мм волн), поскольку такие приложения, как сети 5G, автомобильные радиолокационные системы и радиочастотные полупроводниковые зонды, требуют большей полосы пропускания на более высоких частотах. Тестирование является неотъемлемым аспектом разработки новых качественных продуктов, которые будут работать на частотах миллиметрового диапазона, и сборки коаксиальных кабелей играют жизненно важную роль в этом процессе. 

Однако, учитывая сложность приложений миллиметрового диапазона, подойдет не любой коаксиальный кабель. Для получения повторяемых и надежных результатов испытаний на более высоких частотах необходимо учитывать такие критические параметры, как согласование импеданса и вносимые потери. В результате радиочастотное тестирование приложений миллиметрового диапазона требует уникальных решений для коаксиальных кабелей и разъемов. 

Факторы, которые следует учитывать при выборе оптимальной испытательной сборки для коаксиального кабеля 

Обычно процесс ВЧ-тестирования включает в себя тестируемое устройство (DUT), подключенное к векторному анализатору цепей (ВАЦ), анализатору спектра или осциллографу. Путь сигнала к печатной плате имеет решающее значение, и испытательная установка не должна вносить нежелательные переменные или ошибки, выбросы КСВ или чрезмерные вносимые потери. Сюда входят тестовый кабель и разъемы.

Сборки испытательных кабелей должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать интенсивное обращение и постоянное движение при частом подключении и отключении, а также сохранять точную повторяемость измерений и надежные электрические характеристики. Прежде чем выбрать оптимальную сборку коаксиального кабеля для конкретного применения, необходимо оценить множество характеристик, включая диапазон частот и диаметр кабеля, тип испытательного оборудования, разъемы, тип измерения/приложение, гибкость, стабильность фазы, мощность, полное сопротивление и допустимый бюджет потерь.

Диапазон частот и диаметр кабеля

При выборе тестового кабеля в первую очередь следует учитывать диапазон частот, необходимый для тестирования приложения. Это поможет определить другие факторы, такие как тип кабеля и необходимые механические конструкции. Например, с увеличением частоты диаметр кабеля становится меньше. Это обратная ситуация, и все соотношения должны работать правильно на разных уровнях частоты. 

Испытательное оборудование 

Затем оцените тип теста, который необходимо выполнить, и какое оборудование будет использоваться. Например, тест может представлять собой стандартное измерение S-образной кривой, позволяющее оценить потери тестируемого устройства или оценить, как оно работает на определенных частотах. Все переменные должны быть учтены заранее при выборе сборки тестового кабеля, которая будет хорошо работать для каждого уникального сценария тестирования.

Разъемы

После определения частоты, типа испытательного оборудования и размера кабеля следующим идет тип разъема. Это критический момент в приложениях миллиметрового диапазона, поскольку любые непостоянства в разъемах могут привести к ошибкам в измерениях, которые будут усиливаться по мере увеличения диапазона испытательных частот. 

Испытательное оборудование будет иметь разъем определенного типа, обычно определяемый самой высокой частотой, которую может достичь испытательное оборудование. Например, при тестировании на частоте 110 ГГц на испытательном оборудовании будет разъем диаметром 1 миллиметр; поэтому на сборке тестового кабеля потребуется ответный разъем того же размера.

Некоторые распространенные размеры разъемов mmWave включают:

• 2,92 мм – 40 ГГц
• 2,4 мм – 50 ГГц
• 1,85 мм – 67 и 70 ГГц
• 1,0 мм – 110 ГГц

Для приложений, где требуется высокая плотность сигнала, также идеально подходят вставные разъемы, такие как разъемы SMP, SMPM и SMPS.

Тип измерения/приложение 

Каждое тестируемое приложение будет учитывать определенные факторы окружающей среды, включая, среди прочего:

• Температура 
• Влажность
• Высота
• Давление

Большинство производителей коаксиальных кабелей предоставляют руководства, помогающие оценить эти дальнейшие соображения. Например, для сверхвысокочастотного применения потребуется кабель, который не только соответствует требованиям по частоте, но и является стабильным по фазе. При использовании высокочастотного фазостабильного кабеля тип доступного для использования разъема становится ограниченным. По мере продвижения пользователя по этому процессу ему будут предоставляться варианты, соответствующие этим дополнительным соображениям.

Гибкость 

При тестировании многих пользователей также интересует гибкость кабеля и радиус изгиба. Из-за особенностей испытательных сред часто бывает необходимо использовать очень гибкий материал кабеля, который можно перемещать по испытательному стенду как в производственной среде, так и в среде исследований и разработок.

Тестирование также часто перемещается от модуля к модулю. Высокие частоты могут потребовать повторной калибровки при перемещении модуля или кабеля. Использование коаксиального кабеля, который может сгибаться и изгибаться, значительно уменьшит необходимость повторной калибровки, сохраняя при этом стабильность.

Фазовая стабильность

Еще одним ключевым аспектом, связанным с необходимостью постоянного перемещения кабелей, является стабильность фазы.   Движение приводит к изменению фазы, и тестовая сборка должна поддерживать очень низкую скорость изменения, чтобы получить точные измерения. Поэтому надежный кабель имеет решающее значение для обеспечения максимально стабильной фазы.

Кроме того, при тестировании технологий mmWave, таких как 5G, источник и приемник могут работать на двух разных частотах одновременно. Фазостабильная сборка дополнительно гарантирует, что гармоники не попадут обратно в систему. Фазостабильная кабельная сборка с использованием диэлектрика TF4 или микропористого ПТФЭ в сочетании со спирально навитым металлизированным промежуточным слоем поможет обеспечить гибкость, стабильность фазы и амплитуды испытательной сборки.

Мощность

Также важно понимать, какие уровни мощности может выдержать тестовый кабель. Например, стандартный тестовый кабель, скорее всего, не сможет справиться с приложениями высокой мощности. Что касается приложений миллиметрового диапазона, более высокие частоты будут потреблять меньшую мощность, поскольку диаметр кабеля обратно пропорционально уменьшается, как упоминалось ранее. 

Импеданс 

Стандартное сопротивление, наблюдаемое в тестовых условиях, составляет 50 Ом. Однако в видеосредах также используются импедансы 75 Ом, а также некоторые измерения на более низких частотах. В любом случае, необходимо учитывать разницу в импедансе при выборе контрольного списка тестовых кабелей.

Бюджет потерь

Все, что связано с радиочастотными (РЧ) характеристиками, требует компромиссов. Более высокая частота соответствует меньшему диаметру кабеля, что также часто приводит к более высоким потерям в кабеле. Однако потери можно свести на нет с помощью ВАЦ в типичном приложении для измерения радиочастот. Сетевой анализатор имеет возможность «обнулить» потери в кабельной сборке, поэтому при подключении к нему устройства потери в кабеле не будут отражать измерения, выполненные на самом устройстве. 

С другой стороны, когда сигнал переходит от печатной платы к разъему, необходимо минимизировать отражения. На более высоких частотах эти недостатки при переходе от коаксиального разъема к структуре печатной платы становятся более очевидными и могут вызывать нежелательные эффекты, такие как паразитные и паразитные отклики сигнала, которые приводят к обратным потерям или вносимым потерям, выбросам КСВ и увеличению амплитуды. В этом случае, если целостность сигнала не совсем правильная и при измерении присутствует шум, тест не даст правильных показаний. Поэтому для обеспечения высокой точности измерений следует использовать повторяемый кабель с низкими вносимыми потерями, который работает во всем желаемом диапазоне частот. 

Некоторые примеры приложений для тестирования миллиметровых волн 5G

Повышенная скорость 5G частично достигается за счет использования более высокочастотных радиоволн с гораздо более широким потенциальным диапазоном частот. Это создало проблемы для тестирования 5G, включая повторяемость, надежность и воспроизводимость. 

Например, в производственных средах для модулей 5G использовались кабели 50 ГГц. Стабильность и повторяемость этого типа кабеля имеют первостепенное значение для получения воспроизводимых результатов испытаний.

Автомобильные испытания 

Технологии радиочастотной электроники, включающие автомобильные радары, позволили создать более безопасные и эффективные подключенные транспортные средства. Автомобильные радарные датчики, использующие радиочастотные сигналы, все чаще используются для определения скорости, дальности и угла наклона объектов вблизи автомобиля в сложных и критически важных для безопасности приложениях, таких как современные системы помощи водителю и автономное вождение. 

К сожалению, они также создали новые проблемы для радиочастотного тестирования. Многие новые приложения отходят от предыдущего стандарта от 24 ГГц до 77 ГГц плюс диапазоны миллиметровых волн из-за широкой полосы пропускания, доступной в этих диапазонах. Более широкая полоса пропускания увеличивает разрешение и точность по дальности до 20 раз в некоторых приложениях и обеспечивает более короткие длины волн, что позволяет использовать меньшие форм-факторы.

Это увеличивает сложность тестовых установок, требуя больше тестовых проводов и точек подключения, чем когда-либо прежде, а также новые требования к радиочастотному тестированию. В результате необходимо пересмотреть способы построения точек подключения и тестовых проводов и проанализировать различные типы доступных разъемов, гарантируя, что новейшие тестовые сборки работают в соответствии с изменениями, внесенными производителями испытательного оборудования. 

Кабель 70 или 90 ГГц позволит проводить испытания как на основных, так и на гармонических частотах. 

Радиочастотное полупроводниковое зондирование 

Поскольку в полупроводниковой промышленности продолжает наблюдаться быстро растущий спрос и жесткие сроки вывода продукции на рынок, возможность проводить высокоточные испытания с применением автоматизации имеет решающее значение. Для измерения характеристик радиочастот на поверхности полупроводниковой пластины необходимы высокочувствительные процессы радиочастотного тестирования, требующие сборки коаксиальных кабелей, которые могут поддерживать плавное роботизированное движение зонда и автоматически и точно приземляться на поверхность для измерения производительности и функциональности. Из-за необходимости проведения конкретного типа измерения испытательная сборка также должна иметь возможность подниматься и перемещаться для повторения процесса в другом месте на поверхности устройства. 

Тестовый кабель, обеспечивающий стабильное соединение с низкими потерями для тестирования на частоте до 70 ГГц, часто является оптимальным для использования при пробных измерениях радиочастотных цепей при производстве пластин и полупроводников. Они могут быть специально разработаны для прочного крепления к манипулятору, чтобы обеспечить очень стабильное размещение датчика для выполнения отдельных измерений в нескольких точках автоматически или полуавтоматически, используя твердую трубку в точке крепления. Низкопрофильная конструкция позволяет головкам зондов (манипуляторам) перемещаться в полном диапазоне без помех оптического прицела.

Высокочастотное тестирование

Существует новый класс тестовых кабелей, разработанный специально для решения задач, описанных выше, для более высоких частот, необходимых для 5G, автомобильных систем, полупроводниковых зондов и других передовых испытаний приложений миллиметрового диапазона. Эти измерительные провода представляют собой кабели с очень высокой повторяемостью и низкими вносимыми потерями, которые работают во всем желаемом диапазоне частот, обеспечивая высокую точность измерений, при этом доступны специальные варианты, охватывающие диапазон от 70 до 90 ГГц и до 110 ГГц, если необходимо. Для обеспечения точности и стабильности фазостабильные кабельные сборки, в которых используется микропористый диэлектрик из ПТФЭ в сочетании со спирально навитым металлизированным промежуточным слоем, также могут помочь обеспечить гибкость, стабильную по фазе и амплитуде испытательную сборку. 

Заключение

При выборе любого типа сборки испытательного кабеля проектировщикам следует сотрудничать с производителем, обладающим полностью интегрированными возможностями проектирования, производства, сборки и тестирования для индивидуальных решений, отвечающих самым строгим требованиям к испытаниям миллиметрового диапазона.