採用毫米波測量技術的諧波混頻器應用介紹
2021-01-08 電子發燒友電子設計 發表於 2018-10-08 10:09:00
1、介紹
當前最有吸引力的毫米波應用主要在E頻段與V頻段。E頻段對應於60GHz～90GHz的頻率範圍，在此頻段上由於大氣衰減的影響只能採取視線傳輸（LOS）方式。實際上，很多大氣中的分子，例如氧氣、水蒸氣或氮氣，可以在這個頻段內的特定波長上吸收能量。然而，在實踐中，這些頻率範圍上足夠多的可用頻譜資源還是驅使著產業來將未來的技術應用到這些頻率範圍上來。與此類似，V頻段對應於40GHz～75GHz，被廣泛用於衛星通信。
在這些頻段上有3個正在被開發的關鍵應用，它們是：移動回傳、汽車雷達、Wi-Gig（ad）。
第一個應用依賴於這樣的事實：當前的超異構網絡充滿著多個小基站，大幅提高了對回傳線路的傳輸容量的需求。核心網絡必須處理大量的數據被傳輸到一個特定區域中的每個節點。因此，基於大於1GHz帶寬的毫米波無線鏈路的這些連接，我們可以滿足現代和未來的網絡上回傳需求並提供了一個比光纖更的解決方案。移動回傳與汽車雷達都是最重要的應用。79 GHz頻段將很有可能成為FMCW（調頻連續波）雷達技術的標準頻率。該技術可以採用高達4Ghz帶寬的信號進行工作，從而在汽車移動環境中檢測目標時達到所需的精度。最後，Wi-Gig是一個新的WLAN 802.11標準，已經被開發用於了非常高的速率傳輸服務，比如未壓縮的高清晰度電視（HDTV）和瞬間的音樂和圖像傳輸，其工作在60GHz頻率及佔用2GHz帶寬。
鑑於在這些頻率上傳輸的特點，將需要適當的測量儀器以確保所有這些技術的實現。這些儀器會需要一個優秀的動態範圍，以應對高度衰減的信號和測量超寬帶信號的能力。
2、毫米波設備的挑戰與不同的測量方案
2.1、諧波
諧波混頻器的設備工作在這樣一種方式：參與到混合過程中的有限的本振（LO）頻率被諧波成分所影響。使用這些類型混頻器的主要優點是它提供的簡單和性價比的解決方案。
然而，從這些系統存在著2個主要的問題。首先，被用來影響本振信號的多重諧波隨著頻率的增加而按比例引入損耗。因此，該解決方案的動態範圍變得非常差。其次，鏡像反應的影響在此很重要，原因是在過程中多個頻率成分會不被歡迎地混合進來。在測量結果上影響最大的鏡像反應是會顯示在中頻（IF）的2倍偏移位置。作為一個例子，如果1臺頻譜加上1臺設計工作在1.58 GHz中頻頻率的諧波混頻器對來自於FMCW雷達的4GHz帶寬信號進行測量，一些重要的測試項目，如頻率誤差、佔用帶寬或發射功率將不能被測量，因為會有一個與實際雷達信號重疊的鏡像響應。在某些情況下，這個問題可能通過鏡像抑制方法來解決。然而，這種解決方法在FMCW調頻連續波調製的情況下是無效的，因為發射頻率是不斷變化的。
2.2、典型下變頻配置
克服基於諧波混頻器的解決方案的鏡像響應的典型的方法是使用一個經典的下變頻設置連接到頻譜分析儀。一方面，由於基本混頻器使用的配置，不使用諧波來影響本振信號，一個理想的中頻頻率可以根據待測試的和帶寬來設計。基本上，一個連續波結合一個乘法器將向下變頻信號提供需要的本振信號。
另一方面，一個系統需要由例如混頻器、本地、乘法器、濾波器和增益放大器等多個部件來組建。顯而易見地，因為上述設備在使用時都需要配置、校準和維護，可以明白下變頻配置會是很耗費時間。
2.3、高性能基本混頻器
下圖顯示了安立的高性能基本混頻器的設想。MA2808A與MA2806A, 分別工作在E 頻段與V頻段，可以被理解為集成的下變頻器，基于波導技術與內置單級乘法器，低噪聲放大器、濾波器設計為一體。這些設備對於之前討論的問題提供了一個解決方案：他們擁有出色的動態範圍，鏡像反應發生在距離需要信號很遠的地方，他們與頻譜分析儀之間只需要一個連接即可工作。
一方面來看，高性能基本混頻器對比諧波混頻器有2個主要的好處：更好的靈敏度或DANL，得益於更低的轉換損失；及更好的鏡像反應抑制，得益於使用1.875GHz中頻。除此之外，內部混頻/濾波技術與獨一無二的極化轉移功能使得測量4GHz帶寬的毫米波信號變得可行。另一方面，高性能基本混頻器對比傳統下變頻器有以下好處：他們允許一個簡單的配置或連接到頻譜分析儀，轉換損耗能夠簡單地通過單鍵操作從USB內存中被加入，提供一個比常用下變頻器更好的1dB壓縮點性能。毫無疑問，這個緊湊的測試系統能夠簡化設計和製造現場的布局，同時降低測量儀器的維護和校準成本。
3、針對毫米波設備的典型測量項目
毫米波設備的測量可以分為2個不同部分：射頻輸出特性（遵循ETSI EN 302 264-1）與調製或信號特性（依賴於實際待測試的技術）。在接下來的部分，我們會解釋安立的高性能毫米波方案在每個部分是如何展現其突出的優勢的。
3.1、發射功率，頻率誤差與足夠靈敏度下的雜散輻射
在許多情況下，由於在這些頻率上信號的性質-極大地受到反射、衰減或材料吸收的影響，發射功率和毫米波設備的頻譜發射模板需要在Over The Air (OTA)下進行測試。因此，測試設備需要具備良好的靈敏度。例如，如果測試天線距離待測件50釐米，79 GHz信號的自由空間損耗將在65分貝左右。由於ETSI EN 302 264-1所定義的最大輻射平均（EIRP）要求測量
一般情況下，一個典型的諧波混頻器，其特徵在於轉換損耗約15dB至20dB。當其與頻譜分析儀結合在一起時，我們可以估計顯示平均噪聲電平（DANL）約在- 135 dBm / Hz至140 dBm / Hz之間，這將使其難以達到上述要求。然而，新的具備卓越的本底噪聲性能的MS2840A頻譜分析儀和MA2808A高性能基本混頻器相結合，發射功率和雜散發射所需要的靈敏度至少可以達到8dB。
3.2、寬帶調製測試
測試毫米波質量，頻譜分析儀的相位噪聲性能是非常重要的。例如，當測試FMCW汽車雷達，必須對相位噪聲特性和待測件的頻率線性度進行驗證。當發送和接收的信號之間的時間與頻率差別小，頻譜分析儀的相位噪聲性能差，因為收到的信號可能被掩蓋在發射信號的相位噪聲裡，兩種信號就不能區分，如下圖所示。
MS2840A與MA2808A相結合，在79GHz上低於-100 dBc（100 kHz偏移）和低於-110 dBc / Hz（1 MHz偏移）的優秀相位噪聲性能可以滿足汽車雷達技術至少-90 dBc / Hz（100 kHz偏移）和- 100 dBc / Hz（1MHz偏移）的相位噪聲性能的需求。
4、總結
隨著即將到來的5G網絡和ADAS的推廣，毫米波系統的需求也越來越大。測試這些超寬帶技術，帶外部混頻器的頻譜分析儀必須避免鏡像響應問題，必須為OTA測試提供足夠的靈敏度，必須為調製分析具備足夠的調製相位噪聲性能。MS2830A/MS2840A頻譜分析儀和MA2808A高性能波導混頻器的組合是滿足這些需求的理想解決方案。
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