Substrato IC - Connettore di tipo K tracciabile per la misura a 43,5 GHz

Perché scegliere 43,5 GHz?

Sebbene molte implementazioni 5G iniziali utilizzino la banda di frequenza sub-6GHz, le onde millimetriche (cioè, 24GHz e superiori) hanno il vantaggio di una maggiore larghezza di banda. Molti paesi stanno allocando lo spettro nell'intervallo 37-43,5 GHz alle comunicazioni con onde millimetriche 5G (vedi Figura 1). Nel giugno 2018, la Commissione federale delle comunicazioni degli Stati Uniti (FCC) ha proposto l'uso della banda di frequenza 42~42,5GHz per servizi a banda larga o senza fili fissi, mentre Brasile e Messico hanno anche presentato proposte simili per utilizzare la banda di frequenza 37-43,5GHz per servizi mobili a banda larga. Il Giappone e l'Unione europea hanno inoltre proposto di applicare simili servizi mobili a banda larga nella banda di frequenza 40,5-43,5 GHz. La Cina potrebbe essere il più grande promotore di applicazioni di onde millimetriche che utilizzano frequenze fino a 43,5 GHz. Il Ministero dell'Industria e della Tecnologia dell'Informazione della Cina è stato in prima linea nella ricerca e sviluppo 5G e nei test. Oltre alla pianificazione dello spettro 5G, la Cina ha anche condotto prove di ricerca e sviluppo e ha iniziato a verificare tali prodotti PCB alla fine del 2018.

Figura 1: Pianificazione e applicazione dello spettro d'onda millimetrico 5G in vari paesi1

Negli ultimi anni, questa espansione di frequenza è stata tranquillamente adottata da molte società di test e misurazione, aggiungendo questa opzione di frequenza ai prodotti esistenti e nuovi. Uno dei molti aspetti che forniscono misurazioni a 43,5 GHz è l'interfaccia del connettore, che è l'interfaccia tra l'apparecchiatura utente e l'apparecchiatura di prova. Attualmente, ci sono due modi per consentire agli utenti di utilizzare 43,5 GHz:

Utilizzare connettori da 2,4 mm sull'apparecchiatura di prova-questo metodo ha un duplice vantaggio. In primo luogo, il connettore soddisfa le prestazioni di lavoro di 50GHz e, in secondo luogo, viene stabilita la tracciabilità. Tuttavia, un problema affrontato da questo metodo è che l'utente deve sostituire tutti i cavi, adattatori, strumenti di calibrazione e altri componenti con interfacce connettore da 2,4 mm. Il costo di questo è molto costoso, perché i connettori da 2,4 mm sono solitamente più costosi dei connettori da 2,92 mm. Un altro problema è che molti DUT utilizzano connettori da 2,92 mm (K), il che significa che gli utenti devono aggiungere adattatori aggiuntivi per collegare il connettore da 2,4 mm sull'apparecchiatura di prova al DUT.å*¨ èžæŽ¥. Connesso. Sebbene la maggior parte dei produttori che utilizzano connettori da 2,4 mm fornisca adattatori da 2,92 mm, a meno che l'adattatore non indichi che può essere utilizzato fino a 43,5 GHz all'estremità da 2,92 mm, le prestazioni di 43,5 GHz sono limitate dall'uscita in eccesso generata sul connettore. L'overmoding è limitato e non può essere garantito. Questo argomento continuerà ad essere discusso di seguito.

Utilizzare connettori da 2,92 mm sull'apparecchiatura di prova-il secondo metodo è quello di utilizzare connettori da 2,92 mm sull'apparecchiatura, ma va notato che da 40GHz a 43,5 GHz, questo tipo di connettore non può essere rintracciato e la sua prestazione nominale è "misurata". Lo svantaggio di questo metodo è che il connettore non può essere testato individualmente e può essere utilizzato solo come parte del DUT per la misurazione "intera".

Overmold

I due indicatori più importanti delle prestazioni elettriche di un connettore sono la sua scalabilità in frequenza e se soddisfa le prestazioni richieste per la frequenza 43,5GHz. Per ottenere le migliori prestazioni, alcune modalità dovrebbero essere evitate di diffondersi nel connettore. Per i connettori da 2,92 mm (K), teoricamente solo le onde elettromagnetiche trasversali (TEM) possono propagarsi fino a circa 46GHz. Infatti, la frequenza di cut-off sarà inferiore: le perle di supporto dielettrico devono tenere conto della stabilità meccanica del connettore, e poiché la lunghezza d'onda nel mezzo è più breve di quella in aria, le onde elettromagnetiche delle altre modalità possono anche propagarsi sotto i 46GHz. Questo è il motivo per cui i connettori di tipo K sono generalmente valutati per funzionare ad un massimo di 40 GHz.

Al di sopra della frequenza di cut-off, si propaga anche una modalità aggiuntiva, la modalità TE11. Non è laterale e si propaga ad una frequenza più elevata come altri modi d'onda 2. Questo è un problema, perché l'energia del segnale in ingresso può essere convertita tra diversi modi, e questa conversione è causata da piccoli difetti sulla superficie del tallone di supporto (come mostrato in Figura 2). Il fenomeno di overmolding nel connettore può essere rivelato durante il processo di misurazione. È chiaramente visibile durante la misurazione della trasmissione del connettore, come mostrato nella figura 3, che il grande picco di attenuazione appare nella banda stretta. Una volta mancata la risonanza in frequenza - l'accoppiamento energetico tra le modalità non è efficiente - l'energia verrà riflessa indietro nel percorso di trasmissione originale.

Riducendo il perimetro del tallone dielettrico di supporto, ottimizzando l'impedenza del tallone di supporto e riducendo la tolleranza per ridurre la possibilità di accoppiamento di energia nella modalità di trasmissione, l'insorgenza di overmode può essere prevenuta. Supponendo che un produttore superi tutti gli ostacoli e progetti un connettore da 2,9 mm che non produrrà overmode a 43,5 GHz, questo può fornire sufficiente fiducia nella misurazione? La risposta varia da applicazione a applicazione, a seconda del rigore delle specifiche di prova. Queste informazioni saranno spiegate nella scheda tecnica.

Perché la tracciabilità è così importante?

Un termine usato nelle specifiche elettriche degli strumenti di misura nella gamma di frequenze da 40 a 43,5 GHz è "indice di misura". Un indice misurato o indice caratteristico è un risultato di misura che può fornire un insieme di dati, e questi dati possono essere quantificati con un certo grado di fiducia e utilizzati per caratterizzare tutte le apparecchiature. Anche se questo metodo di misurazione degli indici elettrici non è raro e sta diventando sempre più comune, la differenza tra indici di misura inferiori a 40 GHz e indici di misura superiori a 40 GHz è la tracciabilità. Al di sotto dei 40 GHz, il budget di incertezza è chiaramente definito attraverso un approccio di tracciabilità completa; I risultati delle misurazioni tra 40 e 43,5 GHz di solito non hanno la stessa fiducia. Per i produttori, l'incertezza può essere importante, perché i risultati delle misurazioni del prodotto determineranno se può superare i requisiti della specifica di prova.

Anche se la tracciabilità è un modo per stabilire un bilancio di incertezza affidabile, è più importante: la qualità associata a istituzioni metrologiche nazionali riconosciute come l'Istituto nazionale di standard e tecnologia (NIST) o il sistema di assicurazione dell'Istituto federale di metrologia (METAS). Non tutti i connettori sono tracciabili, come i connettori SMA. Sebbene il connettore sia ampiamente usato, è generalmente considerato non rintracciabile a causa dell'irregolarità e della scarsa ripetibilità dei suoi materiali dielettrici. Questo è il motivo per cui i connettori SMA non possono fornire risultati di misurazione accurati.

Fortunatamente, le caratteristiche di base del connettore tipo K ne garantiscono la tracciabilità, e dopo un'attenta progettazione, la gamma di frequenze di incertezza ragionevole e registrabile può essere aumentata a 43,5 GHz. L'aspetto più fondamentale della tracciabilità del connettore è l'impedenza, che dipende dalla valutazione delle dimensioni e dal controllo della compagnia aerea utilizzata per misurare il connettore. La misura dimensionale utilizza strumenti tracciabili come telemetri laser, dispositivi di misura a coordinate e misuratori d'aria. Una volta completate queste misurazioni, il passo successivo consiste nel trasferire le prestazioni della linea d'aria a un singolo connettore attraverso strumenti di taratura e altri componenti (come mostrato nella Figura 4). Lo standard IEEE P287 del connettore coassiale elenca i connettori utilizzati per la valutazioneConnettore K tracciabile Per progettare un connettore tracciabile a 43,5 GHz, Anritsu ha progettato una nuova funzione di connettore chiamata Extended-Kâ™ (Extended-Kâ™). I componenti di tipo K estesi con connettori da 2,92 mm non saranno sovrastampati e forniranno indicatori tracciabili di 43,5 GHz, evitando così il costoso investimento di migrazione del sistema di misura a connettori da 2,4 mm. Anritsu fornisce un sistema di misura completo con connettore K da 43,5 GHz, inclusi cavi porta prova, adattatori da 2,4 mm, strumenti di calibrazione TOSL portatili (sia maschio che femmina) e analizzatore di rete vettoriale ShockLine di Anritsu (con funzione K Type estesa). Gli adattatori Anritsu sono anche tracciabili, consentendo agli utenti di quantificare il loro budget di incertezza.