集成電路基板 - 用於43.5GHz量測的可追跡K型連接器

與其前身4G相比，5G移動通信標準是一個巨大的飛躍。 應用焦點不再局限於亞6GHz通信領域，而是在通信鏈中容納更多不同的應用頻帶。 大多數使用的頻段都有標準測試設備，如10GHz、2.0GHz和40GHz頻段。 從37GHz到43.5GHz的5G毫米波譜對量測設備產生了新的需求。 測試和量測（T＆M）設備製造商已發佈43.5GHz設備，以滿足更廣泛頻率覆蓋的需要。 然而，量測結果有多好，您需要有向測試設備傳輸訊號和從測試設備傳輸訊號的組件，以及這些組件的連接器有多好。 要準確量測43.5GHz，您需要使用2.92 mm（K型）連接器，該連接器可工作至40GHz，同時提供可工作至43.5GHz的無模式效能和清晰的跟踪路徑。

為什麼選擇43.5GHz？

雖然許多最初的5G部署都使用低於6GHz的頻段, millimeter waves (ie, 24GHz and above) have the advantage of greater bandwidth. 許多國家正在37-43中分配頻譜.5GHz range to 5G millimeter wave communications (see Figure 1). 2018年6月, the US Federal Communications Commission (FCC) proposed the use of the 42~42.5GHz頻段，用於寬帶或固定無線服務, 而巴西和墨西哥也提出了類似的建議，使用37-43.用於移動寬帶服務的5GHz頻段. 日本和歐盟也提議在40個國家應用類似的移動寬帶服務.5-43.5GHz頻段. 中國可能是毫米波應用的最大推動者，使用頻率高達43.5千兆赫. The Ministry of Industry and Information Technology of China has been at the forefront of 5G R&D and testing. 除了規劃5G頻譜, 中國還進行了研發試驗, 並開始驗證 PCB產品 2018年底.

圖1:5G毫米波頻譜規劃和在各國的應用1

在過去幾年中，這種頻率擴展已被許多測試和量測公司悄悄採用，並將這種頻率選項添加到現有和新產品中。 提供43.5GHz量測的眾多方面之一是連接器介面，它是用戶設備和測試設備之間的介面。 現時，有兩種方式允許用戶使用43.5 GHz：

在測試設備上使用2.4mm連接器。這種方法具有雙重優勢。 首先，連接器滿足50GHz的工作效能，其次，建立可追溯性。 然而，這種方法面臨的一個問題是，用戶必須用2.4mm的連接器介面更換所有電纜、轉接器、校準工具和其他組件。 這樣做的成本非常昂貴，因為2.4mm連接器通常比2.92mm連接器更貴。 另一個問題是，許多DUT使用2.92 mm（K）連接器，這意味著用戶必須添加額外的轉接器，以將測試設備上的2.4 mm連接器連接到2.92 mm DUT。 已連接。 儘管大多數使用2.4mm連接器的製造商提供2.92 mm轉接器，但除非轉接器表明其在2.92mm端的使用頻率高達43.5 GHz，否則43.5 GHz的效能受到連接器上產生的過量輸出的限制。 過度修改是有限的，無法保證。 下麵將繼續討論這一點。

在測試設備上使用2.92 mm連接器第二種方法是在設備上使用2.92 mm連接器，但應注意，從40GHz到43.5GHz，這種連接器無法追溯，其標稱效能是“量測的”。 這種方法的缺點是，連接器可能無法單獨測試，只能作為DUT的一部分用於“整體”量測。

二次成型

連接器電力效能的兩個最重要名額是其頻率可擴展性和是否滿足43.5GHz頻率所需的效能。 為了獲得最佳效能，應防止某些模式在連接器中傳播。 對於2.92mm（K）連接器，理論上只有橫向電磁波（TEM）可以傳播到約46GHz。 事實上，截止頻率將更低：電介質支撐珠需要考慮連接器的機械穩定性，並且由於介質中的波長比空氣中的波長短，其他模式的電磁波也可以在46GHz以下傳播。 這就是為什麼K型連接器的額定工作頻率通常最大為40 GHz。

在截止頻率以上，另一個模式TE11模式也將傳播。 它不是橫向的，並且像其他模式的波2一樣以更高的頻率傳播。 這是一個問題，因為輸入信號的能量可以在不同模式之間轉換，而這種轉換是由支撐珠表面的微小缺陷引起的（如圖2所示）。 在量測過程中，可以發現接頭中的二次成型現象。 如圖3所示，在連接器的傳輸量測過程中可以清楚地看到，大衰减峰值出現在窄帶中。 一旦失去頻率共振，模式之間的能量耦合將無效，能量將反射回原始傳輸路徑。

通過减小電介質支撐珠的周長，優化支撐珠的阻抗，並减小公差以减少能量耦合到傳輸模式的機會，可以防止過模的發生。 假設製造商克服了所有障礙，並設計了一個2.9mm的連接器，該連接器在43.5GHz下不會產生過模，這能為量測提供足够的信心嗎？ 答案因應用而异，具體取決於測試規範的嚴格程度。 此資訊將在資料表中解釋。

為什麼可追溯性如此重要？

頻率範圍為40至43.5 GHz的測量儀器電力規範中使用的術語是“量測指數”。 量測的指數或特性指數是可以提供一組數據的量測結果，這些數據可以以一定的置信度進行量化，並用於表徵所有設備。 雖然這種量測電力名額的方法並不少見，而且越來越普遍，但40 GHz以下的量測名額與40 GHz以上的量測名額之間的差异是可追溯的。 在40 GHz以下，通過完整的可追溯性方法明確定義不確定性預算； 40至43.5 GHz之間的量測結果通常不具有相同的置信度。 對於製造商來說，不確定性可能很重要，因為產品的量測結果將决定其是否能够通過測試規範的要求。

儘管可追溯性是建立可靠的不確定性預算的一種方法, it is more important: the quality associated with recognized national metrology institutions 例如 the National Institute of Standards and Technology (NIST) or the Swiss Federal Institute of Metrology (METAS) Assurance system. 並非所有連接器都可追跡, such as SMA連接器. 雖然連接器被廣泛使用, 由於其介電材料的不規則性和較差的重複性，通常認為其無法追跡. 這就是為什麼 SMA連接器 無法提供準確的量測結果.

幸運地, 的基本特徵 K型連接器 確保其可追溯性, 經過精心設計, 合理和可記錄不確定度的頻率範圍可新增到43.5GHz. 連接器可追溯性的最基本方面是阻抗, 這取決於用於量測連接器的航空公司的尺寸評估和控制. 尺寸量測使用可追跡工具，如鐳射測距儀, 座標量測裝置, 和氣量計. 一旦這些量測完成, the next step is to transfer the air line performance to a single connector through calibration tools and other components (as shown in Figure 4). The IEEE P287 coaxial connector standard lists the connectors used for evaluation
Traceable K-connector
In order to design a traceable 43.5 GHz連接器, Anritsu has designed a new connector function called Extended-K™ (Extended-K™). 具有2個.92mm連接器不會二次成型，並提供43.5GHz, 從而避免了將量測系統遷移到2.4mm連接器. Anritsu提供了完整的43.5 GHz K連接器量測系統, 包括測試埠電纜, 2.4毫米轉接器, portable TOSL calibration tools (both male and female) and Anritsu’s ShockLine™ vector network analyzer (with extended K Type function). Anritsu的轉接器也是可跟踪的, 允許用戶量化其不確定性預算.