Tecniche di misura per applicazioni nella banda a onde millimetriche

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Attualmente, le più interessanti applicazioni in banda millimetrica operano nelle cosiddette bande E e V. La prima di queste corrisponde al range di frequenze comprese tra 60 GHz e 90 GHz, all’interno della quale la trasmissione in modalità LoS (Line Of Sight) è obbligatoria a causa principalmente degli effetti dell’attenuazione atmosferica. Infatti, molte molecole dei gas contenuti nell’atmosfera quali ossigeno, vapore acqueo o azoto possono assorbire energia a specifiche lunghezze d’onda all’interno di quella banda.

Fig. 1 – Schema di un analizzatore di spettro connessa a una classica soluzione per la conversione verso il basso (down conversion)

Tuttavia, in pratica, grazie all’ampiezza dello spettro disponibile a queste frequenze, la tendenza è “spostare” le future tecnologie su questa gamma. Analogamente, la V-Band è compresa tra 40 GHz e 75 GHz ed è ampiamente utilizzata per le comunicazioni satellitari sicure.

Tre sono le applicazioni chiave in fase di sviluppo in queste bande: mobile backhaul, radar per applicazioni automotive e Wi-Gig o 802.11ad. La prima si basa sul fatto che le attuali Super Reti eterogenee sono servite da una pluralità di piccole celle, che incrementano sensibilmente la necessità di capacità di trasmissione nel backhaul (si tratta di quella parte della rete di telecomunicazioni che sta tra i punti di smistamento vicini ai punti di accesso degli utenti e il backbone).

La rete core (core network) deve gestire grandi quantità di dati da trasferire a ognuno dei nodi di una specifica area. Pertanto, basando queste connessioni su link in banda millimetrica con una larghezza di banda superiore a 1GHz, è possibile soddisfare i requisiti di backhaul per le reti attuali e future e ancora fornire una soluzione a basso costo rispetto alla fibra ottica. Il mobile backhaul è l’applicazione più importante, insieme ai radar per applicazioni automotive. La banda dei 79 GHz molto probabilmente diventerà la frequenza standard per le tecnologie Radar FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave).

Fig. 2 – Mediante mixer a guida d’onda a elevate prestazioni è possibile semplificare la configurazione delle apparecchiature

Questa tecnologia può essere utilizzata con segnali aventi banda passante fino 4 GHz, e che raggiunge la massima precisione nel rilevamento di obiettivi (target) in ambito automotive. Infine, la cosiddetta Wi-Gig è una nuova versione dello standard WLAN 802.11, che è stata sviluppata per servizi che richiedono una velocità molto elevata quali TV ad alta definizione (HDTV) non compressa e trasmissione instantanea di musica e immagini. Ciò può essere ottenuto operando con una larghezza di banda passante tra 2 GHz a 60 GHz.

Data la natura delle trasmissioni in queste frequenze, per supportare queste tecnologie saranno richiesti adeguati strumenti di misura. Essi saranno caratterizzati principalmente da un range dinamico molto elevato, data la presenza di segnali fortemente attenuati, e dalla capacità di misura di segnali a banda ultra-larga.

Problematiche e soluzioni di misura per dispositivi nelle bande millimetriche.

• Mixer armonici

I mixer armonici sono dispositivi che lavorano in modo tale che la frequenza dell’oscillatore locale (LO) coinvolta nel processo di miscelazione venga influenzata per mezzo di componenti armoniche. Semplicità ed economicità sono i principali vantaggi legati all’uso di questi tipi di mixer.

Tuttavia, ci sono due principali problemi derivanti dall’uso di questi sistemi. In primo luogo, il numero di armoniche che vengono utilizzate per influenzare il segnale dell’oscillatore locale introducono perdite direttamente proporzionali alla frequenza. Di conseguenza, il range dinamico della soluzione risulta piuttosto ridotto.

Secondariamente, l’effetto dei segnali fantasma (image response) è molto rilevante a causa delle componenti a frequenze multiple che sono, in maniera non voluta, miscelate nel processo. I segnali fantasma che hanno il maggiore impatto sui risultati delle misura sono visualizzate a un offset doppio delle frequenza intermedia (IF).

Fig. 3 – Rumore di Fase misurato a 79 GHz

Per esempio, se un segnale in ingresso da un radar FMCW con una banda passante di 4 GHz viene misurato da un analizzatore di spettro e un mixer armonico progettato per lavorare a una frequenza IF di 1,58 GHz, parametri importanti quali errore di frequenza, larghezza di banda occupata o potenza di trasmissione non potrebbero essere misurate, perché ci sarebbe un segnale fantasma sovrapposto al segnale reale del radar. In alcuni casi, questo problema può essere risolto con metodi di soppressione di questi segnali indesiderati. Tuttavia, non si tratta di una soluzione efficace nel caso di modulazione FMCW, dato che la frequenza trasmessa varia in continuazione.

• Configurazione di un classico down-converter

La modalità tipica per superare il problema della frequenza immagine in soluzioni basate su mixer armonici è quella di utilizzare la classica impostazione che prevede una soluzione di down-conversion connessa a un analizzatore di spettro. Da una parte, a causa delle configurazioni utilizzate dai mixer in fondamentali, che non utilizzano le armoniche del segnale dell’oscillatore LO, una frequenza IF ideale può essere configurata in base alla frequenza e larghezza di banda del segnale sotto test. In sostanza, un generatore di segnali ad onda continua combinato con un moltiplicatore fornirà il necessario segnale LO per convertire verso il basso il segnale desiderato (Fig. 1).

D’altro canto, nel realizzare il sistema è necessario abbinare diversi componenti come mixer, oscillatori locali, moltiplicatori, filtri e amplificatori. Ovviamente, dato che tutti questi dispositivi devono essere configurati, calibrati e regolati durante il funzionamento, è facile comprendere come le configurazioni di down-conversion richiedono un notevole dispendio di tempo.

• Mixer che lavora in modo fondamentale ad alte prestazioni

La figura 2 illustra il concetto che sta alla base dei mixer ad alte prestazioni che lavorano in modo fondamentale, di Anritsu. I mixer MA2808A e MA2806A, funzionanti rispettivamente nelle bande E e V, possono essere visti alla stregua di down converter integrati, che includono un moltiplicatore single-purpose, un amplificatore a basso rumore, filtri e mixer che operano in modo fondamentale basati su tecnologia a guida d’onda. Questi dispositivi rappresentano una soluzione che permette di affrontare in modo efficace i problemi visti in precedenza grazie a caratteristiche quali elevato range dinamico, segnali fantasma “molto lontani” dal segnale desiderato e singola connessione a un analizzatore di spettro.

Da un lato, i mixer a elevate prestazioni che operano in modo fondamentale, assicurano due vantaggi principali rispetto ai mixer armonici: una migliore sensibilità o DANL, ottenuta grazie alle minori perdite di conversione, e un migliore annullamento di segnali fantasma grazie all’utilizzo di una IF di 1,875 GHz. Oltre a ciò, la tecnologia interna di mixer/filtering e la funzione PS (Polarisation Shift) consentono la misura di segnali ad onde millimetriche con larghezza di banda di 4 GHz.

D’altro canto, i mixer che operano in modo fondamentale a elevate prestazioni garantiscono numerosi vantaggi rispetto ai classici down-converter: semplicità di configurazione o connessione ad analizzatori di spettro, possibilità di caricare le perdite di conversione in una chiavetta USB azionando un semplice pulsante, offrono prestazioni del punto di compressione a 1 dB molto superiori rispetto ai down converter normalmente disponibili, con un miglioramento dell’ordine dei 10 dB. Senza dubbio questo compatto sistema di test può semplificare il layout dei siti di progettazione e produzione, oltre a ridurre i costi di manutenzione e calibrazione degli strumenti di misura.

Misure tipicamente richieste sui dispositivi ad onde millimetriche

La misura di dispositivi ad onde millimetriche può essere suddivisa in due parti ben distinte: caratteristiche di uscita RF (che in Europa seguono ETSI EN 302 264-1  ) e caratteristiche della modulazione o del segnale, che dipende dalla tecnologia attuale nell’ambito di interesse. Nelle seguenti sottosezioni verranno spiegati i vantaggi legati all’adozione delle soluzioni a onda millimetrica di Anritsu.

• Potenza TX, errore di frequenza, ed emissioni spurie con sufficiente sensibilità

In molti casi, la potenza TX e la maschera di emissione spettrale (spectrum emission mask) di dispositivi a onde millimetriche deve essere testata in modalità OTA (Over The Air) a causa della natura dei segnali a queste frequenze, che sono soggetti a fenomeni di riflessioni, attenuazione, o assorbimento dei materiali. È quindi necessario che l’apparecchiatura di analisi sia caratterizzata da una buona sensibilità. Per esempio, se l’antenna test è posta a 50 cm di distanza dal DUT, la perdita in spazio aperto per segnali di 79 GHz sarà di circa 65 dB. Poiché il Maximum Radiated Average Power Spectral Density (EIRP) definita da ETSI EN 302 264-1   richiede una misura <-40 dBm/MHz, il requisito per l’apparecchiatura di test sarà approssimativamente di -142 dBm/Hz a 79 GHz, considerando un guadagno dell’antenna test pari a 23dBi.

Generalmente, un mixer armonico è caratterizzato da una perdita di conversione approssimativamente compresa tra 15 dB e 20 dB. Abbinando un analizzatore di spettro, ci si può aspettare un DANL (Display Average Noise Level – ovvero un livello di rumore di fondo) compreso tra -135 dBm/Hz e -140 dBm/Hz, ragion per cui darà difficile soddisfare il requisito sopra menzionato. Tuttavia, la combinazione tra gli analizzatori di spettro MS2840A, capaci di garantire eccellenti prestazioni in termini di rumore di fondo, e il mixer che lavora in modo fondamentale MA2808A, la sensibilità richiesta per quanto concerne la potenza TX e le emissioni spurie viene ampiamente raggiunta con uno scarto di almeno 8dB.

• Test di modulazione a banda larga

Per testare la qualità della modulazione di segnali nelle bande millimetriche, le prestazioni in termini di rumore di fase dell’analizzatore di spettro assumono una particolare importanza. Per esempio, nel collaudo di un radar FMCW per applicazioni automotive richiede la verifica delle caratteristiche di rumore di fase e linearità in frequenza del DUT. Quando la differenza tra tempo e frequenza del segnale trasmesso e ricevuto è piccola, e le prestazioni di rumore di fase dell’analizzatore di spettro non sono adeguate, i due segnali non possono essere separati poichè il segnale ricevuto potrebbe essere nascosto nel rumore di fase del segnale trasmesso, come mostrato in figura 3.

La combinazione tra MS2840A e MA2808A, prestazioni di rumore di fase <-100 dBc (offset di 100 kHz) e <-110 dBc/Hz (offset di 1 MHz) a 79 GHz soddisfano i requisiti richiesti dai radar utilizzati in applicazioni automotive, che richiede prestazioni in termini di rumore di fase di almeno -90 dBc/Hz (offset di 100 kHz) e -100 dBc/Hz (offset di 1 MHz).

Con le reti 5G sulla rampa di lancio e la diffusione dei sistemi ADAS, la domanda di sistemi ad onde millimetriche è in rapida crescita. Per il collaudo di queste tecnologie a banda ultra larga, è necessario utilizzare analizzatori di spettro con mixer esterni che, oltre a evitare le problematiche legate ai segnali fantasma, devono garantire una sensibilità sufficiente per il collaudo in modalità OTA e prestazioni adeguate in termini di rumore di fase per l’analisi della modulazione. La combinazione tra gli analizzatori di spettro MS2830A/MS2840A e il mixer a guida d’onda MA2808A a elevate prestazioni si propone come la soluzione ideale per soddisfare queste esigenze.

Victor Fernandez, Wireless specialist, Engineering & Technology Department, Anritsu-EMEA

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