毫米波測(cè)量技術(shù)及采用高性能混頻器的優(yōu)點(diǎn)

1、介紹

當(dāng)前最有吸引力的毫米波應(yīng)用主要在E頻段與V頻段。E頻段對(duì)應(yīng)于60GHz～90GHz的頻率范圍，在此頻段上由于大氣衰減的影響只能采取視線傳輸(LOS)方式。實(shí)際上，很多大氣中的分子，例如氧氣、水蒸氣或氮?dú)?，可以在這個(gè)頻段內(nèi)的特定波長(zhǎng)上吸收能量。然而，在實(shí)踐中，這些頻率范圍上足夠多的可用頻譜資源還是驅(qū)使著產(chǎn)業(yè)來將未來的技術(shù)應(yīng)用到這些頻率范圍上來。與此類似，V頻段對(duì)應(yīng)于40GHz～75GHz，被廣泛用于衛(wèi)星通信。

在這些頻段上有3個(gè)正在被開發(fā)的關(guān)鍵應(yīng)用，它們是：移動(dòng)回傳、汽車?yán)走_(dá)、Wi-Gig(802.11ad)。

第一個(gè)應(yīng)用依賴于這樣的事實(shí)：當(dāng)前的超異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)充滿著多個(gè)小基站，大幅提高了對(duì)回傳線路的傳輸容量的需求。核心網(wǎng)絡(luò)必須處理大量的數(shù)據(jù)被傳輸?shù)揭粋€(gè)特定區(qū)域中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)。因此，基于大于1GHz帶寬的毫米波無線鏈路的這些連接，我們可以滿足現(xiàn)代和未來的網(wǎng)絡(luò)上回傳需求并提供了一個(gè)比光纖更低成本的解決方案。移動(dòng)回傳與汽車?yán)走_(dá)都是最重要的應(yīng)用。79 GHz頻段將很有可能成為FMCW(調(diào)頻連續(xù)波)雷達(dá)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)頻率。該技術(shù)可以采用高達(dá)4Ghz帶寬的信號(hào)進(jìn)行工作，從而在汽車移動(dòng)環(huán)境中檢測(cè)目標(biāo)時(shí)達(dá)到所需的精度。最后，Wi-Gig是一個(gè)新的WLAN 802.11標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)被開發(fā)用于了非常高的速率傳輸服務(wù)，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頻率及占用2GHz帶寬。

鑒于在這些頻率上傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，將需要適當(dāng)?shù)臏y(cè)量?jī)x器以確保所有這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。這些儀器會(huì)需要一個(gè)優(yōu)秀的動(dòng)態(tài)范圍，以應(yīng)對(duì)高度衰減的信號(hào)和測(cè)量超寬帶信號(hào)的能力。

2、毫米波設(shè)備的挑戰(zhàn)與不同的測(cè)量方案

2.1、諧波混頻器

諧波混頻器的設(shè)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(yōu)點(diǎn)是它提供的簡(jiǎn)單和性價(jià)比的解決方案。

然而，從這些系統(tǒng)存在著2個(gè)主要的問題。首先，被用來影響本振信號(hào)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(dòng)態(tài)范圍變得非常差。其次，鏡像反應(yīng)的影響在此很重要，原因是在過程中多個(gè)頻率成分會(huì)不被歡迎地混合進(jìn)來。在測(cè)量結(jié)果上影響最大的鏡像反應(yīng)是會(huì)顯示在中頻(IF)的2倍偏移位置。作為一個(gè)例子，如果1臺(tái)頻譜分析儀加上1臺(tái)設(shè)計(jì)工作在1.58 GHz中頻頻率的諧波混頻器對(duì)來自于FMCW雷達(dá)的4GHz帶寬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，一些重要的測(cè)試項(xiàng)目，如頻率誤差、占用帶寬或發(fā)射功率將不能被測(cè)量，因?yàn)闀?huì)有一個(gè)與實(shí)際雷達(dá)信號(hào)重疊的鏡像響應(yīng)。在某些情況下，這個(gè)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(diào)頻連續(xù)波調(diào)制的情況下是無效的，因?yàn)榘l(fā)射頻率是不斷變化的。

2.2、典型下變頻配置

克服基于諧波混頻器的解決方案的鏡像響應(yīng)的典型的方法是使用一個(gè)經(jīng)典的下變頻設(shè)置連接到頻譜分析儀。一方面，由于基本混頻器使用的配置，不使用諧波來影響本振信號(hào)，一個(gè)理想的中頻頻率可以根據(jù)待測(cè)試的信號(hào)的頻率和帶寬來設(shè)計(jì)。基本上，一個(gè)連續(xù)波信號(hào)發(fā)生器結(jié)合一個(gè)乘法器將向下變頻信號(hào)提供需要的本振信號(hào)。

另一方面，一個(gè)系統(tǒng)需要由例如混頻器、本地信號(hào)源、乘法器、濾波器和增益放大器等多個(gè)部件來組建。顯而易見地，因?yàn)樯鲜鲈O(shè)備在使用時(shí)都需要配置、校準(zhǔn)和維護(hù)，可以明白下變頻配置會(huì)是很耗費(fèi)時(shí)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(shè)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(dǎo)技術(shù)與內(nèi)置單級(jí)乘法器，低噪聲放大器、濾波器設(shè)計(jì)為一體。這些設(shè)備對(duì)于之前討論的問題提供了一個(gè)解決方案：他們擁有出色的動(dòng)態(tài)范圍，鏡像反應(yīng)發(fā)生在距離需要信號(hào)很遠(yuǎn)的地方，他們與頻譜分析儀之間只需要一個(gè)連接即可工作。

一方面來看，高性能基本混頻器對(duì)比諧波混頻器有2個(gè)主要的好處：更好的靈敏度或DANL，得益于更低的轉(zhuǎn)換損失;及更好的鏡像反應(yīng)抑制，得益于使用1.875GHz中頻。除此之外，內(nèi)部混頻/濾波技術(shù)與獨(dú)一無二的極化轉(zhuǎn)移功能使得測(cè)量4GHz帶寬的毫米波信號(hào)變得可行。另一方面，高性能基本混頻器對(duì)比傳統(tǒng)下變頻器有以下好處：他們?cè)试S一個(gè)簡(jiǎn)單的配置或連接到頻譜分析儀，轉(zhuǎn)換損耗能夠簡(jiǎn)單地通過單鍵操作從USB內(nèi)存中被加入，提供一個(gè)比常用下變頻器更好的1dB壓縮點(diǎn)性能。毫無疑問，這個(gè)緊湊的測(cè)試系統(tǒng)能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和制造現(xiàn)場(chǎng)的布局，同時(shí)降低測(cè)量?jī)x器的維護(hù)和校準(zhǔn)成本。

3、針對(duì)毫米波設(shè)備的典型測(cè)量項(xiàng)目

毫米波設(shè)備的測(cè)量可以分為2個(gè)不同部分：射頻輸出特性(遵循ETSI EN 302 264-1)與調(diào)制或信號(hào)特性(依賴于實(shí)際待測(cè)試的技術(shù))。在接下來的部分，我們會(huì)解釋安立的高性能毫米波方案在每個(gè)部分是如何展現(xiàn)其突出的優(yōu)勢(shì)的。

3.1、發(fā)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，由于在這些頻率上信號(hào)的性質(zhì)-極大地受到反射、衰減或材料吸收的影響，發(fā)射功率和毫米波設(shè)備的頻譜發(fā)射模板需要在Over The Air (OTA)下進(jìn)行測(cè)試。因此，測(cè)試設(shè)備需要具備良好的靈敏度。例如，如果測(cè)試天線距離待測(cè)件50厘米，79 GHz信號(hào)的自由空間損耗將在65分貝左右。由于ETSI EN 302 264-1所定義的最大輻射平均功率譜密度(EIRP)要求測(cè)量<-40dBm /MHz，考慮測(cè)試天線增益23 dBi，對(duì)測(cè)試設(shè)備在79 GHz的要求將約為142 dBm / Hz。

一般情況下，一個(gè)典型的諧波混頻器，其特征在于轉(zhuǎn)換損耗約15dB至20dB。當(dāng)其與頻譜分析儀結(jié)合在一起時(shí)，我們可以估計(jì)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(dá)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(jié)合，發(fā)射功率和雜散發(fā)射所需要的靈敏度至少可以達(dá)到8dB。

3.2、寬帶調(diào)制測(cè)試

測(cè)試毫米波信號(hào)的調(diào)制質(zhì)量，頻譜分析儀的相位噪聲性能是非常重要的。例如，當(dāng)測(cè)試FMCW汽車?yán)走_(dá)，必須對(duì)相位噪聲特性和待測(cè)件的頻率線性度進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)發(fā)送和接收的信號(hào)之間的時(shí)間與頻率差別小，頻譜分析儀的相位噪聲性能差，因?yàn)槭盏降男盘?hào)可能被掩蓋在發(fā)射信號(hào)的相位噪聲里，兩種信號(hào)就不能區(qū)分，如下圖所示。

MS2840A與MA2808A相結(jié)合，在79GHz上低于-100 dBc(100 kHz偏移)和低于-110 dBc / Hz(1 MHz偏移)的優(yōu)秀相位噪聲性能可以滿足汽車?yán)走_(dá)技術(shù)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(jié)

隨著即將到來的5G網(wǎng)絡(luò)和ADAS的推廣，毫米波系統(tǒng)的需求也越來越大。測(cè)試這些超寬帶技術(shù)，帶外部混頻器的頻譜分析儀必須避免鏡像響應(yīng)問題，必須為OTA測(cè)試提供足夠的靈敏度，必須為調(diào)制分析具備足夠的調(diào)制相位噪聲性能。MS2830A/MS2840A頻譜分析儀和MA2808A高性能波導(dǎo)混頻器的組合是滿足這些需求的理想解決方案。