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使用高效能數位轉換器 提升相位陣列天線測試速度
 

【作者: 安捷倫科技】   2013年02月27日 星期三

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摘要

工程師原本都是使用向量網路分析儀(VNA),來對相位陣列天線中的發射/接收模組進行振幅與相位量測。近來製造技術的改良,使得更具彈性且功能更強的發射/接收模組得以大量生產。


然而校驗與特性分析卻形成製造瓶頸,因為完整的相位陣列天線可能包含無數個T/R模組,以及來自陣列組件的多個射頻輸出通道。以所需蒐集的資料數量來看,對測得的複雜陣列進行校驗的時間得長達好幾天或好幾個星期。為了縮短測試時間,必須採用完全不同的方法。


針對包含發射/接收模組的跨通道相位與振幅量測,採用Agilent M9703A的測試系統提供了多達數百個同步輸入通道,可快速地同時執行許多測試。同時,Agilent M9703A可提供脈衝和線性調頻脈衝(chirp)等信號進行數位轉換時所需的頻寬,以滿足未來複雜的測試需求。


序言

額外的生產測試時間會增加製造成本。以主動天線陣列來說,有相當數量的生產測試時間是花在校驗上。雖然工程師得面對降低製造成本的壓力,但他們也想加強測試系統的彈性以涵蓋廣泛的使用案例,並確保他們的測試平台能以更快的頻率切換效能和更高的頻寬來測試更高效能的陣列。


本文簡單介紹在相位陣列天線測試系統中,與數位轉換器的使用和選擇有關的重要問題。此外,它還提供一個使用模組化Agilent AXIe M9703A(數位轉換器)來提升測試速度的解決方案。


相位陣列天線測試工程師面對的重要問題

本文可以解決相位陣列天線工程師所面對的測試挑戰,包括:


  • ‧ 在降頻轉換之後,對IF信號進行快速、寬頻及高解析度取樣的需求。


  • ‧ 在所有的輸入通道達到相位相干取樣,以提供相對幅度與相對相位量測的需求。


  • ‧ 根據測試情境,在靈敏度與分析頻寬之間進行不同取捨的需求。



首先,天線信號會進入微波混頻器區塊,在數位轉換器的3 dB類比頻寬內,將天線陣列的微波/射頻降頻轉換到IF。混頻器區塊與本地振盪器的選擇,取決於輸入頻率和可接受的轉換損耗。載波頻率的範圍從S到Ka頻帶(2到40 GHz)。


其次,信號會通過幾個可能的衰減/增益和濾波器階段,以充分利用數位轉換器的動態範圍和前端特性。


最後,信號會由數位轉換器分開取樣。如果所需的IF頻寬,遠比數位轉換器約800 MHz的Nyquist(1.6 GSa/s)頻寬窄,則可使用數位降頻轉換(DDC; digital down conversion)程序,來調諧全頻寬類比-數位轉換器輸出資料到想要的較窄頻率分析頻帶。使用DDC會降低頻帶內整體雜訊功率,從而提高信號雜訊比(SNR)。


如果雜訊功率是隨機的且平均分佈在整個頻譜中,則雜訊功率的下降幅度為:


10 x log(BWFin/BWInit )。


(表一) Agilent M9703A-DDC的取樣率和頻寬模式

取樣率

分析頻寬

1.6 GS/s

1 GHz

400 Ms/s

300 MHz

200 Ms/s

160 MHz

100 Ms/s

80 MHz

50 Ms/s

40 MHz

50/2n Ms/s

40/2n MHz


使用Agilent M9703A來提升校驗速度

Agilent M9703A數位轉換器提供了一些獨特的功能:


  • ‧ 可同時執行多重平行量測,以提高測試速度。


  • ‧ 比市場上的其他網路分析儀解決方案,提供更大的頻寬與更多的同步輸入通道數。


  • ‧ 提供從窄頻距到寬頻距不等的各種量測設定,以及最佳的靈敏度與解析度。



這數位轉換器將8個高速、高解析度通道整合到一張轉換卡上,而多台數位轉換器又可被整合到一個安捷倫AXIe機箱中。Agilent M9505A機箱可以容納5台數位轉換器,在一個桌上型測試系統中總共可提供40個資料蒐集通道。


透過50Ω的直流耦合輸入,這台數位轉換器可與數個上行信號調節與降頻轉換器模組輕易地結合在一起,構成一個整體測試解決方案。


該測試解決方案可配合天線陣列元件的不同功率位準、選擇的測試解決方案IF頻率、及實體外型結構需求來進行調整。安捷倫提供了許多產品和量測專業技術,以協助進行最適合的應用。為使系統達到同步,可使用各種外部或系統參考時脈輸入。AXIe背板提供的時序和觸發信號包括:


  • ‧ 100 MHz系統時脈


  • ‧ 100 MHz PCIe時脈


  • ‧ 嵌入式系統模組(ESM)的點對點星狀觸發(star trigger)


  • ‧ 雙向點對點星狀觸發


  • ‧ 12通道平行觸發匯流排



Agilent M9703A配備兩個I/O輸出,其所提供的狀態信號,可以讓工程師將測試計畫最佳化,使數位轉換器的觸發器與在下一個測試階段啟動待測裝置(DUT)的動作達到同步。“Acquisition Running” 狀態信號便是一個例子。


當蒐集狀態從“執行”變成“閒置”時,輸出位準會改變,以通知工程師測試系統已經準備好接受DUT狀態的改變。要連接控制PC,可以利用接線將PCIe與ESM(嵌入式系統模組)連接在一起,或者也可以使用嵌入式處理器如Agilent M9536A,從其中一個AXIe插槽來控制蒐集系統。



圖一 :  相位陣列測試範圍配置範例
圖一 :  相位陣列測試範圍配置範例

結語

使用Agilent M9703A作為相位陣列天線測試解決方案的數位轉換器核心,意謂著您肯定藉由同時執行多筆量測來提高測試速度,進而提升生產效率的價值。雖然快速測試通常表示量測解析度較低,但使用Agilent M9703A的多個通道可執行相同的測試,只要透過在一個AXIe機箱中同時執行的多項測試即可達到。


此外,使用DDC數位信號處理演算法,您就可以在信號的分析頻寬與雜訊比之間進行取捨,為每一項測試量身打造一個測試解決方案,而不必更換數位轉換器硬體。


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