פתרונות בעלות סבירה לבדיקת התקנים ל- 28 גה”צ מדור 5 עם מכשור מעבדה ל- 6 גיגה הרץ
חוזה גרסיה [Jose Garcia] ומירוסלב קאראס [Miroslav Karas], Mini-Circuits
ליכולות המגדירות את התקן האלחוטי של דור 5 יהיה צורך בשימוש ברוחבי פס רחבים יותר, על פני אזורי ספקטרום רבים יותר, מאשר נדרש לכל טכנולוגיה אלחוטית קיימת. התקשורות בדור 5 ינצלו בסופו של דבר, פסים מרובים החל מתחת ל- 6 גה”צ ועד מעל ל- 60 גה”צ. לעת עתה, חלק ניכר ממאמצי הפיתוח מחולקים בין רוחבי פס של מתחת ל- 6 גה”צ עבור קישוריות בין כלי רכב ושידורים בטווח רחוק יותר, ופסים ברוחב 26, 28, 38 ו-60 גה”צ עבור יישומי פס רחב ניידים משופרים. ההגירה לתדרים גבוהים יותר וטבעו של הפס המרובה של הטכנולוגיה, מציבים מגוון של אתגרים ייחודיים עבור מתכננים שמפתחים התקנים וציוד רשת לדור 5. הגורם המשמעותי בין כל אלו הוא העלות הגבוהה של המכשור המשמש לבדיקות ומדידות על פני טווח כה רחב של תדרים.
מעבדות רבות לבדיקת ת”ר (RF) הותאמו כבר עם ציוד בדיקה ומדידה, שיש לו יכולת לבצע מדידות עד 6 גה”צ. עבור חברות שמנסות להיכנס לתחום של יישומים הפועלים ברוחבי פס החל מפחות מ- 6 גה”צ ועד ל- 28 גה”צ או אפילו עד ל- 38 גה”צ, העלות הכרוכה ברכישה של מכשור ייעודי נוסף שתומך במדידות עד 40 גה”צ, עלולה להוות מחסום, בכך שהיא מעלה את ההשקעה מסדר גודל של עשרות אלפי דולרים לסדר גודל של מאות אלפי דולרים. למזלנו, עם קצת יצירתיות ומעט רכיבים זמינים מן המוכן, לקוחות יכולים להתאים את הציוד שברשותם כבר עתה במעבדה, על מנת לבצע בדיקות של התקנים שפועלים בפסי תדירות גבוהים יותר, מבלי שיהיה צורך בהשקעה כבדה בציוד חדש.
מאמר זה מתאר מבחר של מערכים בעלויות סבירות באופן יחסי, בשימוש רכיבי Mini-Circuits מן המדף, אשר מאפשרים למשתמשים לבדוק התקנים שפועלים בפס של 28 גה”צ עם נתח ספקטרום של 6 גה”צ או נתח רשת ומחולל אות שפועל עד 6 גה”צ. בהמשך אפשר לראות את תרשימי הבלוקים הפונקציונליים ובצידם הסברים, עם רכיבים מומלצים והרחבות אפשריות.
סקירה של מערכי הבדיקה – המרה מעלה ומטה עם ערבל תדר רחב – פס
נניח לצורך המקרה שלנו שאנו רוצים להרכיב מערך לבדיקה של תקשורת לוויינית דו כיוונית בהתקני 28 גה”צ באמצעות נתח ספקטרום ומקור אות (סינתיסייזר או מחולל אותות), שניהם עם תדירויות פעולה שמגיעות עד 6 גה”צ. לבדיקת תקשורת בכיוון מטה, אפשר להשתמש בערבל תדר פס רחב עם תדירות מתנד מקומי (LO) של 24 גה”צ על מנת להמיר אות בדיקה של 4 גה”צ, ממחולל האותות, ל- 28 גה”צ שיוזן להתקנים בבדיקה. לצורך בדיקה של התקשורת בכיוון מעלה, אפשר להשתמש באותו ערבל תדר כדי להמיר 28 גה”צ מההתקן שבבדיקה חזרה כלפי מטה ל- 4 גה”צ אל תוך הנתח.
דגם ערבל התדר MDB-44H+ של Mini-Circuits בטכנולוגיית MMIC, מתאים במיוחד ליישום זה. לערבל התדר יש טווח תדרי ביניים (IF) ממתח ישר DC עד 15 גה”צ וטווח תדירויות המתנד המקומי/ת”ר הוא 10 עד 40 גה”צ. אפשר להשתמש בו כממיר מעלה ומטה והוא מספק הפסדי המרה נמוכים עם דיכוי הרמוניות מעולה. את ערבל התדר אפשר להתקין באופן נוח על לוח בדיקה (TB-973-MDB44HC+) עם מחברי נקבה של 2.92 מ”מ (שנדרשים עבור תדירויות מעל 26.5 גה”צ), באופן שמאפשר בקלות חיבור עם מחברי 3.5 מ”מ ומחברי SMA שעל כבלי הבדיקה, ההתקן שבבדיקה וציוד הבדיקה.
בניית מקור אות מתנד מקומי (LO) של 24 גה”צ
על מנת לממש את היכולת של המרת התדרים המתוארת באיור 1, יש צורך במקור אות של 24 גה”צ שישמש כמתנד מקומי (LO) עבור ערבל התדר. על מנת להימנע מהעלות הכרוכה במחולל לתדר גבוה, ביקשנו להשתמש במקור אות של 6 גה”צ, כדי לחולל את אות המתנד המקומי הרצוי. על מנת לצמצם את מספר הרכיבים ולהפחית עלויות נוספות, ביקשנו גם לפצל את מקור האות של מתנד מקומי (LO) אחד להפעלה של ממיר מעלה וממיר מטה.
ערבל התדר MDB-44H+ פועל על מתנד מקומי (LO) עם רמה של +15 dBm, כך שמקור אות המתנד המקומי אמור לספק שני ערוצים של 24 גה”צ ב- +15 dBm. איור 2 מציג מבנה בסיסי שמשתמש ברכיבים של Mini-Circuits המחוברים ביניהם, כדי להכפיל אות מסונתז של 6 גה”צ שמגיע ממחולל האותות עד ל- 24 גה”צ. לתיקון רמות האות משתמשים במגברים קואקסיאליים. מסננים ללא החזרות המדכאים הרמוניות בלתי רצויות ביציאת מכפל התדר ובולעים את כל ההחזרות של האותות המופיעות בין מרכיבי השרשרת, והתקן מפצל/מרבב בעל פס רחב במיוחד המשמש לחלוקה שלאות בתדר 24 גה”צ לכל אחד משני חיבורי המתנד המקומי של ערבל התדר.
ראוי לשים לב שתרשים בלוקים זה מייצג תפיסה שאפשר לשנותה לפי דרישות המשתמש. בתלות בתדירות בפועל של יישום המשתמש, אפשר להוסיף לשרשרת גם הפסדים והשפעות פרזיטיות של העולם האמיתי, ניתן להוסיף שילובים שונים של מכפלי תדר, מסננים, מגברים ומנחתים, על מנת לקבל את התדר וההספק של האות הרצוי.
מקרה 1: מערכת מדידה עם נתח ספקטרום ועם ממיר מעלה/מוריד
כעת, לאחר שיש לנו האמצעים להמרת תדר בין 4 גה”צ ל-28 גה”צ ומקור של 24 גה”צ עבור המתנד המקומי (LO) של ערבל התדר, אנו יכולים לשלב את המרכיבים האלו כדי לבנות מבחר של מערכים שימושיים. דוגמה אחת היא מערך מדידה עם נתח ספקטרום שמתואר באיור 3.
שים לב שעבור מערך זה יש צורך במסנן מעביר גבוהים עם תדירות קיטעון של 24 גה”צ, כדי לדכא את פס הצד הנמוך של אות לא מומר. חברת Mini-Circuits יכולה לספק מסננים למטרה זו לפי בקשה. כהרחבה מעניינת, המשתמש יכול להחליף את נתח הספקטרום באוסצילוסקופ (משקף תנודות) כדי לבצע ניתוח במישור הזמן או ניתוח זמן אמת של אותות דור 5.
מקרה 2: ממיר מעלה ומוריד של נתח רשת וקטורי
אפשר להשתמש באותם רכיבים ששימשו במקרה הקודם, גם על מנת להרחיב את כיסוי התדירויות של נתח רשת וקטורי (VNA) לתדר נמוך. הקונפיגורציה המתוארת באיור 4 מאפשרת מדידה מדויקת של יחסים סקלאריים כגון הפסד מעבר, הגבר ומופע מעבר בתדירויות גבוהות, עם נתח רשת וקטורי לתדירות נמוכה וידידותי יותר למשתמש מבחינה תקציבית.
אפשר לממש גישה מתקדמת יותר עם נתח רשת וקטורי, שיש לו גישה ישירה למקלט. באופן תיאורטי, אפשר לקיים מדידות ותיקון וקטורי מלא עם המערך שמופיע באיור 4, אך ההפסדים של ערבלי התדר (הפסד המרה של 8 dB בערך) יהיו משמעותיים מספיק, כדי שתהיה להם השפעה על המצמדים הפנימיים בנתח הרשת הווקטורי וימנעו כיול מדויק. על מנת לפתור את הבעיה הזו, אפשר להשתמש במצמדים חיצוניים אחרי ערבלי התדר, כדי לשפר את הכיווניות של המערכת כולה ולאפשר כיול ומדידות מדויקים של הווקטורים.
איור 5 מציג מערך כזה עם יכולות מלאות של כיול ומדידה של וקטורים. שים לב שבמקרה זה אנו משתמשים במפצל 4 דרך ל- 40 גה”צ, ויש צורך במקור אות מתנד מקומי (LO) של 24 גה”צ עם הספק של +21 dBm על מנת לחלק את אות המתנד המקומי ל- 4 ערוצים. המצמדים אמורים לפעול בטווח שבין 24 עד 30 גה”צ עם יחס צימוד של 20 dB בערך, כדי לחצוץ בצורה תקינה את חוסר התיאום בנתיב של המקלט. חברת Mini-Circuits מפתחת עתה מצמדים עם טווח תדירויות מ- 20 עד 40 גה”צ שמתאימים במיוחד ליישום זה.
הממיר המעלה/מוריד הינו בלתי תלוי לחלוטין במערכת של נתח הרשת הווקטורי ורוב הפונקציות של נתח זה שקופות לחלוטין דרך הממיר. המפעיל יכול לכוונן את הספק הכניסה, לבצע סריקות הספק (power sweep), סריקות מקטעים ליניאריות (linear segment sweep) וסריקות לוגריתמיות
(logarithmic sweep), מתוך הנחה שכל התדירויות המופעלות על היחידה שבבדיקה מוכפלות ב- 4. ההפסדים הכוללים של האותות דרך הממיר אמורים להיות פחות מ- 23 dB, ואינם אמורים להוות בעיה עבור רוב נתחי הרשת הווקטוריים.
מערכים של נתחי רשת וקטוריים עם המרה מעלה/מטה כגון אלו הנראים באיור 4 ובאיור 5 יכולים להיות שימושיים במיוחד לבדיקות ‘עובר/נכשל’ בייצור, שנערכות בהיקפים גדולים, כאשר יש צורך בבדיקה של רכיבי תדירות גבוהה, אשר לעתים קרובות ניצבים מול אילוצי תקציב.
מחברים הכל יחד: חיבורים פנימיים ואינטגרציה
מערכי הבדיקה המתוארים כאן מתבססים על שילובים שונים של מגברים קואקסיאליים, מפצלים ומצמדים וכן על ערבלי ומכפלי תדר ומסננים ללא החזרות בטכנולוגית MMIC, שמותקנים על לוחות בדיקה עם מחברים. לכן, יהיה צורך במבחר של מתאמים וכבלים לצורך החיבור בין הרכיבים ואל מחולל האותות ומכשור הבדיקה.
עבור מערך של מתנד מקומי (LO), בדיוק כפי שהוא מתואר באיור 2, יהיה צורך במתאם מחבר זכר-N למחבר זכר SMA (NM-SM50+) כדי לחבר בין מחולל האותות המסונתז לבין מכפל התדר הראשון. את המסנן והמגבר בדרגת 12 גה”צ אפשר לחבר עם מתאמי זכר SMA לזכר SMA (SM-SM50+) ואת הרכיבים בדרגת 24 גה”צ אפשר לחבר עם מתאמי זכר 2.92 מ”מ לזכר 2.92 מ”מ (KM-KM50+). חברת Mini-Circuits הרחיבה את מבחר המתאמים שלה עד ל- 40 גה”צ, הכוללים מחברים מסוג 3.5 מ”מ, 2.92 מ”מ (K) ו- 2.4 מ”מ בכל התצורות של זכר ונקבה. לחיבורים שבהם יש צורך בגמישות רבה יותר, ניתן לרכוש את כבלי ה- HandFlex™ של Mini-Circuits במידות אורך שונות עם מגוון רחב של תצורות מחברים, לתדרים של עד 18 גה”צ ול- 40 גה”צ עם מחברים של 2.92 מ”מ.
כבלי בדיקה לביצועים גבוהים נדרשים גם כדי לקבל חיבור טוב ב- 4 גה”צ ממחולל האותות (RF) ונתח הספקטרום אל חיבור (port) תדר הביניים (IF) של ערבל התדר. כבלי הבדיקה המדויקים ל- 18 גה”צ מסדרת CBL של Mini-Circuits מהווים מועמדים מצוינים למטרה זו. את החיבור ל- 28 גה”צ בין חיבור (port) ה-RF של ערבל התדר לבין ההתקן שבבדיקה אפשר לבצע עם כבלי 40 גה”צ מדויקים מסדרת KBL.
עבור שימושים נוספים ולצורך נוחות, חברת Mini-Circuits יכולה לבנות מערכים של ממיר מעלה/מוריד כמו אלו שבהם דנו במאמר זה במכלול להתקנה במסד 19 אינץ’, בהתאמה למשתמש, עם כניסת מתח חילופין, כך שהמשתמש יכול להתקין בפשטות את הציוד במסד הבדיקה שלו מבלי להשקיע את הזמן והמאמצים הכרוכים בבניית מכלול משל עצמו. את הרכיבים המשמשים במערכים אלו ניתן לקבל במארזים להתקנה משטחית (SMD), כדי שלקוחות יוכלו לשלב את הממיר מעל/מוריד על לוח המודפס (PCB) שלהם, עבור מתקני בדיקת ת”ר (RF) במערכי בדיקה אוטומטיים (ATE) בייצור.
מסקנות
המעבר של יישומים אלחוטיים מסחריים מתחום ספקטרום שמתחת ל- 6 גה”צ עד לפסי גלים מילימטריים מציב אתגרים בפני מעבדות הבדיקה שכבר יש להן ציוד LTE של דור 4 ויישומים אלחוטיים קיימים אחרים. העלות של מכשור לביצועים גבוהים ל- 26 גה”צ ול- 40 גה”צ עלולה לחסום בפועל את כניסתן של חברות ותוכניות בעלות רגישות תקציבית אל מרחב הדור 5. המאמר הזה מתאר גישה שמאפשרת למתכננים ולמהנדסי בדיקות עם ציוד מעבדה ל- 6 גה”צ לבדוק התקנים בתדרים גבוהים יותר, מבלי שיידרשו להשקיע הון רב בציוד ייעודי לתדר גבוה.
המערכים המתוארים הינם דוגמאות בלבד, ולקוחות יכולים לנצל גישות דומות כדי לפתח מערכים עבור תדרים , רמות הספק, ויישומים שונים . חברת Mini-Circuits מציעה כעת ערבלי תדר ומכפלי תדר לפס רחב במיוחד, עד ל- 40 גה”צ; כולם זמינים במארזי QFN זעירים בהתקנה משטחית (SMD), שמותקנים על לוחות בדיקה עם מחברים, שמאפשרים ללקוחות לבנות מערכים דומים לבדיקה בתדרים גם של 38 גה”צ דור 5.
