對決路徑損耗/雜訊/頻率響應　毫米波測試難題見招拆招

毫米波技術是達成此目標的關鍵技術，可提供充足的邊限，以便提升整體效能，但它同時也增添了路徑損耗、更窄的設計邊限、複雜調變，以及嚴格的標準規範等挑戰。

在毫米波頻率下，射頻功率將因路徑損耗過大而受限，成本也隨之升高。此外，需使用空中傳輸(OTA)測試方法來量測效能參數，使得獲得準確且可重複的結果，變得更加困難。寬廣的頻寬有助於實現更高的資料傳輸速率、更精細的解析度和準確度，以及更低的延遲，但同時也讓擾人的雜訊變得更多。而過大的路徑損耗和雜訊，則提高了測試複雜性和量測不確定性。

毫米波測試挑戰

無線技術致力於增加訊號頻寬，並使用高階調變機制來實現更快的資料速率。毫米波的一大優勢是，可提供更寬的頻寬。然而，毫米波頻率雖創造更寬的頻寬和更高階的調變機制，但也同時帶來了更嚴峻的鏈路品質挑戰。比方說，凸緣連接中的任何時脈偏差，都可能產生不必要的反射訊號，導致訊號品質和功率下降。因此，工程師必須花更多心思，才能準確地評估毫米波元件和裝置。

．過大的路徑損耗

在毫米波頻率下，由於儀器和待測裝置(DUT)之間的路徑損耗過大，使得訊噪比(SNR)嚴重下降。較低的SNR使得訊號分析量測(例如誤差向量振幅、相鄰通道功率和突波放射)變得更具挑戰性。

這些元件體積輕巧且高度整合，難以進行探量，因而需要進行輻射測試，又稱為OTA測試。如圖1所示，此時訊號位準會急劇下降，因此需控制並校驗測試配置周圍的輻射環境(圖1)。

．寬頻雜訊

毫米波頻段能提供更大的可用頻寬，然而，發射訊號必須與通道的雜訊底線進行拉鋸戰，才能在接收器端獲得更好的靈敏度。分析頻寬變大，也會為訊號分析儀帶來更多的雜訊。雜訊導致量測的訊噪比下滑，讓準確的毫米波量測變得更加困難。

．頻率響應

測試系統的最重要用途，是對DUT進行特性分析。系統必須將DUT的量測結果，與所有其他測試區段效應區隔開來。建構測試系統時，訊號分析儀和待測物之間的元件(例如混頻器、濾波器和放大器)，都會出現頻率響應。這些響應出現於不同頻率，其中包括振幅和相位誤差。調變訊號的振幅和相位誤差，會降低調變品質。如果以更寬的頻寬和更高的頻率來測試訊號，頻率響應會變得更惡化。圖2顯示較差的頻率響應(左側)和平坦頻率響應(右側)的正交分頻多工訊號(圖2)。

減少訊號路徑損耗

無論想要評估發射器、對接收器進行除錯，或是分析OTA訊號，都可利用訊號分析儀的硬體和軟體，靈活地建立最佳的解決方案。輸入訊號的型態非常多樣化，可能是高功率到類雜訊、從低頻到兆赫(THz)，以及連續波到複雜寬頻調變的訊號。為了量測各種不同的輸入訊號，訊號分析儀可在較高功率位準下進行衰減，或在較低功率位準下使用前置放大器。訊號分析儀提供多種射頻訊號路徑，例如預設路徑、微波預選器旁路、低雜訊路徑和完全旁路路徑，以便降低雜訊、提高靈敏度，並減少訊號路徑損耗，進而獲得更好的SNR。

．預設路徑—量測低位準訊號

圖3顯示訊號分析儀的正常訊號路徑。輸入訊號在到達混頻器之前，會先通過射頻衰減器、前置放大器和預選器，這是預設的路徑。在量測頻寬小於45MHz，而且受限於預選器頻寬的低位準訊號時，這樣的配置非常有用(圖3)。

．微波預選器旁路—分析寬頻向量訊號

射頻預選器的限制頻寬為45至70MHz，視無影像分析的調諧頻率而定。然而，此頻寬限制了射頻分析頻寬。如圖4所示，藉由繞過預選器，可在數位轉換器的頻寬上進行寬頻分析，並實現平坦的頻譜響應。如此不但可改善振幅準確度，而且預選器不會出現振幅漂移和帶通漣波。此外，藉由繞過微波預選器，可量測5G、衛星通訊、802.11ax/be，以及雷達訊號等寬頻訊號。

如果輸入訊號包含強大的Out-of-band訊號，例如使用本地振盪器(LO)洩漏或突波來測試混頻器，這些訊號會導致分析頻寬出現成像和頻內干擾，而這些圖像可能導致量測失敗。在訊號分析儀的輸入端使用帶通濾波器，可避開這些擾人的訊號。

．低雜訊路徑—改善調變分析

如圖5所示，在較高功率位準上測試發射器調變品質時，例如EVM量測，可選擇低雜訊路徑，以繞過前置放大器路徑中損耗過大的切換器以及前置放大器。在較高頻率下，放大器增益、頻率響應和插入損耗會惡化。此最佳路徑可減少路徑損耗，並消除前置放大器和切換器所導致的頻率響應和雜訊。如此可改善訊號傳真度和量測靈敏度，以便在更高頻率下將寬頻EVM量測結果最佳化。執行低功率位準測試(例如OTA測試)時，仍需使用內部或外部前置放大器，以獲得進行調變分析所需的出色SNR(圖5)。

．完全旁路路徑—測試寬頻調變分析

圖6顯示的完全旁路路徑，其中結合了低雜訊路徑和微波預選器旁路路徑。此射頻路徑可繞過低頻段切換電路中的多個切換器，並繞過微波預選器，在毫米波頻率下，完全旁路路徑的損耗比預設路徑低了10dB。

完全旁路有很多優點，例如更低的路徑損耗、更高的訊號傳真度和量測靈敏度等。然而，它也有一些缺點，例如在測試較低的功率位準時，會出現頻內成像和低SNR。藉由添加帶通濾波器，可去除量測頻段中的圖像，進而將EVM結果提升1到2dB。此外，在測試低功率位準訊號時，新增外部前置放大器，有助於改善SNR。

．外部混頻—擴展頻率範圍和量測平面

建構毫米波測試系統時，如果在訊號分析儀和DUT之間的路徑中加入纜線和配件，將使得插入損耗變大。纜線損耗可能高達5dB，導致測試系統的SNR大幅降低。藉由新增外部混頻器，可經濟有效地延展訊號分析儀的頻率範圍。如此一來，可將混頻器移到靠近DUT的位置，以便縮短毫米波訊號路徑，進而減少路徑損耗並改善SNR。

此時，分析儀可為外部混頻器提供微波LO訊號，並接收混頻器發出的中頻(IF)訊號。隨後，分析儀將對中頻訊號進行一連串的處理，包括濾波、數位化、分析與顯示，與內部混頻訊號的處理方式很像。是德科技USB智慧型混頻器大幅簡化了連接和量測設定。分析儀可偵測混頻器、自動下載轉換係數，並監測驅動位準。圖7顯示使用外部混頻器的訊號分析儀擴頻解決方案(圖7)。

對於製造測試而言，由於毫米波測試系統要求極高的整合性和測試成本，因而在從研發到量產的過程中，形成極大的障礙。進行量產測試時，頻段式解決方案是一種常用的測試方法。舉例而言，射頻向量訊號分析儀(VSA)和射頻向量訊號產生器(VSG)，是5G FR1(Frequency Range 1)頻內射頻測試案例的必要元件。可以使用IF訊號分析儀和訊號產生器來當作VSA和VSG，然後搭配使用外部毫米波收發器，以進行FR2頻內測試，如圖8所示。相較於使用高效能微波訊號分析儀和訊號產生器，這種方法的成本更低。

在分析毫米波訊號時，外部混頻是經濟有效的解決方案，同時還可將測試埠移到靠近DUT的位置。然而，混頻器前端並未配備預選器。過強的Out-of-band訊號，可能會在量測頻段中產生不需要的圖像，進而降低量測準確度。在量測混頻器頻段之外的頻率時(例如Keysight M1970W的頻率範圍為75至110GHz)，需將測試訊號重新連接到訊號分析儀的射頻輸入埠，或是另一個具有不同頻段的混頻器。接著，需透過操作介面來變更輸入訊號源。然而，這些步驟會提高測試複雜度和量測不確定性。

如圖9中間所示，Keysight V3050A進階外部擴頻器可透過訊號分析儀無縫的操作介面，將預選器和射頻切換器整合入高動態範圍混頻器。此解決方案可提供2Hz至110GHz的未劃分頻段(Unbanded)和預選的掃描功率頻譜，但不會出現頻段中斷和圖像等問題。而如圖9右側所示，在向量模式下，中頻頻寬可達11GHz。Keysight U9361 RCal接收器校驗器可在高達110GHz的量測配置中，去除振幅和相位誤差，能獲得最佳的量測結果，並查看裝置的真實效能。

改善訊號狀況

隨著大量應用紛紛要求更快的資料速率，業界亟需能夠在更高頻率下，提供更寬訊號頻寬的技術。不幸的是，更寬的頻寬，會聚集更多的雜訊。在毫米波頻率下，訊號分析儀和DUT之間的寬頻雜訊和過大的路徑損耗，會導致數位轉換器的SNR降低。如果SNR很低，則發射器量測的EVM和相鄰通道功率比效能會變差，這並不是DUT的真實效能。執行EVM量測時，需為訊號分析儀的輸入混頻器、LO的相位雜訊配置，以及數位轉換器，設定最佳位準，以獲得最佳的量測結果。而前述這些元件都有其限制和使用案例(圖10)。

．將輸入混頻器位準最佳化

所有無線標準都規定須在最大輸出功率下執行發射器量測。可衰減訊號分析儀第一個混頻器的功率位準，確保高功率輸入訊號不會導致訊號分析儀失真。在執行OTA測試，或是測試系統具有高插入損耗時，輸入訊號位準可能會低於最佳混頻器位準。內建的前置放大器可提供更出色的雜訊指數，但也會在雜訊底線動態範圍內導致更嚴重的互調失真，可在低輸入位準的測試情境下啟用此設定。

輸入混頻器位準設定無法兼顧失真效能和雜訊靈敏度，必須有所取捨，可設定較高的輸入混頻器位準，以獲得更好的SNR，或是設為較低的輸入混頻器位準，獲得更出色的失真效能。最佳的混頻器位準設定，取決於量測硬體、輸入訊號的特性，以及規格測試的要求。

此外，還可在前端使用外部低雜訊放大器(LNA)，不論是否使用內部前置放大器，以便將混頻器的輸入位準最佳化。如圖11所示的訊號分析儀針對各種測試情境，提供內建的LNA和前置放大器。這樣的二級增益(Two-stage Gain)可提供更大的靈活性，能同時處理雜訊和失真，以實現最佳的低輸入位準量測效能(圖11)。

．將IF數位轉換器的SNR最佳化

訊號分析儀的系統中頻雜訊必須夠低，才能獲得最佳的EVM量測結果，同時，數位轉換器的輸入訊號必須夠高，以免讓數位轉換器過載。為了達到平衡，需結合使用射頻衰減器、前置放大器，以及基於量測到之訊號峰值位準的中頻增益值。

如圖12所示，一些新型訊號分析儀只需按一個鍵，便可將硬體設定最佳化，以改善SNR並避免數位轉換器過載。如欲實現最佳化，需量測訊號峰值位準，並且設定分析儀。然而，量測週期可能無法呈現輸入訊號的完整功率特性。使用者可手動調整設定，例如中頻增益和射頻衰減器，以獲得最佳的量測結果。

將參考平面移到待測物

測試設備或訊號分析儀的準確度，取決於儀器規格。訊號分析儀的規格，則取決於儀器的輸入或輸出連接器，亦即儀器設定參考平面之處。在測試儀器之外，需考慮位於測試儀器和DUT路徑中的元件，可能造成的影響。它們可能會降低系統的整體量測準確度。近來，隨著頻寬變得越來越寬，訊號頻率也從毫米波一路飆升，加上寬頻量測能夠容忍的誤差變得更小，迫使射頻工程師必須尋找新的方法，來減少頻率響應誤差。

不同的頻率都會出現響應，使得相位和振幅響應受到影響。訊號分析儀提供例行的內部校驗，以修正其頻率響應。當在訊號分析儀和DUT之間的路徑中連接纜線、連接器、切換器和測試夾具時，這些元件所產生的頻率響應誤差，會導致量測準確度下降。因此，如圖13所示，需要將量測準確度從訊號分析儀的輸入埠(參考平面)延伸到DUT的測試埠(量測平面)。可透過訊號分析儀來配置振幅修正和複合修正(振幅和相位)，以去除頻率響應。在修正測試網路的振幅和相位誤差後，便能夠獲得最佳的量測結果，並且查看裝置的真實效能。 

．使用訊號產生器和功率感測器進行振幅修正

透過訊號分析儀來配置振幅修正和複合修正，包括振幅和相位修正，以修正頻率響應。進行振幅修正時，可搭配使用訊號產生器、功率表及感測器，來量測測試網路的振幅頻率響應，然後將修正值輸入訊號訊號分析儀。

．使用向量網路分析儀進行複合修正

如需進行複合修正，可使用向量網路分析儀，對測試網路進行頻率響應量測，並將量測結果儲存為.s2p檔。使用Keysight X系列訊號分析儀載入.s2p檔，並修正振幅和相位頻率響應。

．使用梳型訊號產生器進行複合修正

另一種校驗策略是使用梳型訊號產生器。梳型訊號產生器是通用的接收器系統校驗器，可輕易注入所需的校驗平面(測試網路的輸入端)。如圖14所示，它可產生已知振幅和相位的連續波(CW)音頻。訊號分析儀可量測測試網路輸出端每個音頻的振幅和相位，並將其與已知的振幅和相位進行比較。圖15顯示測試網路之振幅和相位的通道響應。

．使用RCal接收器校驗器

透過U9361 RCal接收器校驗器，將參考平面移到DUT，讓測試接收器系統的校驗變得更準確、更有效率且更有價值。在高頻率下，梳型訊號產生器採固定的音頻間隔，而且其功率較低。相較之下，RCal可以改變中心頻率，並可調整梳齒的間隔，如圖16所示。如需在更高頻率下測試更寬的頻寬，這是一項是非常實用的功能。

為了利用經由USB供電與控制的掌上型RCal，來提高測試設定效率；如圖17所示，校驗器可利用USB的隨插即用功能，自動將資料從記憶體傳送到訊號分析儀。而分析儀可自動偵測校驗器的型號、序號和選項。此配置可減少進行測試接收器系統校驗的工作量和複雜性。RCal只需使用單一裝置，便能同時修正絕對功率準確度、振幅平坦度和相位平坦度。如此一來，再也無需使用多部儀器來校驗訊號分析儀量測系統。

提升毫米波量測效率

5G、衛星和汽車雷達等次世代無線通訊系統，全都需要更高頻率、更寬的頻寬，以及更複雜的調變。這使得工程師面臨許多空前的挑戰，包括測試複雜度和量測不確定性升高、過大的路徑損耗，以及會嚴重影響裝置效能的雜訊。是德科技測試解決方案提供更高的可視化、準確度和可重複性，讓能確保所開發之裝置的效能，進而專注地實現下一個技術突破。

(本文由台灣是德科技提供)