Millimeterwellen

Bild 1: Die Signalanalysatoren der Keysight N9041B UXA X-Serie ermöglichen kontinuierliche Wobbelmessungen bis in den Millimeterwellenbereich (110 GHz). Keysight Technologies

Signale der Wellenlängen 10 mm, 1 mm oder 0,3 mm unterliegen einer erheblichen Dämpfung, speziell bei den Resonanzfrequenzen von Sauerstoff-, Wasser- oder Kohlenstoffdioxidmolekülen. Es ist prinzipiell in diesen Frequenzbereichen nicht ganz einfach, Signal­leis­tung zu erzeugen, auch wird es immer schwieriger, kalibrierte Messungen durchzu­führen und sinnvolle Messergebnisse zu erhalten.

Ingenieure, die vor solchen Herausforderungen stehen, sind auf Mess­geräte­her­steller angewiesen, die ihnen einen Zugang zu genauen und reprodu­zier­baren Messungen bei immer höheren Frequenzen und immer größeren Bandbreiten eröffnen. Schon seit jeher war es Keysights Anliegen, Pioniere dabei zu unterstützen, Grenzen zu überschreiten. Die neuesten Lösungen von Keysight verhelfen Entwicklungsinge­nieuren dazu, den Umgang mit Frequenzen von 100 GHz und darüber erfolgreich zu meistern. Keysight ist der Vorreiter der Branche bei der breiten Einführung von Tools für Simulation, Test und Analyse von Millimeterwellenfrequenzen (Bild 1).

Neue Anwen­dungs­bereiche für Milli­meter­wellen­

Millimeterwellentechnik ist schon seit Jahrzehnten im Gebrauch, primär in der Luft- und Raumfahrt, beim Militär und in Backhaul-Netzen. Die Vorteile der Technik rechtfertigen hier den hohen Aufwand für Entwicklung, Produktion und Wartung. In den vergangenen Jahren haben Fortschritte bei der Herstel­lung von Millimeterwellenbauteilen die Kosten von Extremhochfrequenzgeräten (EHF) erheblich gedrückt, sodass nun eine breitere Anwendung in der Industrie und in der Consumer-Elek­tro­nik in Reichweite kommt. Entwickler von CMOS-Halb­leitern beispielsweise haben Bauteile mit Grenz­frequen­zen über 500 GHz entwickelt und sind dabei, die Frequenzgrenze für diese kostengünstige Technologie in den Bereich 1,0 bis 1,5 THz hinauszuschieben.

ECK-DATEN

Seit mehr als 75 Jahren bauen Ingenieure auf Keysight. Lösungen von Keysight verschaffen ihnen einen einfacheren Zugang zu genauen, reproduzierbaren Messungen bei immer höheren Frequenzen und immer größeren Bandbreiten. Aktuell arbeitet man daran, die Grenzen der Technik in den Bereichen Design, Simulation und Messungen bei Millimeterwellenfrequenzen zu überwinden. Neue Produkte wie der Signalanalysator N9041B UXA und ein Oszilloskop, das bald auf den Markt kommen wird, bauen auf einem InP-Prozess der nächsten Generation auf. Sie sind Beweis für Keysights weiterhin führende Rolle bei Lösungen für Millimeterwellenanwendungen.

Keysight selbst steht bei der Entwicklung von EHF-Bauteilen mit an der Spitze. Bei Keysight wurde unter anderem eine neue Generation des Indium-Phosphid-Prozesses (InP) entwickelt, mit dem Transistoren mit Schaltfrequenzen über 300 GHz hergestellt werden können. Diese Weiterentwicklung der Technologie stößt die Tür auf zu ICs mit größeren Bandbreiten und ermög­licht neue Produkte wie etwa ein Oszillo­skop, das einen Durchbruch bei der Echtzeit- und Äquvalentzeit-Perfor­mance erzielt und dessen Markteinführung kurz bevorsteht.

Signalanalyse bei Millimeterwellenfrequenzen

Die Entwicklung kom­mer­zieller Tools für extrem hohe Frequenzen erfordert eine Kombination von Keysights bewährter Messtechnik mit Expertenwissen auf dem Gebiet der Millimeterwellen. Die Signal­analy­satoren der N9041B UXA X-Serie stehen als Beispiel für die einzigartige Kompetenz des Unter­nehmens. Sie decken in einem einzigen konti­nuier­lichen Wobbeldurchgang den Frequenz­bereich von 3 Hz bis 110 GHz ab. Die Bandbreite beträgt 1 GHz, der ZF-Ausgang unterstützt (in Verbindung mit einem Keysight-Oszilloskop) eine maximale Analysebandbreite von 5 GHz. Für die Erfas­sung flüchtiger Signale ist eine optionale Echtzeitspektrumanalyse-Funk­tion (RTSA, Real Time Spectrum Analysis) mit einer maxi­malen Band­breite von 250 MHz verfüg­bar.

Beim UXA sorgt eine besondere Eingangsschaltung für eine dämpfungsarme, effiziente Mischung. Das durchschnittliche Eigen­rauschen (DANL, Displayed Average Noise Level) beträgt -150 dBm/Hz – ideal für die Analyse breitbandig modulierter Signale im Millimeterwellenband. Um keine Kompromisse eingehen zu müssen, verfügt der Analysator über zwei Eingangsbuchsen: Eine robuste und günstige 2,4-mm-Buchse für Messungen bis 50 GHz und eine dedizierte 1,0-mm-Ein­gangsbuchse, die auf engste Toleranzen gefräst ist, damit kontinuierliche Wobbeldurchgänge und genaue Messungen bis 110 GHz möglich sind.

Mit diesen Eckdaten ist der UXA das Flaggschiff der Signalanalysatoren der X-Serie von Keysight. Alle Analy­satoren dieser Serie besitzen einen Multi-Touch-Bild­schirm, wie man ihn von Tablets oder Smart­phones kennt. Der UXA hat einen Bildschirm mit 36 cm Diagonale (14,2 Zoll), PXA, MXA, EXA und CXA haben Bildschirme mit 27 cm Diagonale (10,6 Zoll).

Messeinstellungen oder verschiedene Ansichten erreicht man ganz einfach über Gesten. Mittels einfachem oder doppeltem Tippen kann man einen Parameter selektieren oder ein Fenster vergrößern, man kann es ziehen oder mit zwei Fingern vergrößern oder verkleinern, man kann tippen und halten und so eine kontextsensitive Auswahl treffen. Mit einer einfachen Berührung eines Menüs auf dem Bildschirm, einer Mess­funktionenleiste, eines Kommentarpunkts oder eines Drop-Down-Fensters hat man direkten Zugang zu wichtigen Einstellungen, ganz gleich, ob man gerade eine einfache Spektrumanalyse durchführt oder eine komplexe digitale Demo­dulation (Bild 2).

Millimeterwellen

Bild 2: Durch einfaches Antippen der Menüpalette (rechts) gelangt man direkt zu mächtigen Funktionen wie zum Beispiel Keysights Noise-Floor-Extension-(NFE)-Technologie, die das Analysator-Eigenrauschen bei der Spektrumanalyse um bis zu 12 dB reduziert.

Keysight Technologies

Für die meisten Aufgaben braucht man nicht mehr als zwei Berührungen. Somit kann man schnell und einfach auf dem Bildschirm navigieren und erreicht unproblematisch die meisten Analysefunktionen. Dabei hat man immer das vertraute Gefühl, mit einem herkömmlichen Analysator eine einfache Spektrummessung durchzuführen. Die einfache Bedienung bringt den Anwender näher zu den Antworten, die er sucht, weil er dadurch Ursache und Wirkung leichter miteinander in Verbindung bringen kann.

Gründ­lichere Analyse komplexer Signale

Eine enge Verzahnung zwischen dem Analysator und Keysights Messapplikationen und sonstiger Soft­ware bringt erweiterte Analysemöglichkeiten und neue Einsichten buchstäblich an die Fingerspitzen des Anwenders. Die Messapplikationen der X-Serie sind bewährte, einsatzbereite Softwarelösungen für die Signalanalyse, in denen jahr­zehnte­langes Mess­tech­nik-Know-how steckt. Sie liefern reproduzierbare Ergebnisse und machen es damit dem Anwender einfach, das Verhal­ten von Geräten und Designs zu charak­te­ri­sie­ren und zu verstehen.

Die VSA-Software 89600 von Keysight ist eine reichhaltige Sammlung von Tools für die Demodulation und Vektorsignalanalyse. Für die Dia­gnose von Signalproblemen verfügt die VSA-Software 89600 weiterhin über Speicher- und Wiedergabefunktionen, die eine detaillierte Analyse der Aufzeichnungen mithilfe erweiterter Triggermöglichkeiten und nachträglicher Tune-and-Zoom-Messungen ermög­lichen. Diese Tools ermöglichen dem Entwickler, nahezu alle Facetten eines Signals zu erforschen und auch die leistungsfähigsten Designs noch zu optimieren.

Eine lange Geschichte der Marktführerschaft

In kommerziellen Anwendungen beginnt die Millimeterwellentechnik sich erst jetzt zu etablieren. Keysight aber beschäftigt sich damit schon seit Jahrzehnten. Die frühesten Gigahertz-Produkte von Keysight kamen bereits 1967 auf den Markt. Der Netzwerkanalysator HP 8410 konnte bis 12 GHz messen und S-Parameter bestimmen.

Die ersten Messgeräte für Millimeterwellen folgten in den späten 1980ern. Das waren Signalgeneratoren, die mit Aufwärtsmischern 26,5 GHz erreichten, und breitbandige Netzwerkanalysatoren, die den Frequenzbereich von 45 MHz bis 100 GHz abdeckten. Wichtige Innovationen seither umfassen 67-GHz-Netzwerkanalysatoren (PNA, 2006) und tragbare 50-GHz-Spektrum- und Kombinationsanalysatoren (Fieldfox, 2015). Weitere Beispiele sind das 90-GHz-Breitbandoszilloskop Infiniium DCA-X 86100D, ein 68-GHz-Breitband-Transceiver (E7760A), ein 67-GHz-Mikrowellen-Netzwerkanalysator, erweiterbar bis 1,1 THz (PNA-X), ein 67-GHz-Analogsignalgenerator, erweiterbar bis 1,1 THz (E8257D PSG), 63-GHz-Oszilloskope (Infiniium Z-Serie) und ein 50-GHz-Hochleistungs-PXIe-Vektorsignalanalysator (M9393A). Im Oktober 2016 kam der 110-GHz-Signal­analy­sator N9041B UXA auf den Markt.

In Ver­bin­dung mit Frequenzextendern von zwei Partnerfirmen, Virginia Diode, Inc. (VDI) und OML, Inc. können viele Signalgeneratoren, Spektrumanalysatoren und Netzwerkanalysatoren von Keysight den Frequenz­bereich von 50 GHz bis 1,1 THz abdecken. Eine kürz­lich vorgestellte Lösung ermög­licht Spektrumanalysen bis 1,5 THz.

Die Softwareprodukte von Keysight inte­grie­ren Milli­meter­wellen-Design, -Simulation, -Messungen und  -Analyse miteinander. Softwarelösungen für Design und Simulation stellen einen effizienten Arbeits­ablauf bereit, der die Entwicklung von Geräten und Systemen der nächsten Generation beschleunigt.

Die EDA-Suite EEsof von Keysight umfasst Schaltungssimulatoren, Elektromagnetik-Solver und Lösungen für die Bauteilmodellierung. Sie unterstützen Entwicklungsingenieure während des gesamten Entwick­lungs­zyklus vom Design bis zum ersten Prototypen. Das Entwick­ler­team für den N9041B ver­wen­dete für das Design der Millimeterwellenfilter in der Eingangsstufe des Analysators ein Produkt des eigenen Hauses, nämlich das Advanced Design System (ADS) – das Design war auf Anhieb fehlerfrei.