Oszilloskope bis 110 GHz

Bild 1: Das Vierkanal-Oszilloskop mit einer Bandbreite von 110 GHz. Keysight

Mit der von Datatec erhältlichen Oszilloskop-Generation der Infiniium UXR-Familie von Keysight, mit den derzeit besten Rausch- und Jitter-Spezifikationen, lassen sich HF-Signale mit einer Echtzeit-Bandbreite von bis zu 110 GHz abtasten und darstellen. Die Abtastung der 2 oder 4 Kanäle erfolgt simultan, sodass ein einwandfreier Signal-Zeitbezug der Kanäle untereinander besteht. Applikationsentwicklungen im 5G-, PAM-4-Bereich und bei optischen Kommunikations- und Datenübertragungs-Anwendungen, bei Satellitenanwendungen als auch in der THz-Forschung sind damit in Echtzeit möglich. Mit den Vierkanal-Geräten mit den jeweiligen Bandbreiten von 13 GHz, 16 GHz, 20 GHz, 25 GHz, 33 GHz, und den wahlweise Vier- oder Zweikanal-Geräten mit den Bandbreiten von 40 GHz, 50 GHz, 59 GHz, 70 GHz, 80 GHz, 100 GHz oder 110 GHz lassen sich die Signale simultan mit einer Abtastrate von 128 GS/s pro Kanal (für die Geräte mit Bandbreite bis einschließlich 33 GHz) und 256 GS/s pro Kanal (für die Geräte von 40 GHz bis 110 GHz) erfassen. Ein äußerst geringer Jitter und extrem geringes Rauschen sind zusätzliche Merkmale für eine sehr hohe Signalintegrität und Signaltreue, wodurch eine Beurteilung der Signale und das Auffinden von Fehlern im Übertragungsprozess erleichtert werden.

Oszilloskope bis 110 GHz

Bild 2: Das Frontend-Multichip-Modul für den Frequenzbereich von 40 GHz bis 110 GHz. Keysight

Erreicht wurden diese enormen Bandbreiten durch eine von Keysight entwickelte Indium-Phosphid-Technologie, die neben einer zeitverschachtelten Abtastung mit voller Bandbreite (TIS, Time Interleaved Sampling) das sehr geringe Rauschen und die hohe Signalintegrität bietet. Die Eingangsplatine mit den ASICs und den Indium-Phosphid-Halbleitern zeigt Bild 2. Deutlich sind die Faraday‘schen Gehäusekammern in dem Gesamtkomplex des Frontends zu erkennen, um die einzelnen Stufen voneinander vor Einstreunngen zu schützen.

ENOBs

Keysight wird mit dieser Infiniium UXR-Oszilloskopfamilie den Anforderungen bei den Breitbandanwendungen und den hohen Datenraten gerecht. In der Forschung und Entwicklung ist es besonders wichtig, verlässliche und präzise Messungen zu erhalten. Für Augendiagramme, zur Beurteilung eines Datenstromes, müssen die Messergebnisse präzise sein (Bild 3), um sicher zu stellen, dass die Datenübertragung korrekt durchgeführt wird. Die vertikale Auflösung beträgt 10 Bit. Die effektive Anzahl an Bit (ENOBs, Effective Number of Bits) beträgt für die Oszilloskope bis 33 GHz Bandbreite 6,8 Bit, bei 70 GHz 5,4 Bit, bei 80 GHz Bandbreite 5,2 Bit, bei 100 GHz 5,0 Bit und bei 110 GHz 4,5 Bit, was derzeit die jeweils besten Werte darstellen.

Oszilloskope bis 110 GHz

Bild 3: Augendiagramm von 53-GBd-PAM4-Signal-Systems. Keysight

Bemerkenswert sind das äußerst geringe Rauschen und der geringe Eigenjitter des Oszilloskops. Das Rauschen beträgt gerade mal 1 mVeff bei einer vertikalen Einstellung von 1 mV/div und der Eigenjitter ist kleiner 30 fseff (typisch 20 fseff). Puls-Flankensteilheiten von 2,8 ps lassen sich einwandfrei erfassen und darstellen, wobei die kleinste Zeitbasiseinstellung mit 1 ps/div durch ein softwarebasiertes Zeit-Zoom möglich ist.

Upgrade-Pfade für Oszilloskope bis 110 GHz

Die Familie dieser UXR-Oszilloskope umfasst Zwei- und Vier-Kanal-Geräte. Die Geräte mit einer Bandbreite von 13, 16, 20, 25, 33 GHz sind nur als 4-Kanal-Geräte erhältlich. Die Geräte mit Bandbreiten von 40 bis 110 GHz sind sowohl als 2- als auch 4-Kanal-Versionen verfügbar. Standardmäßig sind alle Oszilloskope mit einem Speicher von 200 MPunkten/Kanal ausgestattet, wobei sich die Speichertiefe auf 2 GPunkten/Kanal bei allen Modellen erweitern lässt und damit die Möglichkeit zu einer Langzeiterfassung der Signale gegeben ist. Nicht nur die technischen Voraussetzungen für eine unübertroffene Signaltreue und Messgenauigkeit sind bei heutigen Hochfrequenz-Datenübertragungen wichtig, sondern auch eine schnelle und dennoch exakte Messung für eine maximale Effizienz und kürzere Testzeiten, um Entwicklungszeiten zu reduzieren.

Die vielen Softwarepakete, wie sie von der Infiniium-Oszilloskopfamilie bekannt sind, lassen sich auch bei den UXR-Modellen einsetzen. Es ist allerdings genau zu verifizieren, welche Software-Version eines Infiniium-Oszilloskops im Labor vorhanden ist, denn ältere Versionen und nicht alle Versionen der Infiniium-Oszilloskop-Serien sind auf die UXR-Familie übertragbar. Aus der Tabelle 1 ist ersichtlich, welche Softwarepakete bereits verfügbar sind und welche im Dezember 2018 dazukommen sollen.

Oszilloskope bis 110 GHz

Tabelle 1: Roadmap der Infiniium-Softwarepakete für die UXR-Infiniium-Oszilloskopfamilie. Keysight

Ein weiterer Upgrade-Pfad ist die Bandbreite der Geräte. Alle Geräte lassen sich auf die nächsthöhere Bandbreite upgraden bis hinauf zu den 110 GHz. Bei einigen Geräten ist nur ein Software-Schlüssel für das Upgrade auf eine höhere Bandbreite nötig. Der Schritt von 33 GHz auf 40 GHz erfordert allerdings ein Einschicken des Gerätes in den Service, da hier die Front-Einheiten als auch die HF-Konnektoren geändert werden müssen.

Diese drei Upgrade-Wege, Ausbau des Gerätes von Zwei- auf Vierkanal-Version, die Erweiterung der Speichereinheit auf 2 GPunkte/Kanal als auch die Bandbreitenupgrades, bieten dem Anwender den vollen Investitionsschutz, wenn sich die Aufgaben hin zu komplexeren Anwendungen oder zu Entwicklungen mit höheren System-Bandbreiten verlagern.

Kalibrierung

Für sehr genaue Messungen mit diesen Oszilloskopen ist es wichtig, dass sie kalibriert werden können. Durch separate Kalibriermodule für den Frequenzbereich von 13 bis 33 GHz für die 3,5-mm-Anschlüsse, von 40 bis 70 GHz mit den 1,85-mm-Anschlüssen und bis 110 GHz mit den 1-mm-Anschlüssen gibt es entsprechende Kalibriermodule (Bild 4 exemplarisch das Kalibriermodul N2125A für 110 GHz), die mit den entsprechenden Konnektoren ausgestattet sind. Vorteil ist, dass der Anwender diese Kalibration mithilfe dieser Kalibriermodule selbst vornehmen kann. Das Oszilloskop muss für eine Kalibrierung nicht in den Service geschickt werden. Alle Kalibriermodule sind auf NIST rückführbar.

Oszilloskope bis 110 GHz

Bild 4: Kalibriermodul N2125A für den Frequenzbereich bis 110 GHz. Keysight

Die Datenerfassung bei dieser Oszilloskop-Serie ist einzigartig. 10 Bit A/D-Wandler für jeden der vier Kanäle bei einer Abtastrate von 256 GS/s ergibt einen Datenstrom von 10,240 Tbit/s. Dies entspricht dem Speichern der Datenmenge von 272 DVDs voller Länge in einer Sekunde. Das Triggersystem ist durch ein neues ASIC und einen neuen Speicher-Controller für einige Messungen um den Faktor 100 schneller geworden. So können 5 × 1012 Integer-Operationen/s (5 T Operationen/s) durchgeführt werden.

Tastköpfe

Für den Frequenzbereich bis 33 GHz können die InfiniiMax III und III+ eingesetzt werden. Den Frequenzbereich bis 70 GHz decken die Autoprobe-III-Interfaces mit dem 1,85 mm beziehungsweise 2,4-mm-Anschlüssen ab während die Autoprobe-III-Interfaces mit 1-mm-Anschluss für die 110 GHz vorgesehen sind. Entsprechende Adapter für das Verbinden von Autoprobe I und II zum AutoProbe-III-Interface sind verfügbar.