9 Schritte zur Auswahl eines Testkabels für Millimeterwellenanwendungen

Die Frequenzen von Funksignalen steigen in den Millimeterwellenbereich (mmWave), da Anwendungen wie 5G-Netzwerke, Kfz-Radarsysteme und HF-Halbleiterprüfungen bei höheren Frequenzen mehr Bandbreite erfordern. Tests sind ein wesentlicher Aspekt bei der Entwicklung hochwertiger neuer Produkte, die in diesen mmWave-Frequenzen funktionieren, und Koaxialkabelbaugruppen spielen dabei eine entscheidende Rolle.

Angesichts der Komplexität von mmWave-Anwendungen reicht jedoch nicht jedes Koaxialkabel aus. Kritische Parameter wie Impedanzanpassung und Einfügedämpfung müssen berücksichtigt werden, um wiederholbare, zuverlässige Testergebnisse bei höheren Frequenzen zu erhalten. Daher erfordert die HF-Prüfung für mmWave-Anwendungen einzigartige Koaxialkabel- und Steckverbinderlösungen.

Typischerweise umfasst der HF-Testprozess ein zu testendes Gerät (DUT), das mit einem Vektornetzwerkanalysator (VNA), Spektrumanalysator oder Oszilloskop verbunden ist. Der Signalpfad zur Leiterplatte ist von entscheidender Bedeutung, und der Testaufbau darf keine unerwünschten Variablen oder Fehler, VSWR-Spitzen oder übermäßige Einfügungsdämpfung verursachen. Dazu gehören das Testkabel und die Anschlüsse.

Testkabelbaugruppen müssen robust genug sein, um umfangreicher Handhabung und kontinuierlichen Bewegungen durch häufiges Anschließen und Trennen standzuhalten und gleichzeitig eine präzise Wiederholbarkeit der Messung und eine zuverlässige elektrische Leistung zu gewährleisten. Vor der Auswahl der optimalen Koaxialkabelbaugruppe für eine bestimmte Anwendung müssen zahlreiche Merkmale bewertet werden, darunter Frequenzbereich und Kabeldurchmesser, Testgerätetyp, Anschlüsse, Messtyp/-anwendung, Flexibilität, Phasenstabilität, Leistung, Impedanz und zulässiges Verlustbudget.

Bei der Auswahl eines Testkabels ist zunächst der Frequenzbereich zu berücksichtigen, der zum Testen der Anwendung erforderlich ist. Dies hilft bei der Bestimmung weiterer Faktoren, wie z. B. des Kabeltyps und der erforderlichen mechanischen Strukturen. Mit steigender Frequenz wird beispielsweise der Durchmesser des Kabels kleiner. Es handelt sich um eine umgekehrte Situation, und alle Verhältnisse müssen bei den verschiedenen Frequenzniveaus korrekt funktionieren.

Bewerten Sie als Nächstes die Art des durchzuführenden Tests und welche Art von Ausrüstung verwendet werden soll. Der Test könnte beispielsweise eine standardmäßige S-Kurven-Messung sein, bei der der Verlust eines zu testenden Geräts untersucht oder dessen Leistung bei bestimmten Frequenzen bewertet wird. Bei der Auswahl einer Testkabelbaugruppe, die für jedes einzelne Testszenario eine gute Leistung erbringt, müssen im Vorfeld alle Variablen berücksichtigt werden.

Sobald die Frequenz, die Art des Prüfgeräts und die Kabelgröße festgelegt sind, kommt als nächstes der Steckertyp. Dies ist bei mmWave-Anwendungen von entscheidender Bedeutung, da jede Inkonsistenz der Anschlüsse zu Fehlern in der Messung führen kann, die sich mit zunehmendem Testfrequenzbereich verstärken.

Das Testgerät verfügt über einen bestimmten Steckertyp, der normalerweise durch die höchste Frequenz bestimmt wird, die das Testgerät erreichen kann. Wenn beispielsweise bei 110 GHz getestet wird, verfügt das Testgerät über einen 1-Millimeter-Anschluss. Daher ist für die Testkabelbaugruppe ein Gegenstecker derselben Größe erforderlich.

Zu den gängigen mmWave-Steckergrößen gehören:

Für Anwendungen, bei denen eine hohe Signaldichte erforderlich ist, sind auch Steckverbinder wie SMP-, SMPM- und SMPS-Steckverbinder ideal.

Bei jeder getesteten Anwendung müssen bestimmte Umgebungsfaktoren berücksichtigt werden, darunter unter anderem:

Die meisten Koaxialkabelhersteller stellen Leitfäden zur Verfügung, die bei der Beurteilung dieser weiteren Überlegungen helfen. Beispielsweise erfordert eine Ultrahochfrequenzanwendung ein Kabel, das nicht nur die Frequenzanforderungen erfüllt, sondern auch phasenstabil ist. Durch die Verwendung eines phasenstabilen Hochfrequenzkabels wird die Art der verfügbaren Steckverbinder begrenzt. Während der Benutzer den Prozess durchläuft, werden Optionen bereitgestellt, die diesen zusätzlichen Überlegungen entsprechen.

Beim Testen sind viele Anwender außerdem an der Flexibilität und dem Biegeradius eines Kabels interessiert. Aufgrund der Beschaffenheit von Testumgebungen ist es oft wichtig, ein sehr flexibles Kabelmaterial zu verwenden, das auf einem Prüfstand bewegt werden kann, sei es in einer Produktions- oder Forschungs- und Entwicklungsumgebung.

Auch das Testen erfolgt oft von Modul zu Modul. Hohe Frequenzen erfordern möglicherweise eine Neukalibrierung, wenn ein Modul oder Kabel bewegt wird. Durch die Verwendung eines Koaxialkabels, das sich biegen und biegen lässt, wird die Notwendigkeit einer Neukalibrierung erheblich reduziert, während gleichzeitig die Stabilität erhalten bleibt.

Ein weiterer wichtiger Aspekt im Zusammenhang mit der Notwendigkeit, die Kabel ständig zu bewegen, ist die Phasenstabilität. Bewegung führt zu Phasenänderungen, und die Testanordnung muss eine sehr niedrige Änderungsrate beibehalten, um genaue Messungen zu erhalten. Ein robustes Kabel ist daher entscheidend, um die Phase so stabil wie möglich zu halten.

Darüber hinaus können Quelle und Empfänger beim Testen von mmWave-Technologien wie 5G gleichzeitig auf zwei verschiedenen Frequenzen laufen. Eine phasenstabile Baugruppe stellt außerdem sicher, dass keine Oberschwingungen in das System zurückgeführt werden. Eine phasenstabile Kabelbaugruppe unter Verwendung eines TF4- oder mikroporösen PTFE-Dielektrikums in Verbindung mit einer spiralförmig gewickelten metallisierten Zwischenschicht trägt dazu bei, eine flexible, phasen- und amplitudenstabile Testbaugruppe aufrechtzuerhalten.

Es ist auch wichtig zu verstehen, welchen Leistungspegeln das Testkabel standhalten kann. Beispielsweise ist ein Standard-Testkabel wahrscheinlich nicht für eine Hochleistungsanwendung geeignet. Bei mmWave-Anwendungen führen höhere Frequenzen zu einer geringeren Leistung, da der Kabeldurchmesser umgekehrt kleiner wird, wie bereits erwähnt.

Die in Testumgebungen beobachtete Standardimpedanz beträgt 50 Ohm. Es gibt jedoch auch 75-Ohm-Impedanzen, die in einer Videoumgebung verwendet werden, und auch einige Messungen mit niedrigeren Frequenzen. Auf jeden Fall müssen Impedanzunterschiede unbedingt berücksichtigt werden, wenn man die Checkliste für die Auswahl eines Testkabels durchgeht.

Alles, was mit den Eigenschaften der Hochfrequenz (RF) zu tun hat, erfordert Kompromisse. Eine höhere Frequenz bedeutet einen kleineren Kabeldurchmesser, was häufig auch zu höheren Verlusten im Kabel führt. Der Verlust kann jedoch mithilfe des VNA in einer typischen HF-Messanwendung negiert werden. Ein Netzwerkanalysator ist in der Lage, Verluste in der Kabelbaugruppe „auf Null zu setzen“. Wenn also das Gerät daran angeschlossen ist, spiegelt der Verlust des Kabels nicht die am Gerät selbst durchgeführten Messungen wider.

Wenn andererseits ein Signal von der Leiterplatte zum Steckverbinder übergeht, müssen Reflexionen unbedingt minimiert werden. Bei höheren Frequenzen werden diese Unvollkommenheiten beim Übergang von einem Koaxialstecker zur Leiterplattenstruktur deutlicher und können unerwünschte Effekte wie parasitäre und störende Signalreaktionen verursachen, die zu Rückflussdämpfung oder Einfügedämpfung, VSWR-Spitzen und Größenzuwächsen führen. Wenn in diesem Fall die Signalintegrität nicht ganz stimmt und die Messung verrauscht ist, liefert der Test keinen korrekten Messwert. Daher sollte ein wiederholbares Kabel mit geringer Einfügungsdämpfung verwendet werden, das im gesamten gewünschten Frequenzbereich funktioniert, um eine hochgenaue Messung zu gewährleisten.

Die erhöhte Geschwindigkeit von 5G wird teilweise durch höherfrequente Radiowellen mit einem viel größeren potenziellen Frequenzbereich erreicht. Dies hat Herausforderungen für 5G-Tests mit sich gebracht, einschließlich Wiederholbarkeit, Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit.

Beispielsweise wurden in Produktionsumgebungen für 5G-Module 50-GHz-Kabel verwendet. Die Stabilität und Wiederholbarkeit dieses Kabeltyps sind für die Erzielung reproduzierbarer Ergebnisse im Test von größter Bedeutung.

HF-Elektroniktechnologien mit Automobilradar haben zu sichereren und effizienteren vernetzten Fahrzeugen geführt. Automotive-Radarsensoren, die RF verwenden, werden zunehmend zur Erkennung der Geschwindigkeit, Entfernung und des Winkels von Objekten in der Umgebung des Fahrzeugs in komplexen und sicherheitskritischen Anwendungen wie fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen und autonomem Fahren eingesetzt.

Leider haben sie auch neue Herausforderungen für die HF-Prüfung geschaffen. Viele neue Anwendungen weichen aufgrund der großen Bandbreite, die in diesen Bändern verfügbar ist, vom bisherigen Standard von 24 GHz auf 77 GHz plus mmWave-Bereiche ab. Eine größere Bandbreite erhöht die Entfernungsauflösung und -genauigkeit in einigen Anwendungen um das bis zu 20-fache und erzeugt kürzere Wellenlängen, die kleinere Formfaktoren ermöglichen.

Dies erhöht die Komplexität von Testaufbauten und erfordert mehr Testleitungen und Verbindungspunkte als je zuvor sowie neue Anforderungen an HF-Tests. Daher ist es notwendig, die Art und Weise, wie Verbindungspunkte und Testleitungen aufgebaut sind, zu überdenken und die verschiedenen verfügbaren Steckverbindertypen zu überprüfen, um sicherzustellen, dass die neuesten Testbaugruppen mit den von den Testgeräteherstellern vorgenommenen Änderungen zusammenarbeiten.

Mit einem 70- oder 90-GHz-Kabel können Tests sowohl bei den erforderlichen Grundfrequenzen als auch bei den Oberwellen durchgeführt werden.

Da die Halbleiterindustrie weiterhin einer schnell steigenden Nachfrage mit anspruchsvollen Time-to-Market-Zielen ausgesetzt ist, ist die Fähigkeit, hochpräzise Tests mit der Zweckmäßigkeit der Automatisierung durchzuführen, von entscheidender Bedeutung. Zur Messung der HF-Leistung auf der Oberfläche eines Halbleiterwafers sind hochempfindliche HF-Testprozesse erforderlich. Dazu sind Koaxialkabelbaugruppen erforderlich, die die reibungslose Roboterbewegung einer Sonde unterstützen und automatisch und präzise auf der Oberfläche aufsetzen können, um Leistung und Funktionalität zu messen. Aufgrund der spezifischen Art der erforderlichen Messung muss die Testbaugruppe auch in der Lage sein, den Vorgang aufzunehmen und zu bewegen, um den Vorgang an einer anderen Stelle auf der Geräteoberfläche zu wiederholen.

Ein Testkabel, das eine verlustarme, stabile Verbindung für Tests mit bis zu 70 GHz bietet, ist häufig optimal für den Einsatz bei der Sondierungsmessung von HF-Schaltkreisen in der Wafer- und Halbleiterfertigung. Sie können speziell für die feste Befestigung an einem Manipulatorgerät konzipiert werden, um eine äußerst stabile Platzierung einer Sonde für die automatische oder halbautomatische Durchführung individueller Messungen an mehreren Punkten zu ermöglichen, wobei ein festes Rohr am Befestigungspunkt verwendet wird. Ein flaches Design ermöglicht es den Sondenköpfen (Manipulatoren), ihren gesamten Bewegungsbereich ohne Beeinträchtigung durch das optische Oszilloskop zu durchlaufen.

Es gibt eine neue Klasse von Testkabeln, die speziell für die oben angesprochenen Herausforderungen für die höheren Frequenzen entwickelt wurden, die für 5G, Automobilsysteme, Halbleiterprüfungen und andere fortgeschrittene mmWave-Anwendungstests benötigt werden. Diese Messleitungen bieten sehr reproduzierbare Kabeloptionen mit geringer Einfügungsdämpfung, die im gesamten gewünschten Frequenzbereich funktionieren, um eine hochgenaue Messung zu gewährleisten. Spezielle Optionen sind verfügbar, die 70 GHz bis 90 GHz und bei Bedarf bis zu 110 GHz abdecken. Für Präzision und Stabilität können phasenstabile Kabelbaugruppen, die ein mikroporöses PTFE-Dielektrikum in Verbindung mit einer spiralförmig gewickelten metallisierten Zwischenschicht verwenden, auch dazu beitragen, eine flexible, phasen- und amplitudenstabile Testbaugruppe aufrechtzuerhalten.

Bei der Auswahl jeglicher Art von Testkabelbaugruppe sollten Designer mit einem Hersteller zusammenarbeiten, der über vollständig integrierte Design-, Produktions-, Montage- und Testkapazitäten verfügt, um maßgeschneiderte Lösungen zu finden, die den anspruchsvollsten mmWave-Testanforderungen gerecht werden.

John Muzziotest Kabeltest

John Muzzio ist Anwendungsingenieur und Produktlinienmanager für Test und Messung bei Times Microwave. Sein bisheriger Hintergrund umfasste optische, mechanische und elektrische Anwendungstechnik und Design mit Schwerpunkt auf den Halbleiter- und Luft- und Raumfahrtmärkten.

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