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掌握毫米波FMCW雷达应用 安立知毫米波测试解决方案

  • 孙昌华台北

Anritsu(安立知)Test Talks在线讲座于2021年9月14日以「毫米波FMCW雷达的整合测试」主题,由Anritsu技术支持部专案副理Jonathan Cheng/程昭团先生主讲,聚焦于FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave;频率调变连续波)毫米波雷达的测试解决方案。

FMCW雷达是一种成熟的技术,利用雷达发射电磁波信号接触到物体反射,透过接收天线捕捉反射的信号,经由计算发射与反射的频率调变连续波之频率差值,来进行物件距离与速度的探测,目前在汽车上所使用的范例最令人耳熟能详。

通常使用24GHz在短距侦测用在停车辅助,而77~81GHz频段用在长距侦测,如ACC( Adaptive Cruise Control) 主动式车距调节巡航系统/自动跟车系统或AEB(Autonomous Emergency Braking System)自动紧急制动系统都是逐渐普及的主动安全配备,而更高频段的94GHz则有气象雷达使用,再高还有120GHz甚至140GHz将是接续60GHz舱内/室内动态感知器的新频段。

从火车轨道与机场跑道的侵入物监测、破冰船观测冰层厚度及相关的地球科学信息探测到工业储油槽的液面检测,FMCW雷达更因为高频段使用的开放,快速随着自动驾驶辅助系统(ADAS)的盛行,渗透到自动跟车、紧急刹车、盲点/行人/骑士侦测的多面向应用,相信随着毫米波频谱持续放宽下,更多智能感知的应用也将如雨后春笋般出现。

当FMCW雷达的中心频率愈高,所能使用的调变带宽(modulation bandwidth)就越大,其侦测物件的分辨率也就愈好,因此能不断拓展动作侦测的应用范畴 ; 在疫情流行期间,用于传感人与人间排队距离的侦测,以提醒人们维持社交距离,甚至还可以侦测心跳与呼吸频率。

Anritsu为了协助客户掌握毫米波FMCW雷达的测试,针对在实验室内与户外测试环境的用途,设计容易携带的测试解决方案,一举推出使用MS2830A信号分析仪搭配MS2760A的便携式毫米波频谱分析仪,做为测试新时代的雷达传感器的主力产品,这个产品组合量测调变功率的平稳度,观测相位杂讯(Phase Noise),还有因应雷达装置上大量使用的高增益矩阵天线的设计,透过利用OTA测试检测天线的辐射场形和代表视野的FoV参数。

实体展示案例以一个TI的雷达PCB公版装置做为待测物,中心频率是76.5GHz的ADAS雷达,测试平台使用一台有USB3.0界面的笔记本电脑,以及MS2830A搭配MS2760A毫米波频谱分析仪,使用标准天线(Horn Antenna),透过时域量测每一个Frame的搭配Chirps波形,MS2760A可以支持到170GHz,一般使用以90GHz居多,Anritsu依据ITU-R M207-0的规范,已经建立常用的车用雷达的测项,随后也同步展示短场雷达的测项列表。

Anritsu在E-Band快速布建测试上提供MS46522B矢量分析仪(VNA)的配置,采用具备转盘的OTA设备,提供超宽频的9KHz~170GHz的频率扫描范围,另外还提供MS2762A设备,可以聚焦于量测6GHz~170GHz范围的量测。

由于新时代的天线从AoC (Antenna on Chip)转变成AiP (Antenna In Package)设计,以增加天线的效益,最近的趋势则是在手机上使用AoD(Antenna on Display)的技术,在OLED手机玻璃面板上蚀刻天在线去,因为需要考虑面板的透光度,避免天线所造成的残影发生,所以在天线量测上仍要关注于天线场型,由于需要量测与芯片连接的效能,所以还是会需要使用探针量测,所以仍需要矢量网络分析仪(VNA)的协助。

因应更高频谱的使用,Anritsu开发VectorStar系列的网络分析仪,其整合Anritsu非线性传输线(NLTL)毫米波(mmWave)模块,目前主要型号有ME7838E/A/D/G(110/125/145/220 GHz)等机种,可以支持多通道,而且可以到220GHz以上的频率范围,为未来6G通讯的量测预做准备。

目前大多数看到的新兴主流应用都在110~170GHz的范围,但是更宽的量测频率的需求是大势所趋,Anritsu台湾也透过第三方探针供应商之助,整合完整的测试解决方案与多样化的探针选项。

被动元件的测试与Wi-Fi 6E功率量测的应用

在2021年9月16日的另一场次的演讲主题聚焦于「被动元件与Wi-Fi 6E功率量测实务」,由技术支持部副理Danny Lin/林昇鸿先生主讲,针对被动元件的测试议题,以及介绍搭配Peak Power Sensor做为Wi-Fi 6E的功率量测的应用。

在愈来愈重要的毫米波通信系统中,诸如滤波器、合成器、切换器、天线、连接器和传输线等被动元件的测试受到关注,这些被动元件会用于差动电路,往往具备多个输入和输出埠而增加量测系统组态的复杂程度,为了帮助使用者掌被动元件的射频(RF)与高频的特性,使用VNA来进行S参数量测,针对信号传输(Transmission)与反射(Refection)以确定元件的特性与效能。

这些测试往往需要使用相当长的时间来完成所有必要参数的量测,Anritsu台湾的软件团队推出ATS_VSWR的软件工具,可以支持Anritsu主要的VNA设备,该软件上提供6、8、20和40.3GHz,并可进行多通道的频率测试,测试软件会将合格或不合格的测试结果发送至自动化系统中,软件工具并提供诸如RAW DATA、PNG档与内建数据库提供客户弹性报表的功能。实体展示案例主要分为是测试PCB上的传输线的验证数据与双天线不同频带测试应用。

另外,Anritsu还整合另一套测试多天线自动化软件与平台,设计多埠的测试平台以符合现今多端口天线/AiP的测试,使用一台PC可以控制4座platform,每一座可以插上8片VNA卡版,每一卡可测试2埠,所以最多可以进行64端口的测试多天线与AiP接脚(Socket)的测试,此平台VNA提供8、20和40.3GHz三个频率model,提供以RAW DATA,PNG与Json格式的报告分析功能。

无线信号从时域上观测是幅度不断变化的正弦波,幅度并不恒定,一个周期内的信号幅度峰值和其他周期内的幅度峰值是不一样的,因此每个周期的平均功率和峰值功率是不一样的,Anritsu提供新一代Peak power sensor 具备165MHz Video bandwidth 进行Wi-Fi 6E功率量测,该款设备同时可以进行CCDF采用互补累积分布函数(CCDF)的统计式量测方法来呈现,可用来分析平均功率与尖峰功率信号的比率,以显示尖峰功率在特定期间维持多久时间,来验证Wi-Fi 6E系统的功率输出稳定性。

实体展示案例主要分成两个部分:第一个部分MT8862A搭配MA24408A针对不同的Wi-Fi 6E带宽20MHz/80MHz/160MHz 透过Peak sensor auto trigger的方式进行快速测是以展现量测速度与精准度。

第二个部分主要是MA24408A搭配802.11ax实体DUT进行CCDF量测以确保AP性能与PA的稳定性,同时透过摆放不同的Marker位置可以显示不同区间的CCDF结果,以显示尖峰功率在特定期间维持多久时间,来验证Wi-Fi 6E系统的功率输出稳定性;Anritsu的Peak power sensor MA24400A系列共有6款型号,可满足不同的频率与市场应用需求。