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掌握毫米波FMCW雷達應用 安立知毫米波測試解決方案

  • 孫昌華台北

Anritsu(安立知)Test Talks線上講座於2021年9月14日以「毫米波FMCW雷達的整合測試」主題,由Anritsu技術支援部專案副理Jonathan Cheng/程昭團先生主講,聚焦於FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave;頻率調變連續波)毫米波雷達的測試解決方案。

FMCW雷達是一種成熟的技術,利用雷達發射電磁波信號接觸到物體反射,透過接收天線捕捉反射的信號,經由計算發射與反射的頻率調變連續波之頻率差值,來進行物件距離與速度的探測,目前在汽車上所使用的範例最令人耳熟能詳。

通常使用24GHz在短距偵測用在停車輔助,而77~81GHz頻段用在長距偵測,如ACC( Adaptive Cruise Control) 主動式車距調節巡航系統/自動跟車系統或AEB(Autonomous Emergency Braking System)自動緊急制動系統都是逐漸普及的主動安全配備,而更高頻段的94GHz則有氣象雷達使用,再高還有120GHz甚至140GHz將是接續60GHz艙內/室內動態感知器的新頻段。

從火車軌道與機場跑道的侵入物監測、破冰船觀測冰層厚度及相關的地球科學資訊探測到工業儲油槽的液面檢測,FMCW雷達更因為高頻段使用的開放,快速隨著自動駕駛輔助系統(ADAS)的盛行,滲透到自動跟車、緊急剎車、盲點/行人/騎士偵測的多面向應用,相信隨著毫米波頻譜持續放寬下,更多智能感知的應用也將如雨後春筍般出現。

當FMCW雷達的中心頻率愈高,所能使用的調變頻寬(modulation bandwidth)就越大,其偵測物件的解析度也就愈好,因此能不斷拓展動作偵測的應用範疇 ; 在疫情流行期間,用於感測人與人間排隊距離的偵測,以提醒人們維持社交距離,甚至還可以偵測心跳與呼吸頻率。

Anritsu為了協助客戶掌握毫米波FMCW雷達的測試,針對在實驗室內與戶外測試環境的用途,設計容易攜帶的測試解決方案,一舉推出使用MS2830A信號分析儀搭配MS2760A的便攜式毫米波頻譜分析儀,做為測試新世代的雷達感測器的主力產品,這個產品組合量測調變功率的平穩度,觀測相位雜訊(Phase Noise),還有因應雷達裝置上大量使用的高增益矩陣天線的設計,透過利用OTA測試檢測天線的輻射場形和代表視野的FoV參數。

實體展示案例以一個TI的雷達PCB公版裝置做為待測物,中心頻率是76.5GHz的ADAS雷達,測試平台使用一台有USB3.0介面的筆記型電腦,以及MS2830A搭配MS2760A毫米波頻譜分析儀,使用標準天線(Horn Antenna),透過時域量測每一個Frame的搭配Chirps波形,MS2760A可以支援到170GHz,一般使用以90GHz居多,Anritsu依據ITU-R M207-0的規範,已經建立常用的車用雷達的測項,隨後也同步展示短場雷達的測項列表。

Anritsu在E-Band快速布建測試上提供MS46522B向量分析儀(VNA)的配置,採用具備轉盤的OTA設備,提供超寬頻的9KHz~170GHz的頻率掃描範圍,另外還提供MS2762A設備,可以聚焦於量測6GHz~170GHz範圍的量測。

由於新世代的天線從AoC (Antenna on Chip)轉變成AiP (Antenna In Package)設計,以增加天線的效益,最近的趨勢則是在手機上使用AoD(Antenna on Display)的技術,在OLED手機玻璃面板上蝕刻天線上去,因為需要考慮面板的透光度,避免天線所造成的殘影發生,所以在天線量測上仍要關注於天線場型,由於需要量測與晶片連接的效能,所以還是會需要使用探針量測,所以仍需要向量網路分析儀(VNA)的協助。

因應更高頻譜的使用,Anritsu開發VectorStar系列的網路分析儀,其整合Anritsu非線性傳輸線(NLTL)毫米波(mmWave)模組,目前主要型號有ME7838E/A/D/G(110/125/145/220 GHz)等機種,可以支援多通道,而且可以到220GHz以上的頻率範圍,為未來6G通訊的量測預做準備。

目前大多數看到的新興主流應用都在110~170GHz的範圍,但是更寬的量測頻率的需求是大勢所趨,Anritsu台灣也透過第三方探針供應商之助,整合完整的測試解決方案與多樣化的探針選項。

被動元件的測試與Wi-Fi 6E功率量測的應用

在2021年9月16日的另一場次的演講主題聚焦於「被動元件與Wi-Fi 6E功率量測實務」,由技術支援部副理Danny Lin/林昇鴻先生主講,針對被動元件的測試議題,以及介紹搭配Peak Power Sensor做為Wi-Fi 6E的功率量測的應用。

在愈來愈重要的毫米波通信系統中,諸如濾波器、合成器、切換器、天線、連接器和傳輸線等被動元件的測試受到關注,這些被動元件會用於差動電路,往往具備多個輸入和輸出埠而增加量測系統組態的複雜程度,為了幫助使用者掌被動元件的射頻(RF)與高頻的特性,使用VNA來進行S參數量測,針對訊號傳輸(Transmission)與反射(Refection)以確定元件的特性與效能。

這些測試往往需要使用相當長的時間來完成所有必要參數的量測,Anritsu台灣的軟體團隊推出ATS_VSWR的軟體工具,可以支援Anritsu主要的VNA設備,該軟體上提供6、8、20和40.3GHz,並可進行多通道的頻率測試,測試軟體會將合格或不合格的測試結果發送至自動化系統中,軟體工具並提供諸如RAW DATA、PNG檔與內建資料庫提供客戶彈性報表的功能。實體展示案例主要分為是測試PCB上的傳輸線的驗證數據與雙天線不同頻帶測試應用。

另外,Anritsu還整合另一套測試多天線自動化軟體與平台,設計多埠的測試平台以符合現今多端口天線/AiP的測試,使用一台PC可以控制4座platform,每一座可以插上8片VNA卡版,每一卡可測試2埠,所以最多可以進行64端口的測試多天線與AiP接腳(Socket)的測試,此平台VNA提供8、20和40.3GHz三個頻率model,提供以RAW DATA,PNG與Json格式的報告分析功能。

無線信號從時域上觀測是幅度不斷變化的正弦波,幅度並不恆定,一個週期內的信號幅度峰值和其他週期內的幅度峰值是不一樣的,因此每個週期的平均功率和峰值功率是不一樣的,Anritsu提供新一代Peak power sensor 具備165MHz Video bandwidth 進行Wi-Fi 6E功率量測,該款設備同時可以進行CCDF採用互補累積分布函數(CCDF)的統計式量測方法來呈現,可用來分析平均功率與尖峰功率訊號的比率,以顯示尖峰功率在特定期間維持多久時間,來驗證Wi-Fi 6E系統的功率輸出穩定性。

實體展示案例主要分成兩個部分:第一個部分MT8862A搭配MA24408A針對不同的Wi-Fi 6E頻寬20MHz/80MHz/160MHz 透過Peak sensor auto trigger的方式進行快速測是以展現量測速度與精準度。

第二個部分主要是MA24408A搭配802.11ax實體DUT進行CCDF量測以確保AP性能與PA的穩定性,同時透過擺放不同的Marker位置可以顯示不同區間的CCDF結果,以顯示尖峰功率在特定期間維持多久時間,來驗證Wi-Fi 6E系統的功率輸出穩定性;Anritsu的Peak power sensor MA24400A系列共有6款型號,可滿足不同的頻率與市場應用需求。