Nueve pasos para seleccionar un cable de prueba para aplicaciones de ondas milimétricas

Las frecuencias de las señales de radio aumentan hasta el rango de ondas milimétricas (mmWave) a medida que aplicaciones como redes 5G, sistemas de radar para automóviles y sondas de semiconductores de RF exigen más ancho de banda a frecuencias más altas. Las pruebas son un aspecto integral del desarrollo de nuevos productos de calidad que funcionarán en estas frecuencias de ondas milimétricas, y los conjuntos de cables coaxiales desempeñan un papel vital en el proceso.

Sin embargo, dada la complejidad de las aplicaciones mmWave, no sirve cualquier cable coaxial. Se deben considerar parámetros críticos como la adaptación de impedancia y la pérdida de inserción para obtener resultados de prueba confiables y repetibles en frecuencias más altas. Como resultado, las pruebas de RF para aplicaciones mmWave requieren soluciones únicas de conectores y cables coaxiales.

Normalmente, el proceso de prueba de RF incorpora un dispositivo bajo prueba (DUT) conectado a un analizador vectorial de redes (VNA), un analizador de espectro u un osciloscopio. La ruta de la señal a la placa de circuito es crítica y la configuración de la prueba no debe introducir variables o errores no deseados, picos de VSWR o pérdida de inserción excesiva. Esto incluye el cable de prueba y los conectores.

Los conjuntos de cables de prueba deben ser lo suficientemente robustos para soportar una manipulación extensa y un movimiento continuo debido a conexiones y desconexiones frecuentes y, al mismo tiempo, mantener una repetibilidad precisa de las mediciones y un rendimiento eléctrico confiable. Hay numerosas características que evaluar antes de seleccionar el conjunto de cable coaxial óptimo para una aplicación específica, incluido el rango de frecuencia y el diámetro del cable, el tipo de equipo de prueba, los conectores, el tipo/aplicación de medición, la flexibilidad, la estabilidad de fase, la potencia, la impedancia y el presupuesto de pérdidas permitidas.

Al seleccionar un cable de prueba, una de las primeras cosas a considerar es el rango de frecuencia requerido para probar la aplicación. Esto ayudará a determinar otros factores, como el tipo de cable y las estructuras mecánicas necesarias. Por ejemplo, a medida que aumenta la frecuencia, el diámetro del cable se hace más pequeño. Es una situación inversa, y todas las relaciones deben funcionar correctamente en los diferentes niveles de frecuencia.

A continuación, evalúe el tipo de prueba a realizar y qué tipo de equipo se utilizará. Por ejemplo, la prueba podría ser un tipo de medición de curva S estándar que observe la pérdida de un dispositivo bajo prueba o evalúe su rendimiento en frecuencias específicas. Se deben considerar todas las variables desde el principio al seleccionar un conjunto de cable de prueba que funcionará bien para cada escenario de prueba único.

Una vez que se determinan la frecuencia, el tipo de equipo de prueba y el tamaño del cable, lo siguiente es el tipo de conector. Esta es una consideración crítica en aplicaciones mmWave porque cualquier inconstancia en los conectores puede introducir errores en la medición que se amplificarán a medida que aumente el rango de frecuencia de prueba.

El equipo de prueba tendrá un tipo de conector específico, generalmente determinado por la frecuencia más alta que el equipo de prueba puede alcanzar. Por ejemplo, si se realizan pruebas a 110 GHz, habrá un conector de 1 milímetro en el equipo de prueba; por lo tanto, se necesitará un conector correspondiente del mismo tamaño en el conjunto del cable de prueba.

Algunos tamaños comunes de conectores mmWave incluyen:

Para aplicaciones donde se necesita una alta densidad de señal, los conectores a presión como los conectores SMP, SMPM y SMPS también son ideales.

Cada aplicación que se esté probando tendrá factores ambientales específicos a considerar, que incluyen, entre otros:

La mayoría de los fabricantes de cables coaxiales proporcionan guías para ayudar a evaluar estas consideraciones adicionales. Por ejemplo, una aplicación de frecuencia ultraalta requerirá un cable que no sólo cumpla con los requisitos de frecuencia sino que también sea estable en fase. Al utilizar un cable de fase estable de alta frecuencia, el tipo de conector disponible para su uso se vuelve limitado. A medida que el usuario avanza en el proceso, se le proporcionarán opciones que coincidan con estas consideraciones adicionales.

Durante las pruebas, muchos usuarios se interesan además por la flexibilidad y el radio de curvatura del cable. Debido a la naturaleza de los entornos de prueba, a menudo es esencial utilizar un material de cable muy flexible que pueda moverse en un banco de pruebas, ya sea en un entorno de producción o de I+D.

Las pruebas también suelen pasar de un módulo a otro. Las altas frecuencias podrían requerir recalibración cuando se mueve un módulo o cable. El uso de un cable coaxial que pueda doblarse y flexionarse reducirá significativamente la necesidad de recalibración manteniendo la estabilidad.

Otro aspecto clave relacionado con la necesidad de mover constantemente los cables es la estabilidad de fase. El movimiento introduce un cambio de fase y el conjunto de prueba debe mantener una tasa de cambio muy baja para obtener mediciones precisas. Por lo tanto, un cable robusto es fundamental para mantener la fase lo más estable posible.

Además, al probar tecnologías mmWave como 5G, la fuente y el receptor pueden estar funcionando en dos frecuencias diferentes al mismo tiempo. Un conjunto de fase estable garantizará además que los armónicos no se introduzcan nuevamente en el sistema. Un conjunto de cable de fase estable que utiliza un dieléctrico TF4, o PTFE microporoso, junto con una capa intermedia metalizada enrollada helicoidalmente, ayudará a mantener un conjunto de prueba flexible, de fase y de amplitud estable.

También es fundamental comprender qué niveles de potencia puede soportar el cable de prueba. Por ejemplo, es probable que un cable de prueba estándar no pueda manejar una aplicación de alta potencia. En términos de aplicaciones de ondas milimétricas, las frecuencias más altas generarán menos energía porque el diámetro del cable se contrae inversamente, como se mencionó anteriormente.

La impedancia estándar vista en entornos de prueba es de 50 ohmios. Sin embargo, también se utilizan impedancias de 75 ohmios en un entorno de tipo vídeo y también algunas mediciones de frecuencia más baja. En cualquier caso, es esencial tener en cuenta las diferencias de impedancia al revisar la lista de verificación de selección de cables de prueba.

Todo lo relacionado con las características de la radiofrecuencia (RF) implica compensaciones. Una frecuencia más alta equivale a un diámetro de cable más pequeño, lo que a menudo también resulta en mayores pérdidas en el cable. Sin embargo, la pérdida se puede anular utilizando el VNA en una aplicación típica de medición de RF. Un analizador de red tiene la capacidad de "anular" la pérdida en el conjunto de cables, de modo que cuando el dispositivo esté conectado a él, la pérdida del cable no reflejará las medidas tomadas en el dispositivo mismo.

Por otro lado, cuando una señal pasa de la placa de circuito al conector, es imperativo minimizar los reflejos. A frecuencias más altas, estas imperfecciones en la transición de un conector coaxial a una estructura de placa de circuito se vuelven más evidentes y pueden causar efectos indeseables, como respuestas de señales parásitas y espurias que resultan en pérdida de retorno o pérdida de inserción, picos de VSWR y aumentos de magnitud. En este caso, si la integridad de la señal no es del todo correcta y hay ruido en la medición, la prueba no producirá una lectura correcta. Por lo tanto, se debe utilizar un cable repetible y de baja pérdida de inserción que funcione en todo el rango de frecuencia deseado para garantizar una medición de alta fidelidad.

La mayor velocidad del 5G se logra parcialmente utilizando ondas de radio de mayor frecuencia con un rango de frecuencia potencial mucho más extenso. Esto ha introducido desafíos para las pruebas de 5G, incluida la repetibilidad, confiabilidad y reproducibilidad.

Por ejemplo, se han utilizado cables de 50 GHz en entornos de producción para módulos 5G. La estabilidad y repetibilidad de este tipo de cable son primordiales para producir resultados reproducibles en la prueba.

Las tecnologías electrónicas de RF que incorporan radares automotrices han creado vehículos conectados más seguros y eficientes. Los sensores de radar automotrices que utilizan RF se utilizan cada vez más para detectar la velocidad, el alcance y el ángulo de los objetos en las proximidades del automóvil en aplicaciones complejas y críticas para la seguridad, como sistemas avanzados de asistencia al conductor y conducción autónoma.

Desafortunadamente, también han creado nuevos desafíos para las pruebas de RF. Muchas aplicaciones nuevas se están alejando del estándar anterior de 24 GHz a 77 GHz más rangos mmWave debido al amplio ancho de banda disponible en esas bandas. Un ancho de banda más amplio aumenta la resolución y la precisión del rango hasta 20 veces en algunas aplicaciones y produce longitudes de onda más cortas que permiten factores de forma más pequeños.

Esto aumenta la complejidad de las configuraciones de prueba, lo que requiere más cables de prueba y puntos de conexión que nunca, junto con nuevos requisitos de prueba de RF. Como resultado, es necesario revisar la forma en que se construyen los puntos de conexión y los cables de prueba y revisar los diferentes tipos de conectores disponibles, asegurando que los últimos conjuntos de prueba funcionen en conjunto con los cambios realizados por los fabricantes de equipos de prueba.

Un cable de 70 o 90 GHz tendrá la capacidad de realizar pruebas tanto en las frecuencias fundamentales como en las armónicas requeridas.

A medida que la industria de los semiconductores continúa experimentando un rápido aumento de la demanda con objetivos agresivos de tiempo de comercialización, la capacidad de realizar pruebas de alta precisión con la conveniencia de la automatización es fundamental. Se requieren procesos de prueba de RF altamente sensibles para medir el rendimiento de RF en la superficie de una oblea semiconductora, lo que requiere conjuntos de cables coaxiales que puedan soportar el movimiento robótico suave de una sonda y tocar la superficie de forma automática y precisa para medir el rendimiento y la funcionalidad. Debido al tipo específico de medición requerida, el conjunto de prueba también debe poder levantarse y moverse para repetir el proceso en una ubicación diferente de la superficie del dispositivo.

Un cable de prueba que proporciona una conexión estable y de baja pérdida para pruebas de hasta 70 GHz suele ser óptimo para su uso en mediciones de sondeo de circuitos de RF en la fabricación de obleas y semiconductores. Pueden diseñarse especialmente para una conexión firme a un dispositivo manipulador para permitir la colocación altamente estable de una sonda para realizar mediciones individuales en múltiples puntos, de forma automática o semiautomática, utilizando un tubo sólido en el punto de conexión. Un diseño de perfil bajo permite que los cabezales de sonda (manipuladores) atraviesen todo su rango de movimiento sin interferencias del alcance óptico.

Existe una nueva clase de cables de prueba diseñados específicamente para adaptarse a los desafíos abordados anteriormente para las frecuencias más altas necesarias para 5G, sistemas automotrices, sondeo de semiconductores y otras pruebas avanzadas de aplicaciones mmWave. Estos cables de prueba ofrecen opciones de cables de baja pérdida de inserción y muy repetibles que funcionan en todo el rango de frecuencia deseado para garantizar una medición de alta fidelidad, con opciones específicas disponibles que cubren de 70 GHz a 90 GHz y hasta 110 GHz si es necesario. Para lograr precisión y estabilidad, los conjuntos de cables de fase estable que utilizan un dieléctrico de PTFE microporoso junto con una capa intermedia metalizada enrollada helicoidalmente también pueden ayudar a mantener un conjunto de prueba flexible, estable en fase y amplitud.

Al seleccionar cualquier tipo de conjunto de cables de prueba, los diseñadores deben asociarse con un fabricante con capacidades de diseño, producción, ensamblaje y prueba totalmente integradas para soluciones personalizadas que cumplan con los requisitos de prueba de mmWave más exigentes.

Prueba de cables John Muzziotest

John Muzzio es ingeniero de aplicaciones y gerente de línea de productos de prueba y medición en Times Microwave. Su experiencia anterior incluyó ingeniería y diseño de aplicaciones ópticas, mecánicas y eléctricas, centrándose en los mercados de semiconductores y aeroespacial.

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