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Apr 05, 2023

ミリ波アプリケーション用のテストケーブルを選択する 9 つのステップ

La frequenza dei segnali radio arriva fino alla gamma delle onde millimetriche (mmWave).

5G ネットワーク、自動車レーダー システム、RF 半導体プロービングなどのアプリケーションでは、より高い周波数でより多くの帯域幅が必要となるため、無線信号周波数はミリ波 (mmWave) 範囲まで上昇します。 テストは、これらのミリ波周波数で動作する高品質の新製品を開発するために不可欠な要素であり、同軸ケーブル アセンブリはそのプロセスにおいて重要な役割を果たします。

ただし、ミリ波アプリケーションの複雑さを考慮すると、どのような同軸ケーブルでも使用できるわけではありません。 高周波で再現可能で信頼性の高いテスト結果を得るには、インピーダンス整合や挿入損失などの重要なパラメータを考慮する必要があります。 その結果、ミリ波アプリケーションの RF テストには、独自の同軸ケーブルおよびコネクタ ソリューションが必要になります。

通常、RF テスト プロセスには、ベクトル ネットワーク アナライザ (VNA)、スペクトラム アナライザ、またはオシロスコープに接続された被測定デバイス (DUT) が組み込まれます。 回路基板への信号経路は非常に重要であり、テスト設定では、不要な変数やエラー、VSWR スパイク、または過剰な挿入損失が発生してはなりません。 これには、テスト ケーブルとコネクタが含まれます。

テストケーブルアセンブリは、測定の正確な再現性と信頼性の高い電気的性能を維持しながら、広範囲にわたる取り扱いや頻繁な接続と切断による継続的な動きに耐えるのに十分な堅牢性を備えていなければなりません。 特定の用途に最適な同軸ケーブルアセンブリを選択する前に、周波数範囲とケーブル直径、試験装置の種類、コネクタ、測定の種類/用途、柔軟性、位相安定性、電力、インピーダンス、許容損失バジェットなど、評価すべき特性が数多くあります。

テスト ケーブルを選択するとき、最初に考慮すべきことの 1 つは、アプリケーションのテストに必要な周波数範囲です。 これは、必要なケーブルの種類や機械構造など、他の要素を決定するのに役立ちます。 たとえば、周波数が高くなると、ケーブルの直径は小さくなります。 これは逆の状況であり、すべての比率がさまざまな周波数レベルで正しく機能する必要があります。

次に、実行するテストの種類と使用する機器の種類を評価します。 たとえば、テストは、テスト対象のデバイスの損失を調べたり、特定の周波数でのパフォーマンスを評価したりする、標準的な S カーブ タイプの測定である可能性があります。 それぞれの固有のテスト シナリオで適切に機能するテスト ケーブル アセンブリを選択するときは、すべての変数を事前に考慮する必要があります。

周波数、テスト機器の種類、ケーブルのサイズが決定したら、次にコネクタの種類を決定します。 これはミリ波アプリケーションでは重要な考慮事項です。コネクタに不整合があると、測定に誤差が生じ、テスト周波数範囲が増加するにつれて誤差が増幅される可能性があるからです。

テスト装置には特定のコネクタ タイプがあり、通常はテスト装置が達成できる最高周波数によって決まります。 たとえば、110 GHz でテストする場合、テスト機器には 1 ミリメートルのコネクタがあります。 したがって、テスト ケーブル アセンブリには同じサイズの嵌合コネクタが必要です。

一般的なミリ波コネクタ サイズには次のようなものがあります。

高い信号密度が必要なアプリケーションには、SMP、SMPM、SMPS コネクタなどのプッシュオン コネクタも最適です。

テストされる各アプリケーションには、特に次のような考慮すべき特定の環境要因があります。

ほとんどの同軸ケーブル メーカーは、これらのさらなる考慮事項を評価するのに役立つガイドを提供しています。 たとえば、超高周波アプリケーションには、周波数要件を満たすだけでなく、位相が安定しているケーブルが必要です。 高周波で位相が安定したケーブルを使用すると、使用できるコネクタの種類が制限されます。 ユーザーがプロセスを進めるにつれて、これらの追加の考慮事項に一致するオプションが提供されます。

テストでは、多くのユーザーはケーブルの柔軟性と曲げ半径にさらに関心を持っています。 テスト環境の性質上、多くの場合、実稼働環境または研究開発環境のいずれかにおいて、テストベンチ上で移動できる非常に柔軟なケーブル素材を使用することが不可欠です。

テストはモジュールからモジュールへと移動することもよくあります。 高周波では、モジュールまたはケーブルを移動したときに再校正が必要になる場合があります。 曲げたり曲げたりできる同軸ケーブルを使用すると、安定性を維持しながら再校正の必要性が大幅に軽減されます。

ケーブルを常に移動させる必要性に関連するもう 1 つの重要な側面は、位相の安定性です。 動作により位相変化が生じるため、正確な測定を得るには、テストアセンブリは非常に低い変化率を維持する必要があります。 したがって、位相を可能な限り安定に保つためには、堅牢なケーブルが重要です。

さらに、5G などのミリ波テクノロジーをテストする場合、送信元と受信機が 2 つの異なる周波数で同時に動作する可能性があります。 位相が安定したアセンブリにより、高調波がシステムに戻らないことがさらに保証されます。 TF4 または微多孔性 PTFE 誘電体を利用した位相安定ケーブル アセンブリと、螺旋状に巻かれた金属化中間層を組み合わせると、柔軟で位相および振幅が安定したテスト アセンブリを維持するのに役立ちます。

テストケーブルがどのような電力レベルに耐えられるかを理解することも重要です。 たとえば、標準のテスト ケーブルは高電力アプリケーションに対応できない可能性があります。 ミリ波アプリケーションに関しては、前述したように、ケーブルの直径が逆に縮小するため、周波数が高くなると通過する電力は少なくなります。

テスト環境で見られる標準インピーダンスは 50 オームです。 ただし、ビデオタイプの環境や、より低い周波数の測定では 75 オームのインピーダンスも使用されます。 いずれにせよ、テストケーブル選択チェックリストを検討する際には、インピーダンスの違いを念頭に置くことが不可欠です。

無線周波数 (RF) 特性に関連するものはすべてトレードオフを伴います。 周波数が高くなるとケーブル直径が小さくなり、多くの場合、ケーブルの損失も大きくなります。 ただし、一般的な RF 測定アプリケーションでは VNA を使用して損失を打ち消すことができます。 ネットワーク アナライザには、ケーブル アセンブリの損失を「ゼロにする」機能があるため、デバイスがネットワーク アナライザに接続されている場合、ケーブルの損失はデバイス自体で取得された測定値を反映しません。

一方、信号が回路基板からコネクタに伝達されるときは、反射を最小限に抑えることが不可欠です。 より高い周波数では、同軸コネクタから回路基板構造への移行におけるこれらの不完全性がより顕著になり、リターンロスや挿入損失、VSWR スパイク、振幅の増加を引き起こす寄生信号応答やスプリアス信号応答などの望ましくない影響を引き起こす可能性があります。 この場合、信号の完全性が完全に正しくなく、測定にノイズがあると、テストでは正しい読み取り値が得られません。 したがって、高忠実度の測定を保証するには、目的の周波数範囲全体で機能する再現性があり、挿入損失が低いケーブルを使用する必要があります。

5G の高速化は、より広範囲の潜在的な周波数範囲を持つ高周波電波を使用して部分的に実現されます。 これにより、再現性、信頼性、再現性など、5G テストに課題が生じています。

たとえば、50 GHz ケーブルは 5G モジュールの実稼働環境で使用されています。 このタイプのケーブルの安定性と再現性は、テストで再現性のある結果を生み出すために最も重要です。

車載レーダーを組み込んだ RF エレクトロニクス技術により、より安全で効率的なコネクテッド カーが生み出されました。 RF を使用する自動車レーダー センサーは、先進運転支援システムや自動運転などの複雑で安全性が重要なアプリケーションにおいて、自動車の周囲にある物体の速度、範囲、角度を検出するために使用されることが増えています。

残念ながら、RF テストに新たな課題も生じています。 多くの新しいアプリケーションは、24 GHz から 77 GHz とミリ波範囲の以前の標準から離れています。これは、これらの帯域で利用可能な帯域幅が広いためです。 帯域幅が広いと、一部のアプリケーションでは範囲の分解能と精度が最大 20 倍向上し、より短い波長が生成され、より小型のフォームファクタが可能になります。

これにより、テストのセットアップが複雑になり、これまでよりも多くのテスト リードと接続ポイントが必要になり、さらに新しい RF テスト要件も必要になります。 その結果、接続ポイントとテスト リードの構築方法を再考し、利用可能なさまざまな種類のコネクタを検討して、最新のテスト アセンブリがテスト機器メーカーによる変更と連携して動作することを確認する必要があります。

70 GHz または 90 GHz のケーブルには、必要な基本周波数と高調波周波数の両方でテストする機能があります。

半導体業界では、市場投入までの時間の目標を積極的に掲げて需要が急速に増加し続けているため、自動化を活用して高精度のテストを実行できる能力が重要です。 半導体ウェーハ表面の RF 性能を測定するには、高感度の RF テスト プロセスが必要です。そのため、プローブのスムーズなロボットの動きをサポートし、性能と機能を測定するために表面に自動的かつ正確にタッチダウンできる同軸ケーブル アセンブリが必要です。 特定の種類の測定が必要なため、テスト アセンブリは、デバイス表面の別の場所でプロセスを繰り返すために、持ち上げたり移動したりできなければなりません。

最大 70 GHz のテストで低損失で安定した接続を提供するテスト ケーブルは、多くの場合、ウェーハや半導体の製造における RF 回路のプロービング測定での使用に最適です。 これらは、マニピュレータ装置にしっかりと取り付けられるように特別に設計されており、取り付け点の固体チューブを利用して、自動または半自動で複数の点で個別の測定を行うためのプローブの非常に安定した配置を可能にします。 薄型設計により、プローブ ヘッド (マニピュレーター) は光学スコープの干渉なしに可動範囲全体を移動できます。

5G、自動車システム、半導体プロービング、その他の高度なミリ波アプリケーションのテストに必要な高周波向けに、上記の課題に対処するために特別に設計された新しいクラスのテスト ケーブルがあります。 これらのテスト リードは、再現性が高く、挿入損失が低いケーブル オプションを提供し、必要な周波数範囲全体で機能して高忠実度の測定を保証します。また、必要に応じて 70 GHz ～ 90 GHz、および最大 110 GHz をカバーする特定のオプションも利用できます。 精度と安定性を高めるために、微多孔性 PTFE 誘電体と螺旋状に巻かれた金属化中間層を組み合わせた位相安定ケーブル アセンブリも、柔軟で位相と振幅が安定したテスト アセンブリを維持するのに役立ちます。

あらゆる種類のテスト ケーブル アセンブリを選択する場合、設計者は、最も要求の厳しいミリ波テスト要件を満たすカスタマイズされたソリューションの設計、製造、組み立て、およびテスト機能を完全に統合したメーカーと提携する必要があります。

John Muzziotest ケーブルテスト

John Muzzio は、Times Microwave のアプリケーション エンジニア兼テストおよび測定製品ライン マネージャーです。 彼の以前の経歴には、半導体と航空宇宙市場に重点を置いた、光学、機械、電気アプリケーションのエンジニアリングと設計が含まれていました。

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