Echtzeit-Oszilloskope für HF-Entwickler Hohe Frequenzen ohne Kompromisse

Echtzeit-Oszilloskope erreichen ohne Frequenzverschachtelung Bandbreiten über 100 GHz. Für HF-Entwickler eine echte Alternative zu spezialisierter HF-Messtechnik.

Anwendungen wie 5G-Netzwerke erfordern HF-Komponenten für sehr hohe Frequenzen und große Bandbreiten. Haben Mobilfunk- und Kommunikationsanbieter zusammen mit ihren Zulieferern bisher hauptsächlich mit Frequenzen unterhalb von 6 GHz gearbeitet, bewegen sie sich nun in Frequenzbereiche, die bald über 40 GHz liegen werden. Zusätzlich vergrößert sich die genutzte Bandbreite. Die Liste der aufkommenden Hochfrequenz- und Breitbandtechnologien wird von Jahr zu Jahr länger.

Mit dieser Entwicklung muss auch die Messtechnik Schritt halten. Das Validieren und Charakterisieren von HF-Komponenten und -Systemen in diesen Frequenzbereichen führt die heutige Technik an ihre Grenzen. Spezialisierte Prüf- und Messgeräte, wie zum Beispiel Spektrumanalysatoren, bringen oberhalb von 50 GHz gewisse Einschränkungen mit sich. Deshalb muss unter anderem auf digitale Signalverarbeitung und Frequenzmischung (Downconverter) zurückgegriffen werden, die sich negativ auf die Signaltreue auswirken. Wegen solcher Einschränkungen prüfen Entwickler bereits mögliche Alternativen, um HF-Messungen durchzuführen. Dazu gehört mittlerweile auch wieder das Echtzeit-Oszilloskop. In den letzten Jahren haben die Hersteller die Bandbreite und vor allem die Signaltreue von Echtzeit-Oszilloskopen deutlich erhöht.

2010 fiel das 30-GHz-Limit

Bis zum Jahr 2010 lag die maximale Bandbreite der Oszilloskope bei 30 GHz, mit 0 Hz (DC) als unterer Grenze. Schon 2010 konnte man also mit einem Oszilloskop sehr breite Frequenzbänder erfassen. Jenseits der 30 GHz war jedoch ein Frequenzmischer erforderlich und damit eine zusätzliche Kalibrierung, um Verluste zu vermeiden und die Amplitude flach zu halten.

Gegen 2010 fand Teledyne LeCroy einen Weg, die Frequenzen auf über 30 GHz zu erweitern. Dafür entwickelte das Unternehmen Mitte der 2000er-Jahre das sogenannte Digital Bandwidth Interleaving (DBI). Digital Bandwidth Interleaving ist eine Form der hybriden Filterbank und eine Möglichkeit, Frequenzen zu verschachteln und so die Grenzfrequenz von Oszilloskopen nach oben zu verschieben. Aber DBI und ähnliche Methoden der Frequenzverschachtelung (Frequency Interleaving) bringen auch Nachteile mit sich. Das Front-End des Oszilloskops wird durch die Bandbreite von Vorverstärker und Sampler beschränkt.

Wenn beispielsweise ein Oszilloskop durch Frequenzverschachtelung Bandbreiten bis 60 GHz unterstützt und einen 30-GHz-Vorverstärker hat, muss das 60-GHz-Signal mit Hilfe eines Diplexers in zwei separate Signalpfade mit jeweils 30 GHz Bandbreite aufgeteilt werden. Dabei enthält ein Pfad die Signale von 0 bis 30 GHz (niederfrequent) und der andere Pfad die Signale von 30 bis 60 GHz (hochfrequent).

Der Signalpfad mit den hochfrequenten Anteilen enthält zusätzlich einen Abwärtsmischer. Anschließend gehen beide Signalpfade jeweils in ein 30-GHz-Front-End (Bild 1), werden digitalisiert, hochkonvertiert und wieder zusammengeführt. In diesem Prozess wird dem Gesamtsignal ein zusätzlicher Rauschanteil aufgeprägt, der die Signalqualität relativ stark belastet. Der Anwender bekommt zwar bis zu 60 GHz Bandbreite, muss dafür aber ein verrauschtes Signal hinnehmen.

Ohne Frequenzverschachtelung bis zu 110 GHz

Auf Basis der Frequenzverschachtelung haben viele Oszilloskop-Hersteller die Echtzeitbandbreite ihrer Geräte bis 2015 deutlich erhöht. Im Jahr 2018 stellte Keysight seine Oszilloskope der UXR-Serie mit Bandbreiten bis zu 110 GHz vor (Bild 2). Das Besondere am UXR ist, dass es das erste Echtzeit-Oszilloskop ist, bei dem das Front-End mit Vorverstärker und Sampler die volle Bandbreite abdeckt. Da es im Front-End-Design keine Frequenzverschachtelung gibt (Bild 3), erreicht das UXR sowohl eine deutlich verbesserte Bandbreite als auch eine deutlich höhere Signaltreue.

Vorverstärker und Sampler basieren auf der firmeneigenen Indiumphosphid-Technik (InP). Keysight nutzt und entwickelt sie bereits seit mehreren Jahren. Mittlerweile gibt es InP-Chips in der zweiten Generation. Dafür wurden die Strukturbreite verringert, das epitaktische Design verbessert und Metallisierungen sowie Dielektrika optimiert. Verzögerungszeiten und Grenzfrequenz der Chips betragen 2 ps und 600 GHz. Gleichzeitig wird die Durchbruchspannung über 7 V gehalten.

Damit werden hohe Ausgangsspannungen und eine Stromverstärkung um mehr als den Faktor 50 erreicht, was zu einem robusten IC-Design führt. Das Layout kann variiert werden, um unterschiedliche Kombinationen aus hoher Geschwindigkeit, geringem Rauschen und geringer Stromaufnahme zu erreichen. Mit dem Verfahren können bipolare Transistoren, Dioden, Dünnschichtwiderstände und Dünnschichtkapazitäten erzeugt werden, die für digitale, analoge und Mixed-Signal-ICs für Messgeräte verwendet werden.

Vorteil des Oszilloskops: Mehrere Kanäle

Für 5G setzen die meisten Mobilfunkhersteller auf kleinere Funkzellen mit weniger Teilnehmern, die dafür aber dichter über Stadt und Land verteilt werden. Dafür werden Techniken wie MIMO (Multiple Input Multiple Output) und Beamforming eingesetzt, um Kundendaten nahtlos und ohne Unterbrechungen übertragen zu können. Wie der Name schon andeutet, benötigt MIMO mehr als einen Eingang und mehr als einen Ausgang. Bei den neuesten Varianten wird mit bis zu 64 Kanälen gerechnet, aber im Moment reichen noch vier Kanäle.

Durch diese Entwicklung bekommt das Echtzeit-Oszilloskop ein relevantes Alleinstellungsmerkmal gegenüber spezialisierten HF-Messgeräten, denn es ist standardmäßig mit mehr als einem Kanal ausgestattet. Typischerweise sind es zwei oder vier. Wichtiger als die reine Anzahl der Kanäle ist die Kanal-zu- Kanal-Kalibrierung, die in Echtzeit-Oszilloskopen ebenfalls ein Standard ist. Beim UXR von Keysight zum Beispiel beträgt die zeitliche Verzögerung zwischen zwei Kanälen weniger als 75 fs. Die Alternative dazu ist die Verknüpfung mehrerer Einzelinstrumente unter Verwendung eines lokalen Oszillators. Sowohl Tektronix als auch Teledyne LeCroy verwenden einen modularen Formfaktor, der die Möglichkeit bietet, bis zu 32 Kanäle miteinander zu verbinden. Die UXR-Oszilloskope bieten die gleiche Funktionalität, jedoch in einem standardisierten Format.

Signaltreue

Auch wenn es seit 2012 Echtzeit-Oszilloskope mit Bandbreiten bis 60 GHz gibt, die mehr Messkanäle bereitstellen als konventionelle HF-Messtechnik – genutzt wurden sie im HF-Bereich nur selten. Zum Erfassen von Hochfrequenzsignalen fehlte ihnen die Signaltreue. Verglichen mit HF-Messgeräten haben Echtzeit-Oszilloskope in Bezug auf Fehlervektor, störungsfreien Dynamikbereich (Spurious Free Dynamic Range, SFDR) und effektive Bitanzahl (Effective Number of Bits, ENOB) in der Regel die schlechteren Werte. Bei diesen Schwachpunkten haben die Hersteller jedoch nachgebessert. Für mehr HF-Leistung wurde zuerst die Auflösung der Analog-Digital-Umsetzer (ADU) erhöht.

Seit etwa zwanzig Jahren sind 8-bit-ADUs bei Echtzeit-Oszilloskopen gesetzt. Damit ist der Gesamtdynamikbereich relativ begrenzt, verglichen mit den 12- und 14-bit-ADUs, die in der HF-Messtechnik üblich sind. Im Jahr 2014 stellte Keysight mit der Einführung der Oszilloskopfamilie der S-Serie seinen ersten 10-bit-ADU in einem Echtzeit-Oszilloskop vor. Die Bandbreite war auf nur 8 GHz begrenzt, aber die 10-bit-Plattform konnte auch oberhalb von 8 GHz genutzt werden. Das kürzlich vorgestellte UXR-Oszilloskop setzt diesen 10-bit-ADU nun auf 110 GHz und 256 GS/s ein.

Bild 4 und Bild 5 zeigen den Unterschied beim SFDR-Wert zwischen heutigen 10-bit-Oszilloskopen und früherem 8-bit-Oszilloskop. Bild 4 zeigt eine Rauschdichte von –150 dBm bei einem frequenzverschachtelten Oszilloskop mit 8 bit. In Bild 5 ist die Rauschdichte eines 10-bit-ADU mit einem echten 60-GHz-Front-End dargestellt. Sie beträgt –158 dBm. Das ist eine Verbesserung um 8 dBm/Hz.

Dazu kommt, dass Störeinflüsse (Spurs) in Verbindung mit ADUs deutlich reduziert wurden und heutige Echtzeit-Oszilloskope SFDR-Werte nahe 60 dBc bei 70 GHz erreichen. Heutige Echtzeit-Oszilloskope haben eine Abtastrate von bis zu 256 GS/s. Typische HF-Frequenzbänder sind kleiner als 5 GHz. In diesem Fall kann mit dem Oszilloskop der relevante Frequenzbereich isoliert betrachtet und das Signal massiv überabgetastet werden, was das effektive Rauschen verringert. Durch Überabtastung kann die Auflösung eines 12- oder 14-bit-Geräts erreicht werden.

Heute entwickelt sich das Echtzeit- Oszilloskop zu einem immer leistungsfähigeren HF-Gerät. Außerdem hatten Echtzeit-Oszilloskope schon immer sehr flache Frequenzgänge in Amplitude und Phase. Beispielsweise können Messungen mit Echtzeit-Oszilloskopen zwischen 60 und 65 GHz besser sein als eine Amplitudenflachheit von ±0,25 dB.

Der Autor

Brig Asay leitet den Bereich Strategic Planning in der Internet Infrastructure Group bei Keysight Technologies. Er war bis 2005 als Testingenieur bei Micron Technologies tätig und wechselte anschließend ins Oszilloskop-Marketing bei Keysight Technologies.