Material- und Bauteil-Charakterisierung
»6G braucht womöglich andere Methoden als 5G«
Der zukünftige Kommunikationsstandard 6G bringt neue Herausforderungen für Entwickler mit sich. Wie werden sich Materialmessungen und Bauteil-Charakterisierung von den bisherigen Lösungen für 5G unterscheiden? Navneet Kataria, Produktmanager bei Anritsu, gibt seine Einschätzung.
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Wie unterscheiden sich diese Herausforderungen von denen bei 5G?
Die messtechnischen Herausforderungen bei 6G sind etwas anders und komplexer als bei 5G. Weil bei 5G die Frequenzen vergleichsweise niedriger sind als bei 6G, ist die Komplexität bei der Herstellung, den Messungen und den Tests relativ einfacher als bei 6G. Auch wenn die Grundfragen bei Materialmessungen oder der Charakterisierung von Bausteinen immer noch die gleichen sind, ist der Prozess der Durchführung dieser Messungen bei 6G recht komplex.
Die Herausforderungen hängen auch davon ab, welche Messungen der Benutzer durchführen möchte. Wer beispielsweise einen Breitband-Leistungsverstärker charakterisieren möchte, benötigt extrem niedrige Leistungspegel zur Ansteuerung des Verstärkers, etwa -50 dBm, was sich in einem extrem hohen Frequenzbereich nicht leicht erreichen lässt. Die Charakterisierung einer Hohlleiter-Komponente benötigt hingegen womöglich eine höhere Leistung.
Welche Rolle spielt die Vektornetzwerkanalyse bei diesen Messungen?
Der Vector Network Analyzer spielt bei allen bisher besprochenen Messungen eine sehr wichtige Rolle, sei es bei 5G oder 6G. Die grundlegende Funktion eines VNA besteht darin, ein Signal in einen Baustein einzuspeisen und das aus dem Baustein kommende Ausgangssignal zu beobachten, nachdem es diesen durchlaufen hat. Der VNA beruht auf dem Konzept eines abgestimmten Empfängers, bei dem der Empfängeranschluss bereits weiß, was der Sendeport in Bezug auf Frequenzen und Leistung übermittelt. Die Funktion eines VNA gewinnt in der 6G-Ära noch mehr an Bedeutung, weil die Bausteine immer höhere Frequenzen aufweisen und immer kleiner werden.
Die wichtigste Fähigkeit eines VNA ist es, ein hochpräzises Signal in den Baustein einzuspeisen und dann das möglicherweise sehr geringe Ausgangssignal zu überwachen bzw. zu erfassen. Ein VNA kann ein Signal von einer sehr niedrigen Frequenz bis zu extrem hohen Frequenzen durchstimmen; somit lassen sich die 6G-Bausteine in einem sehr breiten Frequenzbereich charakterisieren. Der VectorStar von Anritsu ist der weltweit einzige VNA, der einen Frequenzbereich von 70 kHz bis 220 GHz in einem einzigen Durchlauf durchfahren kann. Andere Anwendungen erfordern einen Test der 6G-Bausteine nur in bestimmten Frequenzbändern, sodass der Anwender nur ein spezielles Frequenzband durchfahren möchte. VNAs lassen sich mit externen mmWave-Multipliern kombinieren, um Messungen lediglich in bestimmten Frequenzbändern durchzuführen. Ob bandgebunden oder breitbandig, der VNA spielt immer noch die wichtigste Rolle bei allen Messungen zur Charakterisierung/Modellierung von Bausteinen.
Das Gleiche gilt für Materialmessungen im Hochfrequenzbereich. Selbst bei Materialmessungen ist der VNA das zentrale Instrument zur Ansteuerung bzw. Berechnung der Dielektrizitätskonstante, der Verlusttangenten, der Leitfähigkeit usw. Alle diese Parameter lassen sich aus den S-Parameter-Basismessungen des Vektor-Netzwerkanalysators ableiten. Je nach Anwendung lassen sich auch Materialmessungen entweder in Form von bandbezogenen oder Breitbandmessungen durchführen. Für Materialmessungen benötigt man neben dem VNA auch einen passenden Adapter zur Aufnahme des MUT und die Durchführung der Messungen.
Weil sich die meisten aktiven und passiven 6G-Bauteile und -Bausteine auf einem Wafer befinden und bei sehr hohen Frequenzen arbeiten, bildet ein VNA in Kombination mit einer Probe-Station (manuell oder automatisch) und den richtigen Messspitzen für das geforderte Rastermaß eine Komplettlösung zur Messung aller 6G-Bauteile/Bausteine.
Insgesamt bildet ein VNA also das Fundament für alle 5G/6G-Messungen, sei es in der Design-, Packaging- oder in der Endproduktphase. Jede einzelne Phase erfordert umfangreiche Tests und eine erneute Bestätigung, dass der Baustein erfolgreich arbeitet. Der VNA garantiert diese Leistung.
Welche Lösungen bietet Anritsu für die 6G-Messung und -Analyse?
Eine der wichtigsten Lösungen für 6G ist der Vector Network Analyzer, der den breitbandigen Frequenzbereich von 70 kHz als untere Frequenz bis 110/125/145/220 GHz als maximale Frequenz in einem einzigen Sweep abtastet. Bis vor kurzem erfolgten die Messungen jeweils über ein bestimmtes Frequenzband – beispielsweise 90 bis 110 GHz, 110 bis 140 GHz und 140 bis 220 GHz –, und wechselte dann zwischen den verschiedenen Bandmessungen, um die Messergebnisse der Bauteile über einen breiten Frequenzbereich zu sehen. Bei Messungen im Rahmen des Bandkonzeptes zeigten sich zahlreiche Diskontinuitäten; die Anschaffung mehrerer bandbegrenzter mmWave-Module, die Schnittstelle zwischen Hohlleiter und Messspitze sowie die Messpitze selbst, erwies sich als problematisch. Diese Module waren nötig, um den gesamten Aufbau von einem Band auf das andere umzustellen, was zusammen mit den Problemen bei Wiederholbarkeit, Installation und Stabilität des gesamten Systems zu großen Nachteilen führte. Die Breitbandlösungen von Anritsu jedoch decken das gesamte Frequenzspektrum von 70 kHz bis 145/220 GHz ab, was große Einsparungen an Zeit, Energie und Geld ermöglicht. Ein solches Angebot gibt es bei keinem anderen Test- und Messgerätehersteller. VectorStar von Anritsu ist außerdem kompatibel mit fast allen Materialmess-Lösungen von Drittanbietern. Diese Zusammenarbeit ist sehr nützlich für Anwender, weil sie unter verschiedenen Optionen aus der Branche wählen können.
Der VectorStar von Anritsu beschränkt sich nicht nur auf die Charakterisierung von Materialien und Bausteinen, sondern ist auch kompatibel mit fast allen Antennenmesslösungen. Aufgrund seiner hohen Leistung und Aufrüstbarkeit in Bezug auf Anzahl der Ports/Quellen/Breitband-mmWave-Unterstützung ist der VectorStar die erste Wahl für Messaufgaben an 6G-Antennen. Das Gerät ermöglicht eine breite Palette von Messungen an aktiven und passiven 6G-Antennen, AiP (Antenna in Package) und vielem mehr.