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09/03/2017

Una historia de liderazgo al servicio de los ingenieros que trabajan con frecuencias de ondas milimétricas


Una historia de liderazgo al servicio de los ingenieros que trabajan con frecuencias de ondas milimétricas

A medida que los desarrolladores se acercan a frecuencias de terahercios, es fácil caer en la trampa de subestimar las dificultades que pueden surgir en el diseño, la simulación, la medida y el análisis. Y es que el comportamiento de las ondas milimétricas es muy distinto al de las señales en la banda base, RF o microondas. Por ejemplo, a longitudes de onda de 10 mm (30 GHz), 1 mm (300 GHz) o 0,3 mm (1 THz), las pérdidas por propagación en la atmósfera son altas, especialmente en las frecuencias resonantes de las moléculas de oxígeno, agua y dióxido de carbono. Además, estas diferencias dificultan la generación de energía y cada vez resultará más complicado realizar medidas calibradas y obtener resultados de utilidad. Los ingenieros que llegan a este rango milimétrico confían en la capacidad de Keysight de situarse a la vanguardia, creando soluciones que facilitan el acceso a medidas precisas y repetibles a frecuencias cada vez más altas y anchos de banda más amplios. La dedicación de Keysight a desarrollar continuamente herramientas comerciales para frecuencias extremadamente altas se debe a su combinación probada de ciencia de medida y experiencia en ondas milimétricas. Ayudar a otras industrias a ir siempre un paso por delante forma parte de la identidad de Keysight, cuyos últimos lanzamientos están ayudando a los desarrolladores a obtener los resultados buscados a 110 GHz y más allá.


Innovación en tecnología y apertura de nuevos horizontes


La tecnología de ondas milimétricas lleva décadas utilizándose, especialmente en aplicaciones aeroespaciales, de defensa y de tráfico de regreso, donde los beneficios justificaban los altos costes de desarrollo, fabricación y soporte. En los últimos años, los avances en su fabricación han ido reduciendo los costes de los dispositivos de frecuencia extremadamente alta (EHF), haciendo que resulten más accesibles para aplicaciones comerciales y de consumo. Por ejemplo, los desarrolladores que usan la tecnología de semiconductores complementarios de óxido metálico (CMOS) han producido dispositivos con una fT de más de 500 GHz, y algunos de ellos pretenden llevar esta tecnología económica hasta el rango de los terahercios. Como empresa innovadora, la propia Keysight ha llevado a cabo una I+D revolucionaria en lo relativo a componentes de EHF. Las capacidades de su personal en tecnología de semiconductores de microondas han permitido desarrollar un proceso de fosfuro de indio (InP) de última generación que admite frecuencias de conmutación de transistores de más de 300 GHz. Esto permite alcanzar mayores anchos de banda en circuitos integrados y en productos como un osciloscopio presentado recientemente, que ofrecerá unas prestaciones en tiempo real y tiempo equivalente rompedoras.


Superar los obstáculos y garantizar la excelencia de las medidas


Dos problemas clave —el guiado de señales y la generación de potencia— se complican especialmente si queremos crear equipos de prueba comerciales que produzcan resultados precisos y repetibles. Un ejemplo crucial serían los guiaondas, que deben ser lo más perfectos posible para garantizar el buen funcionamiento interno de cualquier instrumento de ondas milimétricas. Para gestionar señales de entre 100 GHz y 1 THz se necesitan distintas bandas de guiaondas. A longitudes de onda milimétricas, cualquier “skew” en una conexión de brida puede provocar reflexiones indeseadas que degradarán la calidad de la señal y reducirán su potencia. Generar niveles de potencia de señal adecuados es un reto, dada la dificultad de mantener simultáneamente la eficiencia y la linealidad del amplificador a estas frecuencias. Por ello se tiende a limitar el nivel máximo de potencia que puede producir un generador de señales o un analizador de redes. En relación con lo anterior, un ancho de banda más amplio resulta atractivo para las ondas milimétricas; no obstante, las medidas de banda ancha introducirán más ruido en el instrumento, incrementando su nivel de ruido. Así, una combinación de una potencia máxima más baja y un nivel de ruido más alto reduce el rango dinámico disponible en las medidas de espectro de banda ancha. Una vez resueltos estos problemas, el siguiente reto radica en calibrar tanto el instrumento como la configuración de la prueba. Además, aunque resulta difícil calibrar con exactitud los niveles de potencia a frecuencias extremadamente altas, el control preciso de la potencia es esencial para garantizar la precisión de la medida y evitar daños en el dispositivo bajo prueba. A estas frecuencias, puede parecer que las medidas tienen algo de arte y algo de ciencia, y los ingenieros tienen que dejar de lado sus viejas costumbres, adoptar un enfoque más deliberado y adaptar sus expectativas. Por ejemplo, hay que prestar especial atención a cada fase de la configuración de medida: instrumentos, cables y accesorios. Esto implica hacer lo necesario para garantizar unas conexiones perfectas, una conversión de subida limpia de las señales de salida, una conversión de bajada precisa de las señales entrantes, unas señales espurias internas de bajo nivel y una buena gestión de los armónicos internos. Estos factores son tan importantes en el análisis de espectros y de señales como en el análisis de redes y la caracterización de dispositivos pasivos (parámetros S) o activos (parámetros X). Y aún tenemos que sumar a estos retos una diferencia crítica más: en ciertos casos, la conexión entre el instrumento y el dispositivo bajo prueba debe realizarse por vía aérea en lugar de a través de cables o guiaondas. En este caso, es necesario controlar y calibrar el entorno radiado alrededor de la configuración de prueba. Para garantizar la repetibilidad de las medidas, además, debemos encontrar la forma de controlar o bloquear de forma coherente cualquier elemento direccional en el dispositivo bajo prueba.


Una historia de liderazgo



Aunque el uso de las ondas milimétricas va en aumento en las aplicaciones comerciales, Keysight lleva décadas adelantándose en su conocimiento. Sus primeros productos de gigahercios se remontan a 1967, con el lanzamiento del analizador de redes HP 8410, que medía hasta 12 GHz y calculaba parámetros S. A finales de los años ochenta, la compañía lanzó sus primeros equipos de ondas milimétricas, con generadores de señales de más de 26,5 GHz con conversores de subida y analizadores de redes de banda ancha de 45 MHz a 100 GHz. Desde entonces, algunos de los lanzamientos más importantes incluyen los analizadores de redes de 67 GHz (PNA, 2006) y los analizadores de espectros y analizadores combinados de mano de 50 GHz (FieldFox, 2015). Otros ejemplos son un osciloscopio de amplio ancho de banda de 90 GHz (Infiniium DCA-X 86100D); un transceptor de banda ancha de 68 GHz (E7760A); analizadores de redes de microondas de 67 GHz, ampliables a 1,1 THz (PNAX); un generador analógico de señales de 67 GHz, ampliable a 1,1 THz (PSG E8257D); osciloscopios de 63 GHz (Infiniium Serie Z), y un analizador vectorial de señales de alto rendimiento PXIe de 50 GHz (M9393A). Más recientemente, en octubre de 2016, Keysight lanzó el analizador de señales UXA Serie X N9041B, el primero en ofrecer cobertura de frecuencia de barrido continuo de 3 Hz a 110 GHz. Su ancho de banda instantáneo totalmente integrado es de 1 GHz, y una salida de IF admite un ancho de banda de análisis máximo de 5 GHz si se conecta a un osciloscopio Keysight externo. Los circuitos front end avanzados consiguen mezclas eficientes con bajas pérdidas, por ejemplo, con un nivel de ruido medio del display (DANL) de tan solo –150 dBm/Hz al caracterizar señales de banda ancha moduladas en la banda de ondas milimétricas. Gracias al uso de productos con frecuencia ampliada de dos de nuestros socios de soluciones, Virginia Diodes, Inc. (VDI) y OML, Inc., muchos de los generadores de señales, analizadores de señales y analizadores de redes de Keysight pueden abarcar frecuencias de entre 50 GHz y 1,5 THz. Por ejemplo, una solución recientemente implantada incluye capacidad de análisis de espectro de hasta 1,5 THz. Los productos de software de Keysight responden a la necesidad de integrar diseño, simulación, medida y análisis a frecuencias de ondas milimétricas. Las soluciones de software para diseño y simulación posibilitan un flujo de trabajo eficiente que acelera el desarrollo de dispositivos y sistemas de próxima generación. La familia EEsof EDA de Keysight incluye simuladores de circuitos, solucionadores de campo electromagnético y soluciones de modelado de dispositivos que ayudan a los ingenieros desde el primer diseño hasta el primer prototipo. De hecho, el equipo de I+D del analizador N9041B utilizó el software Advanced Design System (ADS) de Keysight para conseguir los primeros diseños correctos de filtros de ondas milimétricas empleados en la entrada del analizador.


Conclusión


Los ingenieros que trabajan en tecnología punta llevan más de 75 años confiando en Keysight para acceder más fácilmente a medidas precisas y repetibles a frecuencias cada vez más altas y anchos de banda más amplios. Hoy, la empresa reafirma su posición de vanguardia ofreciendo a los ingenieros de I+D herramientas para llevar a cabo diseños, simulaciones y medidas a frecuencias de ondas milimétricas. Productos comerciales como el analizador de señales UXA N9041B y un osciloscopio que se lanzará próximamente basado en un proceso InP de última generación dan muestra del liderazgo de Keysight en soluciones para aplicaciones de ondas milimétricas.

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