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Die Frage des K-Steckers in der 5G-Messtechnik

| Autor / Redakteur: Charles Tumbaga * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Der Mikrowellenstecker mit 2,92 mm ist für Frequenzen bis 46 GHz ausgelegt. Entscheidend ist das Design des Steckverbinders: Es kommt auf seine Frequenzskalierbarkeit an und ob der Steckverbinder die Zielfrequenz von 43,5 GHz erfüllen kann.

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Der Mobilfunkstandard 5G bietet schnellere Datenübertragung bei geringer Latzenz. Doch sind hochpräzise Messgeräte notwendig, die im Spektrum von 37 bis 43,5 GHz arbeiten.
Der Mobilfunkstandard 5G bietet schnellere Datenübertragung bei geringer Latzenz. Doch sind hochpräzise Messgeräte notwendig, die im Spektrum von 37 bis 43,5 GHz arbeiten.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Der 5G-Mobilfunkstandard ist ein großer Sprung nach vorn im Vergleich zu 4G. Der Schwerpunkt liegt nicht mehr nur auf der Kommunikation im Sub-6-GHz-Band, sondern auf mehreren Frequenzbändern, die unterschiedliche Zwecke in der Kommunikationskette erfüllen. Während die meisten aktiven (Legacy-)Frequenzbänder in die Standardfrequenzbänder von Test- und Messgeräten wie 10, 20 und 40 GHz fallen, hat das 5G-Spektrum von 37 bis 43,5 GHz ein eigenständiges Umfeld geschaffen.

Hersteller dieser Geräte haben auf die geforderte breitere Frequenzbereichsabdeckung reagiert, indem sie Geräte für Messungen bis 43,5 GHz anbieten. Eine Messung ist jedoch nur so gut wie die Komponenten, die das Signal zur und von der Testausrüstung übertragen und empfangen. Diese Komponenten sind wiederum nur so gut wie ihre Anschlüsse bzw. Steckverbinder. Daher sind Präzisionsbauteile gefragt, die den 2,92-mm-Steckverbinder (K-Stecker) nutzen, der derzeit in Testgeräten und Instrumenten bis 40 GHz verwendet wird. Gleichzeitig muss sichergestellt sein, dass eine modenfreie Leistungsfähigkeit bis 43,5 GHz bereit steht sowie eine eindeutige Rückverfolgbarkeit garantiert wird.

Warum eine Frequenz von 43,5 GHz erforderlich ist

Während die ersten 5G-NR-Implementierungen auf das Spektrum unterhalb von 6 GHz abzielen, bieten diejenigen im Millimeterwellenbereich (mmWave) über 24 GHz hohe Bandbreiten. Viele Länder sind dabei, Vorschläge für die Frequenzzuweisung von 37 bis 43,5 GHz zu unterbreiten. Die US-amerikanische FCC schlug im Juni 2018 vor, 42 bis 42,5 GHz für kommerzielle Breitbanddienste oder Festnetzdienste zu verwenden, während Brasilien und Mexiko ähnliche Vorschläge für mobile Breitbanddienste im Frequenzbereich von 37 bis 43,5 GHz vorlegten. Auch Japan und die EU haben Vorschläge im Band von 40,5 bis 43,5 GHz für ähnliche mobile Breitbandfunktionen vorgelegt (Bild 1).

Während sich viele Länder noch im Vorschlagstadium der Entwicklung von mmWave-5G-Frequenzen befinden, ist China der größte Treiber für das Frequenzinteresse bis 43,5 GHz. Das chinesische Ministerium für Industrie und Informationstechnologie (MIIT) ist bei der 5G-Entwicklung für Forschungs- und Entwicklungstests an vorderster Front dabei [1]. China hat nicht nur Frequenzen für seine 5G-Entwicklung vorgeschlagen, sondern auch F&E-Versuche zur 5G-Technologie durchgeführt und befindet sich derzeit in F&E-Produkttests (die Ende 2018 begannen).

Auswirkungen auf die Hersteller von Test- und Messgeräten

Die Änderung der Frequenzabdeckung wurde in den letzten Jahren von vielen Test- und Messgeräte-Herstellern stillschweigend berücksichtigt. Sie haben diese Frequenzoption zu ihren bestehenden und neuen Produkten hinzugefügt. Einer der vielen Aspekte bei der Frequenzabdeckung bis 43,5 GHz ist, wie der Hersteller den Nutzer an der Anschlussseite auf diese Frequenz bringt.

Es gibt es zwei Ansätze, um den Nutzer auf 43,5 GHz zu bringen:

  • Der erste Ansatz besteht darin, die Testausrüstung mit 2,4-mm-Steckern auszustatten, was einen doppelten Zweck erfüllt: In erster Linie wird damit eine Leistungsfähigkeit bis 50 GHz am Steckverbinder erzielt und die Rückverfolgbarkeit garantiert. Ein Problem bei diesem Ansatz ist jedoch, dass ein Nutzer alle Kabel, Kalibrierungskits (falls erforderlich), Adapter und alle anderen Komponenten durch solche mit einem Stecker von 2,4 mm ersetzen muss. Komponenten mit 2,4 mm sind teurer als welche mit 2,92 mm. Ein weiteres Problem sind die vielen Prüflinge mit K-Steckverbindern (2,92 mm). Nutzer müssen dann einen Adapter verwenden. Während viele Hersteller mit den 2,4-mm-Steckern einen Adapter für 2,92 mm anbieten, wird die Leistungsfähigkeit bei 43,5 GHz nicht erreicht – es sei denn, diese Lösung ist auf der 2,92-mm-Seite für 43,5 GHz ausgelegt bzw. spezifiziert. Das ist auch auf Übermodierung (Over-Moding; erzeugt Modi auf dem Steckverbinder) zurückzuführen.
  • Der zweite Ansatz besteht darin, die Instrumente mit Anschlüssen von 2,92 mm auszustatten und anzugeben, dass das Instrument bis 43,5 GHz misst – allerdings mit der Einschränkung, dass die Spezifikationen für 40 bis 43,5 GHz gemessen werden. Dieser Ansatz hat einige Nachteile, da die Steckverbinder ohne Spezifikationen wahrscheinlich nicht einzeln getestet werden und Teil eines sogenannten Catch-All-Ansatzes mit Gerätespezifikationen sind. Die Rückverfolgbarkeit mit dem gemessenen Ansatz ist nicht garantiert.

Das Steckverbinderdesign ist der wichtigste Aspekt

Zwei der wichtigsten Aspekte der elektrischen Leistungsfähigkeit eines Steckverbinders sind seine Frequenzskalierbarkeit und die Frage, ob er die Leistungsanforderungen bei der Zielfrequenz 43,5 GHz erfüllen kann. Um eine optimale elektrische Leistungsfähigkeit zu erzielen, ist die Modenausbreitung im Steckverbinder zu beachten. Bei den Abmessungen des K-Steckers mit 2,92 mm kann sich theoretisch nur der gewünschte transversale elektromagnetische Mode (TEM) für Frequenzen bis etwa 46 GHz ausbreiten.

Praktisch gesehen ist diese Grenzfrequenz aufgrund der dielektrischen Support-Beads, die einen nützlichen Einsatz des Steckverbinders ermöglichen, tatsächlich niedriger. Da sich die Wellenlänge für eine bestimmte Frequenz in diesem Dielektrikum verkürzt, können sich zusätzliche Moden bei niedrigeren Frequenzen ausbreiten, weshalb die meisten K-Steckverbinder auf 40 GHz spezifiziert sind.

Bild 2: Übermodierter Zustand an der Luft/Dielektrikum- und Bead/Luft-Schnittstelle.
Bild 2: Übermodierter Zustand an der Luft/Dielektrikum- und Bead/Luft-Schnittstelle.
(Bild: Anritsu)

Oberhalb der besprochenen Grenzfrequenz kann sich ein zusätzlicher Mode (TE11, der nicht transversal ist) ausbreiten [2], und bei noch höheren Frequenzen können sich weitere Modi ausbreiten. Dies kann ein Problem darstellen, da die Energie des Eingangssignals je nach den kleinen Unvollkommenheiten auf der Bead-Oberfläche zwischen den Moden hin und her wechseln kann. Da die Moden unterschiedliche Impedanzen und Phasengeschwindigkeiten haben, kann dies zu einer Resonanzantwort bei der Übertragung oder Reflexion führen. Der Energieaustausch ist in Bild 2 dargestellt.

Bild 3: Generisches übermodiertes Übertragungsverhalten bei 42 GHz [3].
Bild 3: Generisches übermodiertes Übertragungsverhalten bei 42 GHz [3].
(Bild: Anritsu)

Der Effekt der Übermodierung innerhalb der Steckverbinder zeigt sich bei den Messungen – was bei einer Übertragungsmessung des Steckverbinders deutlich sichtbar wird und zu einer großen Dämpfungsspitze innerhalb einer kleinen Frequenzbandbreite führt. Sobald die Modenresonanz vorbei ist (die Energiekopplung zwischen den Modi ist nicht so effizient), kehrt die Messkurve zum ursprünglichen Übertragungsweg zurück. Ein Übermodierungsverhalten an einem K-Stecker ist in Bild 3 dargestellt.

Es gibt Möglichkeiten, eine Übermodierung zu vermeiden (kleinerer Umfang des dielektrischen Beads oder optimierte Impedanz des Beads), und Schritte können unternommen werden, um die Wahrscheinlichkeit einer Energieeinkopplung in den Mode zu verringern (durch strengere andere Toleranzen usw.). Angenommen, ein Hersteller überwindet alle Hindernisse, die bei einer Übermodierung seines Steckers oberhalb von 40 GHz auftreten – besteht dann genügend Vertrauen in seine Messungen? Die Antwort darauf variiert von Anwendung zu Anwendung – je nachdem, wie streng die Testspezifikationen sein müssen. Meist stehen diese Informationen über Datenblätter bereit, in denen die Leistungsfähigkeit als harte oder gemessene Spezifikation qualifiziert ist.

Gemessene kontra spezifizierte Leistungsfähigkeit

Ein Begriff für die Festlegung elektrischer Spezifikationen, der sich für den Bereich von 40 bis 43,5 GHz von Test- und Messausrüstung immer häufiger durchsetzt, lautet gemessen. Solch eine gemessene oder charakteristische Spezifikation bezieht sich auf Messungen, die einen vernünftigen Datensatz geliefert haben, der mit einem gewissen Grad an Zuverlässigkeit quantifiziert und als repräsentativ für alle Einheiten bestimmt werden kann. Das ist kein ungewöhnlicher Ansatz zum Festlegen elektrischer Spezifikationen. Der Unterschied zwischen den bereitgestellten gemessenen Daten und den Spezifikationen unter 40 GHz besteht jedoch darin, dass das Unsicherheitsbudget durch eine ununterbrochene Kette der Rückverfolgbarkeit klar definiert ist, während dies bei Messungen zwischen 40 und 43,5 GHz generell nicht der Fall ist.

Für Hersteller kann das Unsicherheitsbudget wichtig sein, da eine Messung an ihrem Produkt bzw. System entweder die Konformität oder Nichtkonformität zu einer bestimmten erforderlichen Spezifikation feststellt.

Was ist Rückverfolgbarkeit und warum ist sie wichtig?

Wie erwähnt, ist die Rückverfolgbarkeit hilfreich beim Erstellen eines soliden Unsicherheitsbudgets. Sie ist jedoch auch ein Qualitätssicherungssystem, dessen Ergebnisse an ein anerkanntes nationales Messinstitut wie NIST oder METAS gebunden werden können.

Nicht alle Steckverbinder können rückverfolgbar sein. Ein Beispiel ist der SMA-Stecker (SubMiniature Version A). Er wird zwar häufig verwendet, gilt aber aufgrund seiner dielektrischen Schnittstelle, der fehlenden Standardisierung und geringen Wiederholbarkeit nicht als rückverfolgbar. Aus diesem Grund unterstützen SMA-Steckverbinder keine Präzisionsmessungen.

Bild 4: Pfad für die Rückverfolgbarkeit von HF-Steckverbindern.
Bild 4: Pfad für die Rückverfolgbarkeit von HF-Steckverbindern.
(Bild: Anritsu)

Die grundlegenden Eigenschaften des K-Steckverbinders unterstützen die Rückverfolgbarkeit – und bei sorgfältigem Design angemessene und dokumentierbare Unsicherheiten bis 43,5 GHz. Der grundlegendste Aspekt der Rückverfolgbarkeit für den Steckverbinder ist die Impedanz, die von den Abmessungen und der strengen Kontrolle der Luftleiter abhängt, die zur Messung der Steckverbinder verwendet werden. Die genauen Abmessungen werden mit rückverfolgbaren Werkzeugen wie Lasermikrometern, Koordinatenmessgeräten und Luftdruckmessgeräten ermittelt. Sobald diese Messungen durchgeführt wurden, besteht der nächste Schritt bei der Bestimmung der Rückverfolgbarkeit darin, die Leistungsfähigkeit des Luftleiters über Kalibrierungskits und andere Komponenten mit dem einzelnen Steckverbinder zu verknüpfen. Einige der Messgrößen, die zur Bewertung der Steckverbinder verwendet werden, sind im IEEE-P287-Standard für Koaxsteckverbinder aufgeführt [4]. Bild 4 beschreibt einen allgemeinen Pfad für die Rückverfolgbarkeit.

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Details und Anmeldung zur 5G Conference

K-Steckverbinder und rückverfolgbare 43,5-GHz-Messungen

Mit all den Anforderungen, die zwischen dem Design eines zuverlässigen Steckverbinders bis 43,5 GHz und seiner Rückverfolgbarkeit bestehen, hat Anritsu eine neue Steckverbinderfunktion entwickelt: Extended-K. Extended-K-Komponenten verwenden Steckverbinder mit 2,92 mm, bieten rückverfolgbare Spezifikationen bis 43,5 GHz ohne Übermodierung und erfordern keine hohen Investitionen beim Umstieg auf Steckverbinder mit 2,4 mm. Der Hersteller Anritsu bietet ein tragbares Thru-Open-Short-Load-Kalibrierungskit für Stecker und Buchsen an (TOSLK50A-43.5 und TOSLKF50A-43.5). Dieses Kit bietet eine auf .s1p-Daten basierende Kalibrierunterstützung, um Reflexions- und Übertragungsreste bei der Kalibrierung zu verbessern.

Die Adapter der Serie 33K sind phaseneinschiebbar und bieten Flexibilität bei der Kalibrierung und Messung bis 43,5 GHz. Die halbstarren 3670AK-Testanschlusskabel bieten die Extended-K-Funktion, hervorragende Spezifikationen und eine modenfreie Leistungsfähigkeit bis 43,5 GHz. Für Anwender, die über Testanschlüsse mit 2,4 mm verfügen und 43,5 GHz erreichen sowie Kompatibilität für vorhandene Komponenten bieten müssen, können die Adapter mit 34 kV das erfüllen. Die 34K-Adapter sind ebenfalls rückverfolgbar. Die ShockLine VNAs bieten ebenfalls Extended-K-Funktionen bis 43,5 GHz. Sie sind die wesentlichen Test- und Prüfgeräte bei der Fertigung von Instrumenten für S-Parameter-Tests und bieten in Kombination mit allen anderen Extended-K-Komponenten ein vollständiges System modenfreier Leistungsfähigkeit und eine ununterbrochene Kette der Rückverfolgbarkeit bis zu einem nationalen Messinstitut.

Referenzen

[1] 5G Americas, „5G Spectrum Vision“, Feb. 2019.

[2] Williams, B. (Mai 2004) ANAMET Report 044, „Overmoding transmission characteristics of Type-N connector 7 mm line between 18 and 26.5 GHz“, Middlesex, UK, National Physics Laboratory.

[3] Fuks, R. (2001), „New Dielectric Bead for Millimeter-wave Coaxial Components“, Microwave Journal, 13.

[4] IEEE Instrumentation and Measurement Society, „IEEE Standard for Precision Coaxial Connectors (DC to 110 GHz)“, New York, NY: Office Headquarters, 2007.

* Charles Tumbagae arbeitet bei Anritsu in Morgan Hill, Kalifornien/USA.

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