A Traceable K Connector for 43.5 GHz Measurements

Charles Tumbaga，安立公司，美国加利福尼亚州摩根希尔

5G移动通信标准相对于其前身4G是一大飞跃。应用的重点不再局限于sub-6GHz的通信领域，而是在通信链中容纳了更多的不同应用频段。而大部分已使用的频段均有了标准测试设备，例如10GHz、20GHz和40GHz频段，从37GHz到43.5GHz的5G毫米波频谱产生了新的测量设备需求。测试与测量(T&M)设备制造商已经发布了43.5GHz的设备来满足更广泛频率覆盖的需求。然而，测量结果要多好，就需要与测试设备相互传输信号的组件有多好，也需要这些组件的连接器有多好。要精确地测量43.5GHz，就需要利用目前可工作到40GHz的2.92 mm (即K型)连接器，同时提供可工作到43.5GHz的无模（mode-free）性能和清晰的可追溯途径。

为何选择43.5GHz？

尽管许多最初的5G部署使用sub-6GHz频段，但毫米波(即24GHz及以上)却有着更大带宽的优势。许多国家正在将37-43.5GHz范围的频谱分配给5G毫米波通信(参见图1)。2018年6月，美国联邦通信委员会(FCC)提出宽带或固定无线服务使用42~42.5GHz频段，而巴西和墨西哥也提出了类似的建议，将37-43.5GHz频段用于移动宽带服务。日本和欧盟也提议在40.5-43.5GHz频段应用类似的移动宽带服务。中国可能是采用高达43.5 GHz频率毫米波应用的最大推动者。中国工业和信息化部在5G研发测试方面一直走在前列。除了规划5G频谱，中国还进行了研发试验，并于2018年底开始进行此类产品的验证。

图1：各国5G毫米波频谱规划和应用¹

在过去的几年里，这种频率扩展已经被许多测试与测量公司悄然采用，将这种频率选件添加到现有和新产品中。提供43.5GHz测量的众多方面之一是连接器接口，即用户设备与测试设备之间的接口。目前，有两种方法可以让用户用到43.5 GHz：

测试设备上选用2.4mm连接器——这种方法有双重优势。首先，该连接器满足50GHz的工作性能，其次建立了可追溯性。然而，这种方法面临的一个问题是，用户必须将所有电缆、转接器、校准工具和其他组件替换为2.4mm连接器接口。这样做的代价是非常昂贵的，因为2.4mm连接器通常比2.92mm连接器更昂贵。另一个问题是，许多待测件用的是2.92 mm(K)连接器，这意味着用户必须添加额外的转接器才能将测试设备上的2.4 mm连接器和待测件上的2.92 mm连接器相连。虽然大多数使用2.4mm连接器的制造商都提供到2.92 mm的转接器，但是除非该转接器在2.92mm端指明可用至43.5 GHz，否则43.5GHz的性能受限于连接器上产生的过模（over-moding）限制而无法得到保证。这将在下文继续讨论。

测试设备上选用2.92 mm连接器——第二种方法是在设备上使用2.92mm连接器，但需要注意的是，从40GHz到43.5GHz之间，这种连接器无法追溯，并且标称的性能是“测量”所得。这种方法的缺点是连接器很可能无法单独测试，只能将其作为待测件一部分进行“整体”测量。

过模

连接器电气性能的两个最重要指标是它的频率可扩展性，以及它是否满足43.5GHz频率所需的性能。为了获取最佳性能，应该防止部分模式在连接器中的传播。对于2.92mm(K)连接器，理论上只有横电磁(TEM)波可以传播到最高大约46GHz。实际上，截止频率会更低：介质支撑珠需要兼顾连接器的机械稳定性，而且由于波长在介质中比空气中的要短，其余模式的电磁波也可以在46GHz以下传播。这就是为什么K型连接器通常标称最高工作在40GHz。

在截止频率以上，一个额外的模式——TE11模也会传播，它不是横向的，与其他模式的波一样在更高的频率传播²。这是一个问题，由于输入信号的能量可以在不同模式之间转换，而这种转换是由支撑珠表面的微小缺陷引起的(如图2所示)。连接器里面的过模现象在测量过程中可以被揭示出来。在连接器进行传输测量时清晰可见，如图3所示，在窄带内出现的大衰减峰值即是。一旦错过了频率谐振——模式之间的能量耦合效率不高——能量就会被反射回原来的传输路径。

图2：介质支撑珠的过模现象

图3：过模导致的42GHz处的传输响应³

通过减小介质支撑珠周长，优化支撑珠的阻抗，通过缩小公差来减小能量耦合进传输模的机会，可以防止过模的出现。假设一个制造商克服了所有的障碍，设计了一个2.9mm的连接器，不会在43.5GHz产生过模，这是否能在测量中提供足够的置信度？答案将会因不同的应用而异，这取决于测试规范的严格程度。这个信息会在数据手册中说明。

为什么可追溯性如此重要？

在测量仪器的40~43.5 GHz频率范围内的电气规范中使用的一个术语是“测得的指标”。一个测得的指标或特征指标是能提供一组数据的测量结果，而这些数据能以一定的置信度被量化，并用于表征所有的设备。虽然这种测量电气指标的方法并不少见，而且正在变得越来越普遍，但是测量40GHz频率以下的指标与测量40GHz频率以上的指标的方法之间的区别就是可追溯性。在40GHz以下，不确定性预算是通过一个完整的可追溯的途径来明确定义的；40~43.5 GHz之间的测量结果通常没有相同的置信度。对于制造商来说，不确定性可能是重要的，因为产品的测量结果将确定它是否能通过测试规范的要求。

虽然可追溯性是建立可靠的不确定性预算的途径，但更重要的是：与美国国家标准技术研究所(NIST)或瑞士联邦计量研究院(METAS)等公认的国家计量机构相关联的质量保证体系。并非所有连接器都是可追溯的，例如SMA连接器。尽管该连接器被广泛使用，但由于其介电材料的不规范、重复性差，通常被认为是不可追溯的。这就是SMA连接器不能提供精确测量结果的原因。

幸运的是，K型连接器的基本特性保证了其可追溯性，并且经过精心设计，可以将合理的、可记录的不确定性的频率范围提高到43.5GHz。连接器可追溯性最基本的方面是阻抗，这取决于用于测量连接器的空气线（airline）的尺寸评估和控制。尺寸测量使用可追溯的工具，如激光测距仪、坐标测量装置和空气计（air gage）。一旦这些测量完成，下一步就是通过校准工具和其他组件将空气线性能传递到单个连接器（如图4所示）。IEEE P287同轴连接器标准中列出了用于评估连接器的一些测量指标⁴。

图4：射频连接器的追溯途径

可追溯的K型连接器

为了设计可追溯的43.5 GHz连接器，安立公司设计了一种新的连接器功能，称为扩展K™（Extended-K™）。带有2.92mm连接器的扩展K型组件不会过模，提供43.5GHz的可追溯指标，从而避免将测量系统迁移到2.4mm连接器所带来的昂贵投资。安立公司提供完整的43.5 GHz的K型连接器测量系统，包括测试端口电缆、2.4 mm转接器、便携式TOSL校准工具(公母兼有)和安立公司的ShockLine™矢量网络分析仪(具有扩展K型功能)。安立公司的转接器也是可追溯的，使用户可量化测量不确定性预算。

参考文献

1. “5G Spectrum Vision,” 5G Americas, February 2019, www.5gamericas.org/fles/4015/4958/3330/5G_Americas_5G_Spectrum_Vision_Whitepaper.pdf.

2. B. Williams, “ANAMET Report 044: Overmoding Transmission Characteristics of Type-N Connector 7 mm Line Between 18 and 26.5 GHz,” National Physics Laboratory, Middlesex, U.K., May 2004, resource.npl.co.uk/docs/networks/anamet/members_only/publications/report_044.pdf.

3. R. Fuks, “New Dielectric Bead for Millimeter-Wave Coaxial Components,” Microwave Journal, May 1, 2001, www.microwavejournal.com/articles/3205.

4. “IEEE Standard for Precision Coaxial Connectors (DC to 110 GHz),” IEEE Instrumentation and Measurement Society, New York, N.Y., 2007.