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毫米波系统复杂度激增 OTA测试挑战加剧
市场需要更灵活的测试方案

【作者: 王岫晨】2019年09月12日 星期四

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5G蜂巢式通讯、军用和汽车雷达,以及 IEEE 802.11ad 和 802.11ay 等下一代无线系统的宽频需求,推动了毫米波频段(mmWave)的发展,让业界能够从这些频段中获得更多的连续频谱。


毫米波频率的测试可能比您预期的难很多,许多在较低频率下可忽略不计的因素,现在都成了影响成功与否的关键要素。如此一来,量测准确度和可重复性变得至关重要。举例而言,毫米波波长对缆线和连接器误差非常敏感,因此了解如何对每个连接进行多次量测,有助於消除量测不确定性。


5G系统的多方面变革

为满足网路需求,下一代5G蜂巢式网路承诺在网路容量、资料速率和延迟方面进行革命性改良,并且大大提高网路的灵活性和效率。与此同时,网路业者的营运和基础设施成本也将大幅降低。想要实现这些具有挑战性的目标,将需要从蜂巢式生态系统的各方面进行广泛和多方面的变革,包括从晶片组和装置到基地台和小型蜂巢,从去程和回程网路到网路管理和资料中心性能等。


许多新技术如网路功能虚拟化(NFV)自适应波束形成和波束追踪技术,与4G LTE的紧密整合以及行动装置的新设计,将被开发并用於提高网路性能,但它们本身并不足够。完全实现5G愿景将需要更多的额外频谱。尽管已经确定了6 GHz以下的额外频谱,并且在某些国家已经分配用於蜂巢式通信,但是在24 GHz以上的毫米波频段可以获得更大的连续频谱。



图一 :  6GHz以上NR部署的候选频段(source:keysight.com)
图一 : 6GHz以上NR部署的候选频段(source:keysight.com)

一般来说,6 GHz以上的频段可统称为毫米波。尽管可以说不是严格的5G,但是在这些领域的工作正在进行中,并且在28 GHz和39 GHz频段带来了许多类似的挑战,这些挑战正推动着今日的5G NR的开发。


决策者分配的新频谱数量为更高容量、更高资料速率和更低延迟,提供了一条看似直观的路径。然而,任何额外的毫米波频谱都会造成不同的後果和折衷。将毫米波装置纳入网路,将引入新的复杂性并需要发展新的技术,并将推动新的辐射或空中(OTA)测试要求。


毫米波网路的技术挑战

了解实际环境中毫米波的传输特性是5G NR UE和基地台(gNB)的核心设计基础。随着波长变小,诸如绕射、散射、材料穿透损耗和自由空间路径损耗等物理过程都使得毫米波波段的通道特性与今日的6GHz以下波段明显不同。基於通道量测(探量),通道模型已经在2G到4G之间开发了很多年,最初提出了非空间模型,但是随着时间逐渐演变为3D空间模型。


3GPP关於频率的5G通道模型的研究,从0.5到100 GHz考量了城市微观、城市宏观、室内、回程、装置对装置(D2D),车辆对车辆(V2V)和体育场等几种情景。毫米波通道中的空间群聚和每个群聚中的多路径元件的数量,以及空间动力学,对网路元件的设计具有深远的影响。


例如,如果通道模型定义了空间丰富的信道,则天线波束控制的要求并不那麽重要,并且许多本徵模式将可用於单用户 MIMO(SU-MIMO),但由於增加了这麽多的多路径信号而导致的快速衰减将会很复杂。另一方面,较空旷的通道将包含极少的本徵模式,衰减更少但需要更好的波束控制。这就是为什麽实际的通道建模对於设备设计和定义真实而有用的测试用例都很重要的原因。自从毫米波通道建模活动发布以来,公司、大学和政府机构一直在努力提高对毫米波通道及其特性的理解。


相位阵列技术、波束成形和波束控制

相位阵列天线是建立窄波束(波束成形)并将其动态指向所需方向(波束控制)的实用和低成本方法。它们能够在没有机械运动的情况下进行波束控制,并且可??成为用於基地台和UE的毫米波原理天线。相位阵列天线由较小的天线元件形成,例如单一个贴片或偶极子。藉由改变施加到各个元件信号的相对相位和振幅,天线阵列可以在选定的方向上成形和控制波束。


5G网路正在考虑三种类型的波束成形架构:数位(在基频中实现),类比(在IF或RF中实现)以及混合。三者各有其优点。出於成本和功率的原因,预计UE中的波束成形是采用类比,而基地台的波束成形可以是类比、数位或混合。


无线电和天线整合以及消除射频连接器

想要实现具有挑战性的5G NR目标,将需要从蜂巢式生态系统的各方面进行广泛和多方面的变革。

许多因素促成了5G毫米波装置整合度的提高。这些因素是相互关联的,并且由高频率、大量天线元件、对信号路径衰减最小化的需要以及降低成本的需求等等所驱动。由此产生的整合的一个重要後果是无线电分配网路电路和天线系统之间边界处的传统射频连接器无法再部署。


用於将来自无线电的毫米波信号连接到天线的分配网路必须非常轻便,特别是在手持式装置和其他用户端设备中。因此,用於5G毫米波装置的收发器系统将直接与天线阵列整合。在这类型的装置中,不再可能有启用传导测试的连接器或探测点;相反地,绝大多数测试现在必须为完好的 OTA。


装置校验

为OTA校验相位阵列装置(Tx和Rx路径)的相位和增益状态建立一种方法进行OTA一项关键的研发活动。需要校验以确保从UE和基地台发送的波束在所需的指向角度范围内产生正确的波束宽度或增益,满足功率输出限制并且波束成形特性按预期运行。这些特性包括粗略/精细解析度扫描操作、扫描角度准确度和增益平坦度补偿。



图二 : 相位阵列的基本操作(source:keysight.com)
图二 : 相位阵列的基本操作(source:keysight.com)

OTA校验选择的方法取决於装置架构和装置的控制介面。例如,如果可以独立控制每个单独的天线元件,则可以量测和校正天线元件之间的相对相位。如果天线元件只能以区块或行列进行控制,则需要更复杂的校验程式。


新式OTA测试对毫米波的影响

透过上述的内容,可以清楚地了解,5G NR系统使用毫米波频率增加了网路中使用的装置和无线接入网路本身操作的复杂性。测试系统将在 5G NR 的开发和验证中发挥关键作用,从研发到相符性测试、制造和安装以及维护。高阶的无线电和天线整合意味着大部分测试将是OTA,而各种测试需求(功能、准确度、尺寸和成本)需要相应灵活的测试解决方案。


(本文叁考资料:是德科技毫米波5G NR装置和系统OTA测试白皮书)


解决方案

是德科技宽频毫米波网路分析仪N5290/91A


图三 : 是德科技宽频毫米波网路分析仪N5290/91A
图三 : 是德科技宽频毫米波网路分析仪N5290/91A图片来源:keysight.com

是德科技:「新的网路分析仪解决方案提供计量级效能和稳定度!」


是德科技(Keysight)宽频毫米波网路分析仪解决方案,可提供频率高达120GHz的系统级准确度。新的 Keysight N5290/91A解决方案可产生计量级结果,让尖端开发人员能够自信地分析其毫米波设计。该解决方案善用是德科技经过产业验证的计量专业知识提供校验功能。这项功能基於支援1.0 mm校验套件和1.0 mm验证套件的改良後准确度资料库。在此坚实基础上,新的宽频毫米波解决方案提供可追溯至国家计量机构的量测结果。


该系统的核心元件是德科技的PNA或PNA X网路分析仪,搭配N5293A系列小型展频器和N5292A测试仪控制器。为了简化桌上型量测,工程师可在选配的桌面定位器上安装展频器。


安立知VectorStar系列MS4640B向量网路分析仪


图四 : 安立知VectorStar系列MS4640B向量网路分析仪
图四 : 安立知VectorStar系列MS4640B向量网路分析仪图片来源:anritsu.com

安立知:「我们提供最出色的整体效能!」


VectorStar系列是Anritsu的高阶向量网路分析仪系列,在现代化工作平台上提供最出色的整体效能。MS4640B VectorStar向量网路分析仪在单一仪器中提供70kHz~70GHz的最宽频率范围,不仅支援高达70GHz的频率覆盖范围,低频端更可提供加倍的效能。


IMDView提供灵活的选单栏,可於修改关键 IMD 叁数时,同时显示实时量测。其内部组合选项提供在单一连接中 S 叁数及 IMD 量测之间变换的能力,无需重新连接 DUT。PulseView(脉冲检视)组合创新式中频 (IF) 数位化选项,能够提供业界领先的 2.5 ns 脉冲解析度和 100 dB 动态范围,具可变的占空比,可维持相同的动态范围。PulseView 能够提供脉冲度量的即时显示,且能够同时为即时的设计验证动态变更脉冲叁数。


罗德史瓦兹ZNA高阶向量网路分析仪


图五 : 罗德史瓦兹ZNA高阶向量网路分析仪
图五 : 罗德史瓦兹ZNA高阶向量网路分析仪图片来源:rohde-schwarz.com

罗德史瓦兹:「ZNA可将量测的设置时间缩到最短!」


罗德史瓦兹(R&S)推出ZNA新一代高阶向量网路分析仪,具有出色的射频性能和独特的硬体设计概念,可简化量测设置。其出色的量测稳定性和低量测曲线杂讯让使用者能够对主动和被动元件和模组进行严格的量测。凭藉以待测物为中心的操作方式、全球第一款完全采用触控操作的创新设计,R&S ZNA向量网路分析仪可将量测的设置时间缩到最短。


新一代的R&S ZNA高阶向量网路分析仪是一款功能强大的通用测试平台,用於量测主、被动待测物之特性。R&S ZNA目前共有两种型号R&S ZNA26 (10MHz至26.5GHz)及R&S ZNA43(10MHz至43.5GHz) ,提供146dB(一般值)的量测动态范围,在1 kHz中频(IF)频宽下的曲线杂讯低至0.001 dB。这两个特点对於高抗拒滤波器的量测至关重要。


NI PXIe-5632向量网路分析器


图六 : NI PXIe-5632向量网路分析器
图六 : NI PXIe-5632向量网路分析器图片来源:ni.com

国家仪器:「NI向量网路分析仪可提供精准的RF效能!」


NI针对精巧的模组化PXI平台提供了向量网路分析仪(VNA)功能,可提供极为精准的RF效能。其具备了300kHz~8.5GHz的频率范围、10Hz到500kHz的IF频宽、超过110dB的动态范围、-30到+15dBm的来源功率范围、双源架构具备独立频率与功率调整功能等。


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