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毫米波系統複雜度激增 OTA測試挑戰加劇
市場需要更靈活的測試方案

【作者: 王岫晨】   2019年09月12日 星期四

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5G蜂巢式通訊、軍用和汽車雷達,以及 IEEE 802.11ad 和 802.11ay 等下一代無線系統的寬頻需求,推動了毫米波頻段(mmWave)的發展,讓業界能夠從這些頻段中獲得更多的連續頻譜。


毫米波頻率的測試可能比您預期的難很多,許多在較低頻率下可忽略不計的因素,現在都成了影響成功與否的關鍵要素。如此一來,量測準確度和可重複性變得至關重要。舉例而言,毫米波波長對纜線和連接器誤差非常敏感,因此了解如何對每個連接進行多次量測,有助於消除量測不確定性。


5G系統的多方面變革

為滿足網路需求,下一代5G蜂巢式網路承諾在網路容量、資料速率和延遲方面進行革命性改良,並且大大提高網路的靈活性和效率。與此同時,網路業者的營運和基礎設施成本也將大幅降低。想要實現這些具有挑戰性的目標,將需要從蜂巢式生態系統的各方面進行廣泛和多方面的變革,包括從晶片組和裝置到基地台和小型蜂巢,從去程和回程網路到網路管理和資料中心性能等。


許多新技術如網路功能虛擬化(NFV)自適應波束形成和波束追蹤技術,與4G LTE的緊密整合以及行動裝置的新設計,將被開發並用於提高網路性能,但它們本身並不足夠。完全實現5G願景將需要更多的額外頻譜。儘管已經確定了6 GHz以下的額外頻譜,並且在某些國家已經分配用於蜂巢式通信,但是在24 GHz以上的毫米波頻段可以獲得更大的連續頻譜。



圖一 :  6GHz以上NR部署的候選頻段(source:keysight.com)
圖一 : 6GHz以上NR部署的候選頻段(source:keysight.com)

一般來說,6 GHz以上的頻段可統稱為毫米波。儘管可以說不是嚴格的5G,但是在這些領域的工作正在進行中,並且在28 GHz和39 GHz頻段帶來了許多類似的挑戰,這些挑戰正推動著今日的5G NR的開發。


決策者分配的新頻譜數量為更高容量、更高資料速率和更低延遲,提供了一條看似直觀的路徑。然而,任何額外的毫米波頻譜都會造成不同的後果和折衷。將毫米波裝置納入網路,將引入新的複雜性並需要發展新的技術,並將推動新的輻射或空中(OTA)測試要求。


毫米波網路的技術挑戰

了解實際環境中毫米波的傳輸特性是5G NR UE和基地台(gNB)的核心設計基礎。隨著波長變小,諸如繞射、散射、材料穿透損耗和自由空間路徑損耗等物理過程都使得毫米波波段的通道特性與今日的6GHz以下波段明顯不同。基於通道量測(探量),通道模型已經在2G到4G之間開發了很多年,最初提出了非空間模型,但是隨著時間逐漸演變為3D空間模型。


3GPP關於頻率的5G通道模型的研究,從0.5到100 GHz考量了城市微觀、城市宏觀、室內、回程、裝置對裝置(D2D),車輛對車輛(V2V)和體育場等幾種情景。毫米波通道中的空間群聚和每個群聚中的多路徑元件的數量,以及空間動力學,對網路元件的設計具有深遠的影響。


例如,如果通道模型定義了空間豐富的信道,則天線波束控制的要求並不那麼重要,並且許多本徵模式將可用於單用戶 MIMO(SU-MIMO),但由於增加了這麼多的多路徑信號而導致的快速衰減將會很複雜。另一方面,較空曠的通道將包含極少的本徵模式,衰減更少但需要更好的波束控制。這就是為什麼實際的通道建模對於設備設計和定義真實而有用的測試用例都很重要的原因。自從毫米波通道建模活動發布以來,公司、大學和政府機構一直在努力提高對毫米波通道及其特性的理解。


相位陣列技術、波束成形和波束控制

相位陣列天線是建立窄波束(波束成形)並將其動態指向所需方向(波束控制)的實用和低成本方法。它們能夠在沒有機械運動的情況下進行波束控制,並且可望成為用於基地台和UE的毫米波原理天線。相位陣列天線由較小的天線元件形成,例如單一個貼片或偶極子。藉由改變施加到各個元件信號的相對相位和振幅,天線陣列可以在選定的方向上成形和控制波束。


5G網路正在考慮三種類型的波束成形架構:數位(在基頻中實現),類比(在IF或RF中實現)以及混合。三者各有其優點。出於成本和功率的原因,預計UE中的波束成形是採用類比,而基地台的波束成形可以是類比、數位或混合。


無線電和天線整合以及消除射頻連接器

想要實現具有挑戰性的5G NR目標,將需要從蜂巢式生態系統的各方面進行廣泛和多方面的變革。

許多因素促成了5G毫米波裝置整合度的提高。這些因素是相互關聯的,並且由高頻率、大量天線元件、對信號路徑衰減最小化的需要以及降低成本的需求等等所驅動。由此產生的整合的一個重要後果是無線電分配網路電路和天線系統之間邊界處的傳統射頻連接器無法再部署。


用於將來自無線電的毫米波信號連接到天線的分配網路必須非常輕便,特別是在手持式裝置和其他用戶端設備中。因此,用於5G毫米波裝置的收發器系統將直接與天線陣列整合。在這類型的裝置中,不再可能有啟用傳導測試的連接器或探測點;相反地,絕大多數測試現在必須為完好的 OTA。


裝置校驗

為OTA校驗相位陣列裝置(Tx和Rx路徑)的相位和增益狀態建立一種方法進行OTA一項關鍵的研發活動。需要校驗以確保從UE和基地台發送的波束在所需的指向角度範圍內產生正確的波束寬度或增益,滿足功率輸出限制並且波束成形特性按預期運行。這些特性包括粗略/精細解析度掃描操作、掃描角度準確度和增益平坦度補償。



圖二 : 相位陣列的基本操作(source:keysight.com)
圖二 : 相位陣列的基本操作(source:keysight.com)

OTA校驗選擇的方法取決於裝置架構和裝置的控制介面。例如,如果可以獨立控制每個單獨的天線元件,則可以量測和校正天線元件之間的相對相位。如果天線元件只能以區塊或行列進行控制,則需要更複雜的校驗程式。


新式OTA測試對毫米波的影響

透過上述的內容,可以清楚地瞭解,5G NR系統使用毫米波頻率增加了網路中使用的裝置和無線接入網路本身操作的複雜性。測試系統將在 5G NR 的開發和驗證中發揮關鍵作用,從研發到相符性測試、製造和安裝以及維護。高階的無線電和天線整合意味著大部分測試將是OTA,而各種測試需求(功能、準確度、尺寸和成本)需要相應靈活的測試解決方案。


(本文參考資料:是德科技毫米波5G NR裝置和系統OTA測試白皮書)


解決方案

是德科技寬頻毫米波網路分析儀N5290/91A


圖三 : 是德科技寬頻毫米波網路分析儀N5290/91A
圖三 : 是德科技寬頻毫米波網路分析儀N5290/91A圖片來源:keysight.com

是德科技:「新的網路分析儀解決方案提供計量級效能和穩定度!」


是德科技(Keysight)寬頻毫米波網路分析儀解決方案,可提供頻率高達120GHz的系統級準確度。新的 Keysight N5290/91A解決方案可產生計量級結果,讓尖端開發人員能夠自信地分析其毫米波設計。該解決方案善用是德科技經過產業驗證的計量專業知識提供校驗功能。這項功能基於支援1.0 mm校驗套件和1.0 mm驗證套件的改良後準確度資料庫。在此堅實基礎上,新的寬頻毫米波解決方案提供可追溯至國家計量機構的量測結果。


該系統的核心元件是德科技的PNA或PNA X網路分析儀,搭配N5293A系列小型展頻器和N5292A測試儀控制器。為了簡化桌上型量測,工程師可在選配的桌面定位器上安裝展頻器。


安立知VectorStar系列MS4640B向量網路分析儀


圖四 : 安立知VectorStar系列MS4640B向量網路分析儀
圖四 : 安立知VectorStar系列MS4640B向量網路分析儀圖片來源:anritsu.com

安立知:「我們提供最出色的整體效能!」


VectorStar系列是Anritsu的高階向量網路分析儀系列,在現代化工作平台上提供最出色的整體效能。MS4640B VectorStar向量網路分析儀在單一儀器中提供70kHz~70GHz的最寬頻率範圍,不僅支援高達70GHz的頻率覆蓋範圍,低頻端更可提供加倍的效能。


IMDView提供靈活的選單欄,可於修改關鍵 IMD 參數時,同時顯示實時量測。其內部組合選項提供在單一連接中 S 參數及 IMD 量測之間變換的能力,無需重新連接 DUT。PulseView(脈衝檢視)組合創新式中頻 (IF) 數位化選項,能夠提供業界領先的 2.5 ns 脈衝解析度和 100 dB 動態範圍,具可變的占空比,可維持相同的動態範圍。PulseView 能夠提供脈衝度量的即時顯示,且能夠同時為即時的設計驗證動態變更脈衝參數。


羅德史瓦茲ZNA高階向量網路分析儀


圖五 : 羅德史瓦茲ZNA高階向量網路分析儀
圖五 : 羅德史瓦茲ZNA高階向量網路分析儀圖片來源:rohde-schwarz.com

羅德史瓦茲:「ZNA可將量測的設置時間縮到最短!」


羅德史瓦茲(R&S)推出ZNA新一代高階向量網路分析儀,具有出色的射頻性能和獨特的硬體設計概念,可簡化量測設置。其出色的量測穩定性和低量測曲線雜訊讓使用者能夠對主動和被動元件和模組進行嚴格的量測。憑藉以待測物為中心的操作方式、全球第一款完全採用觸控操作的創新設計,R&S ZNA向量網路分析儀可將量測的設置時間縮到最短。


新一代的R&S ZNA高階向量網路分析儀是一款功能強大的通用測試平台,用於量測主、被動待測物之特性。R&S ZNA目前共有兩種型號R&S ZNA26 (10MHz至26.5GHz)及R&S ZNA43(10MHz至43.5GHz) ,提供146dB(一般值)的量測動態範圍,在1 kHz中頻(IF)頻寬下的曲線雜訊低至0.001 dB。這兩個特點對於高抗拒濾波器的量測至關重要。


NI PXIe-5632向量網路分析器


圖六 : NI PXIe-5632向量網路分析器
圖六 : NI PXIe-5632向量網路分析器圖片來源:ni.com

國家儀器:「NI向量網路分析儀可提供精準的RF效能!」


NI針對精巧的模組化PXI平台提供了向量網路分析儀(VNA)功能,可提供極為精準的RF效能。其具備了300kHz~8.5GHz的頻率範圍、10Hz到500kHz的IF頻寬、超過110dB的動態範圍、-30到+15dBm的來源功率範圍、雙源架構具備獨立頻率與功率調整功能等。


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