與其前代無線通信技術(shù)相比，5G擁有巨大的潛力，有望在速度、延遲、帶寬和質(zhì)量方面實(shí)現(xiàn)顯著的改進(jìn)。本文探討了毫米波頻率帶來的一些技術(shù)挑戰(zhàn)，以及這些挑戰(zhàn)對精確、可重復(fù)的測量造成的困難。本文還給出了一些策略建議，利用不同的信號路徑設(shè)置來提高信號分析儀的測量精度。
與其前代無線通信技術(shù)相比，5G擁有巨大的潛力有望實(shí)現(xiàn)顯著改進(jìn)，尤其是在速度、延遲、帶寬和質(zhì)量方面。其主要的進(jìn)步均來自對毫米波 (mmWave) 頻譜中5G FR2的充分利用。
毫米波頻譜對無線通信極具吸引力，因為這些頻段的利用率還相對較低，這意味著有足夠的帶寬空間可供開發(fā)。相比其它無線通信信號，毫米波傳輸信號波長較短，因此非常適合在擁擠的城市地區(qū)進(jìn)行高速傳輸，因為這些區(qū)域的設(shè)備密度都很高。
然而，毫米波在5G通信方面的優(yōu)勢卻因一些技術(shù)難點(diǎn)而大打折扣。首先，毫米波不能傳播得很遠(yuǎn)。毫米波信號很容易被大氣吸收，并且無法穿透樹木、建筑物墻壁和其他基礎(chǔ)設(shè)施。利用空中更新 (OTA) 測試設(shè)備和相應(yīng)方法精確測量毫米波設(shè)備的性能也很困難。5G通信另一個極具吸引力的特性，毫米波的寬帶寬，還會降低信噪比 (SNR)，因為其信號能量會擴(kuò)散至整個帶寬。最后，毫米波采用高階調(diào)制方案來提升頻譜效率，這反過來又要求改進(jìn)誤差矢量幅度(EVM)的性能。
圖1：信號分析儀功能框圖
隨著信號強(qiáng)度的降低，用于測量它的測試系統(tǒng)噪聲也會降低SNR，從而對最終結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，我們通常采用信號分析儀來應(yīng)對多種類型的測試應(yīng)用，包括高功率和低功率模式、窄帶和寬帶信號模式、頻譜或矢量模式。然而，這種多功能性將許多可能的組件引入了信號路徑，如低噪聲放大器 (LNA)、前置放大器、衰減器、預(yù)選濾波器等。應(yīng)用或調(diào)整其中一些組件可以提高不同測試場景中的測量精度。
本文探討了毫米波頻率帶來的一些技術(shù)挑戰(zhàn)，以及這些挑戰(zhàn)對進(jìn)行精確、可重復(fù)的測量造成的困難。本文還給出了一些策略建議，通過利用不同的信號路徑設(shè)置來提高信號分析儀的測量精度。
路徑損耗
路徑損耗過大是5G毫米波通信最令人頭疼和常被詬病的缺點(diǎn)之一。被測設(shè)備 (DUT) 和測量設(shè)備之間的路徑損耗會降低SNR，導(dǎo)致無法對EVM、相鄰信道功率和雜散發(fā)射等指標(biāo)進(jìn)行精確測量。
讓事情更復(fù)雜的是，組件和天線陣列的小尺寸排除了放置探頭進(jìn)行測試的可能性，因此必須采用OTA（或輻射）測試。考慮到毫米波傳輸過多的信號路徑損耗，OTA測試需要對測試裝置周圍的輻射環(huán)境進(jìn)行控制和校準(zhǔn)。
抵消信號路徑損耗需要靈活的信號分析儀硬件和軟件，以便為特定信號和測量創(chuàng)建最佳的解決方案。例如，信號分析儀可以在較高功率電平下應(yīng)用衰減器，或在較低功率電平下應(yīng)用前置放大器，以測量各種輸入信號。信號分析儀能夠提供多條RF信號路徑以降低噪聲、提高靈敏度并減少信號路徑損耗。
測量低電平信號（默認(rèn)信號路徑）
默認(rèn)情況下，信號分析儀的標(biāo)準(zhǔn)信號路徑為：輸入信號通過射頻衰減器、前置放大器和預(yù)選器，最后到達(dá)混頻器。這種信號路徑非常適合測量帶寬小于45 MHz的低電平信號。
分析寬帶矢量信號（微波預(yù)選器旁路路徑）
毫米波寬帶信號的測量尤其具有挑戰(zhàn)性。在增加RF分析帶寬以分析寬帶矢量信號時，繞過信號分析儀的預(yù)選器是一個不錯的選擇，這樣寬帶信號可以不受阻礙地通過RF鏈。繞過預(yù)選器不僅可以實(shí)現(xiàn)寬帶分析，而且還可以消除幅度漂移和預(yù)選器的通帶紋波，進(jìn)一步提高測量的整體精度。
圖2：微波預(yù)選器旁路
改善調(diào)制分析（低噪聲信號路徑）
低噪聲信號路徑非常適合進(jìn)行EVM測量，以及其他在更高功率電平下測試發(fā)射機(jī)調(diào)制質(zhì)量的測量。由于放大器的增益、頻率響應(yīng)和插入損耗會在較高頻率下復(fù)合，繞過前置放大器及其路徑中的有損開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)最佳的RF信號路徑。這條路徑減少了路徑損耗以及前置放大器和開關(guān)產(chǎn)生的頻率響應(yīng)和噪聲。在寬帶EVM測量中選擇這種信號路徑，可以實(shí)現(xiàn)更高頻率下的測量，同時提高測量靈敏度和信號保真度。
寬帶調(diào)制分析（全旁路信號路徑）
全旁路信號路徑可降低路徑損耗、提高信號保真度并提高測量靈敏度。與默認(rèn)信號路徑相比，全旁路信號路徑最多可將毫米波頻率的損耗降低10 dB。
全旁路信號路徑是低噪聲信號路徑和微波預(yù)選器旁路路徑的結(jié)合，它避開了低頻段開關(guān)電路和微波預(yù)選器中的多個開關(guān)。不過，盡管采用全旁路路徑的優(yōu)勢很明顯，但它也有一些缺點(diǎn)，比如可能產(chǎn)生帶內(nèi)成像，或降低測試低功率信號時的SNR。不過，通過添加一個帶通濾波器來消除特定頻帶中的圖像可以將EVM結(jié)果提高1到2 dB。在測試低功率信號時，外部前置放大器則可以提高SNR。
其他考量
影響5G毫米波測量精度的另一個關(guān)鍵因素是輸入混頻器的電平。信號分析儀的輸入混頻器電平設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)失真性能和噪聲靈敏度之間的平衡。如上所述，由于寬帶噪聲和過多的路徑損耗，5G毫米波信號中的SNR 會降低，從而導(dǎo)致EVM和相鄰信道功率比測量結(jié)果不佳，無法表現(xiàn)DUT的實(shí)際性能。
信號分析儀的輸入混頻器是另一種幫助應(yīng)對5G毫米波頻率測量挑戰(zhàn)的工具。最佳的混頻器電平設(shè)置取決于測量硬件、輸入信號特性和規(guī)格測試要求。也可以將外部LNA應(yīng)用到信號分析儀的前端，以優(yōu)化混頻器的輸入電平。一些新型信號分析儀（例如是德科技的N9042B UXA X系列信號分析儀）在信號路徑中包含了LNA以及前置放大器，用戶無需外部組件即可獲得利用LNA優(yōu)化混頻器輸入電平的好處。
為了獲得最佳EVM測量結(jié)果，信號分析儀的中頻 (IF) 噪聲必須足夠低，以免進(jìn)一步降低SNR。數(shù)字化儀的輸入信號必須足夠高，但又不能太高，以免數(shù)字化儀過載。最佳的平衡就如微妙的舞蹈，需要結(jié)合RF衰減器、前置放大器和基于信號峰值電平的IF增益值來決定。而采用新型信號分析儀，用戶只需按一個按鈕即可優(yōu)化這些硬件設(shè)置，提高SNR，同時避免數(shù)字化儀過載。不過，為了最優(yōu)化測量結(jié)果，通常還需要手動調(diào)整IF增益和 RF衰減器等設(shè)置以獲得最佳配置。
信號路徑中的組件
實(shí)現(xiàn)精確的5G毫米波測量還需要考慮另一個關(guān)鍵因素，即在信號分析儀和DUT之間的路徑上所有組件可能產(chǎn)生的影響。信號路徑中的組件會降低信號分析儀的整體測量精度。
圖3：所有的測試網(wǎng)絡(luò)元素都需要納入考量
隨著帶寬變得更寬并且頻率提高到毫米波頻譜中，測量精度變得更加重要。在容錯裕度變小的條件下，工程師們需要找出方法來消除頻率響應(yīng)誤差。頻率響應(yīng)誤差常發(fā)生在不同頻率之下，并影響相位和幅度響應(yīng)。信號分析儀通常會提供內(nèi)部校準(zhǔn)程序來校正其頻率響應(yīng)。
由于頻率響應(yīng)誤差，信號分析儀和DUT之間信號路徑中的電纜、連接器、開關(guān)和夾具都會降低測量的精度。使用不同的幅度校正配置和復(fù)雜的校正將有助于消除頻率響應(yīng)，從而更準(zhǔn)確地體現(xiàn)DUT的性能。
信號分析儀能夠同時配置幅度校正和復(fù)雜的校正，以修正頻率響應(yīng)（盡管還需要高性能信號發(fā)生器或矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來校準(zhǔn)測試網(wǎng)絡(luò)）。進(jìn)行幅度校正的有效方法是使用信號發(fā)生器并結(jié)合功率計和傳感器來測量幅度，然后將校正值輸入信號分析儀。專為信號分析儀接收機(jī)測量系統(tǒng)而設(shè)計的新型接收機(jī)校準(zhǔn)儀（例如是德科技的U9361 RCal）提供了一種傳輸標(biāo)準(zhǔn)，可以改善絕對幅度并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的幅度與相位校正。
圖4：頻率擴(kuò)展器連接到接收機(jī)校準(zhǔn)儀
在毫米波頻段實(shí)現(xiàn)5G精確測量
5G的前景（尤其是5G毫米波FR2頻段）毋庸置疑，它實(shí)現(xiàn)了速度、帶寬和性能的階梯式提升，并將最終帶來全新的用例和業(yè)務(wù)模型。但毫米波頻率應(yīng)用也面臨一些障礙，尤其是在路徑損耗方面，這使得進(jìn)行精確、可重復(fù)的測量變得極具挑戰(zhàn)性。了解并利用信號分析儀上的各種射頻信號路徑選擇，這將幫助您攻克測量5G毫米波時面臨的挑戰(zhàn)。
（參考原文：Using Different Signal Paths to Make Accurate 5G mmWave Measurements）
本文為《電子工程專輯》2021年11月刊雜志文章，版權(quán)所有，禁止轉(zhuǎn)載。點(diǎn)擊申請免費(fèi)雜志訂閱
責(zé)編：Luffy Liu
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