信号分析仪在5G毫米波测量中的灵活应用
- 2021/7/6 10:24:40 11314
- 来源：贤集网
5G 频率范围 2 (FR2) 的部署才刚刚开始。随着毫米波部署上线，消费者将受益于更快的数据速率和更宽的带宽。毫米波信号的更高频率会在部署和测试设置中带来信号损失。但是，您可以最大限度地减少信号损失并改进测量。
大多数(但不是全部)FR2 位于毫米波频谱中，目前定义为 24.25 GHz 至 52.6 GHz。如图 1 所示，毫米波频谱通常被认为是位于 30 GHz 和 300 GHz 之间的频谱频段。
毫米波频率范围内的可用带宽量可实现巨大的上行链路和下行链路速度，而毫米波传输的相对较小的尺寸使毫米波非常适合在具有许多设备的密集城市环境中运行。简而言之，FR2 是 5G 承诺的大部分优势所在，包括我们今天所知的标准无线通信的速度、带宽和延迟，以及支持全新的用例。
毫米波的前景伴随着权衡，包括路径损耗(由于毫米波信号传播不良)、增加的信号噪声(由于宽带信号固有的高噪声水平)和较差的频率响应(由于误差幅度很小)宽带信号)。更复杂的问题是，为毫米波设备设计的组件非常紧凑和紧密集成，以至于没有地方可以探测，这就产生了辐射测试的要求，也称为空中传输 (OTA) 测试。这些挑战会使测量毫米波信号变得很困难，使您无法了解被测设备的真实性能。
本文将更详细地讨论毫米波设备测试面临的这些具体挑战。它还将介绍通过修改信号路径、信号条件和参考平面的信号分析仪克服这些挑战的策略，从而实现对 5G 毫米波信号的准确、可重复测量。
路径损耗
FR2 传输要克服的最重大挑战之一是毫米波信号的传播距离不如微波频率。大气很容易吸收毫米波信号能量，雨衰和衍射也是如此。此外，毫米波信号几乎无法穿透树木、树叶、建筑物墙壁、高速公路立交桥和其他基础设施。
在对毫米波组件和系统进行测量时，您必须满足于测试设置中毫米波信号的挑剔传播特性。例如，射频电缆和附件会影响信号强度。此外，测试和测量设备上的法兰连接(图 2)中的任何歪斜都会导致不必要的反射，从而降低信号质量和功率。OTA 测试要求也使问题复杂化，因为电磁场行为和特性会因距天线的距离而异。
测量仪器和被测设备 (DUT) 之间毫米波频率下的过多路径损耗会导致信号分析的信噪比 (SNR) 降低。较低的 SNR 会导致发射机测量精度较低，例如误差矢量幅度(EVM)、相邻信道功率比 (ACPR) 和杂散发射测量。为了补偿路径损耗，工程师通常会降低信号分析仪的衰减。然而，将信号分析仪的输入衰减降低到 0 dB 可能不足以充分补偿低 SNR 以实现准确测量。
信号分析仪让工程师针对特定类型的测量进行优化。例如，信号分析仪提供多种 RF 信号路径的选择，以帮助克服与信号传播和其他因素相关的路径损耗问题。例如，信号分析仪可以在较高功率电平下应用衰减或在较低功率电平下应用前置放大器来测量各种输入信号。
通常可用的射频信号路径类型包括：
默认信号路径非常适合测量带宽小于 45 MHz 的低电平信号。在这条路径中，输入信号在到达混频器之前通过射频衰减器、前置放大器和预选器。
微波预选器旁路路径更适合分析宽带矢量信号，例如毫米波信号，因为它允许宽带信号不受阻碍地通过射频链。
在较高功率电平下进行 EVM 测量和其他测试发射机调制质量的测量通常最好使用低噪声信号路径来完成。放大器的增益、频率响应和插入损耗在较高频率下复合。该路径减少了路径损耗以及前置放大器和开关产生的频率响应和噪声，从而提高了信号保真度并提高了测量灵敏度。
与默认信号路径相比，全旁路信号路径(避免低频段开关电路中的多个开关并绕过微波预选器)可以将毫米波频率的损耗降低多达 10 dB。全旁路路径具有路径损耗更低、信号保真度更高和测量灵敏度更高的优点，但也有一些缺点，包括带内成像和用于测试较低功率电平的低 SNR。
外部混频器扩展了信号分析仪的频率范围，并消除了由信号分析仪和 DUT 之间的测试设置电缆和附件引起的插入损耗。电缆损耗可高达 5 dB/m，并可降低测试系统的 SNR。添加一个可以靠近 DUT 的外部混频器，可以缩短毫米波信号路径，从而降低路径损耗并提高 SNR。
宽带噪声
宽带信号本身具有较高的噪声和较低的 SNR，因为能量分布在信号的整个带宽上。因此，带宽越宽，固有信号完整性越低，它就越容易受到来自测试设置和其他因素的噪声的影响，因此 SNR 越低。
增加分析带宽会给信号分析仪带来更多噪声，从而降低 SNR。低 SNR 会导致 EVM 和邻道功率比 (ACPR) 测量结果不佳，无法准确反映 DUT 的性能。
为了提高 EVM 测量精度，您应该为信号分析仪的混频器和数字化仪选择最佳电平。为获得最佳结果，请选择本地振荡器 (LO) 的最佳相位噪声配置以实现最佳结果。
无线标准规定了最大输出功率下的发射机测量。但是，您可以在信号分析仪的第一个混频器处衰减功率电平，以确保高功率输入信号不会在信号分析仪中失真。例如，在 OTA 测试和具有显着插入损耗的测试设置中，输入信号电平可能低于最佳混频器电平。使用内置前置放大器对于低输入电平测试场景很有用。内置前置放大器提供了更好的噪声系数，但互调失真与本底噪声的动态范围较差。
输入混频器电平设置是失真性能和噪声灵敏度之间的权衡。较高的输入混频器电平可产生更好的 SNR，而较低的输入混频器电平可提供更好的失真性能。测量硬件、输入信号的特性和规格测试要求共同决定了最佳混频器电平设置。如图 3 所示，在前端应用外部低噪声放大器 (LNA) 还可以降低系统噪声系数——无论是否带有内部前置放大器——也有助于优化混频器的输入电平。
信号分析仪还为相位噪声优化带来了选择。用于调制分析的信号分析仪的最佳相位噪声性能取决于分析仪的相位噪声曲线以及输入信号的工作频率、带宽和子载波间隔(OFDM 信号)。宽偏移相位噪声设置通常用于更好的 5G NR 毫米波调制分析。
频率响应
测试仪器和 DUT 之间路径中的组件将影响测试设置的准确性。凭借宽带宽和毫米波信号，微小的误差余量迫使射频工程师寻找新的方法来减少频率响应误差。这些误差发生在不同的频率，影响相位和幅度响应。信号分析仪提供内部校准程序来校正其频率响应。
需要纠正频率响应误差，以将测量精度从信号分析仪的输入端口扩展到 DUT 的测试端口。可以使用信号分析仪配置对幅度和相位的校正，以消除频率响应。校正测试网络中的幅度和相位误差也提高了测量的准确性。有许多仪器和附件可用于帮助校正频率响应。
小结
总之，在 5G 中使用毫米波信号可以显着提高速度和延迟，提供显着提升传统无线数据应用的性能，并支持全新的用例，例如超低延迟通信 (URLLC)、蜂窝车辆-万物互联 (C-V2X) 通信和大规模机器类型通信 (mMTC)。然而，毫米波信号的特性给准确、可重复的测量带来了新的测量挑战。现代信号分析仪提供硬件和软件的灵活性来抵消这些挑战，包括减少路径损耗、改善信号状况和纠正频率响应误差。
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