Инновации в производственных испытаниях базовых станций 5G миллиметрового диапазона

Вступление

Пандемия COVID-19 нарушила глобальные рынки сбыта, что предсказуемо повлияло на производственные цепи оборудования 5G. Это привело к тому, что некоторые страны объявили о задержках в своих планах по развёртыванию сетей 5G.

Несмотря на сложную глобальную экономическую ситуацию, вызванную пандемией, производители сетевого оборудования (NEM) и сетевые операторы реализуют план по наращиванию производства и развёртыванию сетей. Первое установленное оборудование 5G в основном было рассчитано на работу в диапазоне FR1 (от 410 МГц до 7,125 ГГц). На следующем этапе будет внедряться оборудование диапазона FR2 (от 24,25 до 52,6 ГГц), а точнее – 24,25...43,5 ГГц.

В связи с этим внимание акцентируется на проблемах увеличения объёмов производства высокопроизводительных базовых станций 5G NR и развёртывания малых сот миллиметрового диапазона.

Ужесточение требований к характеристикам систем тестирования базовых станций

Специалисты по производству ВЧ сетевого оборудования знают, что тестирование базовых станций в диапазоне FR2 (см. рис. 1) предъявляет повышенные требования к приборам для измерения таких радиочастотных характеристик, как модуль вектора ошибки (EVM) и относительный уровень мощности в соседнем канале (ACLR) в миллиметровом диапазоне.

На высоких частотах наблюдается неизбежное увеличение шума полупроводниковых приборов и гармонических искажений в ВЧ компонентах и подсистемах базовой станции. Это значительно усложняет выполнение требований к высокой производительности систем 5G. Например, выполнение требования относительно сверхмалой задержки требует значительно меньшей ошибки фазы и более точной синхронизации на гораздо более высоких частотах, чем у предыдущих базовых станций LTE четвёртого поколения, которые работали в диапазонах ниже 6 ГГц.

Кроме того, из-за компактной конструкции и отсутствия доступа к элементам антенны базовой станции для оценки соответствия высокочастотных характеристик стандартам 3GPP требуется тестирование по радиоэфиру. Оно выполняется в безэховой камере, такой как CATR от Keysight Technologies (см. рис. 2).

Требование выполнять тестирование по радиоэфиру означает, что интерфейсом взаимодействия с тестируемым устройством теперь является измерительная антенна внутри безэховой камеры, которая может быть расположена в нескольких метрах от контрольно-измерительного оборудования. От контрольно-измерительного оборудования требуются более высокие выходная мощность и чувствительность для компенсации потерь при прохождении сигнала миллиметрового диапазона в свободном пространстве по кабелю.

Поскольку несущие 5G NR диапазона FR2 могут иметь полосы 50, 100, 200 или 400 МГц, то следующую проблему представляет собой измерение EVM и ACLR для более широкополосных сигналов. Это особенно актуально при использовании агрегирования несущих, что увеличивает требования к полосе пропускания контрольно-измерительного оборудования.

Выполнение измерений по радиоэфиру связано с большими потерями в радиоканале. Эти потери заставляют использовать даже самые высокопроизводительные лабораторные измерительные приборы вне оптимального диапазона мощности, что ухудшает точность измерений ACLR и EVM. Кроме того, в схему измерений по радиоэфиру требуется вводить внешние компоненты, такие как усилители мощности и малошумящие усилители. Также необходимы антенные коммутаторы для переключения сигналов между антеннами с горизонтальной и вертикальной поляризацией с различными приборами при тестировании приёмника и передатчика. Калибровка различных трактов и компонентов в таких системах тестирования, собранных из традиционных лабораторных приборов миллиметрового диапазона, может занять очень много времени. Кроме того, количество таких систем сложно увеличивать при наращивании объёмов производства. Всё это приводит к удорожанию стендов для производственных испытаний оборудования миллиметрового диапазона и увеличению производственных площадей. Это происходит из-за необходимости использовать большие безэховые камеры для тестирования в диапазоне FR2. В целом по сравнению с измерениями в радиоканале, которые обычно выполняются в диапазоне FR1, вся среда тестирования по радиоэфиру в FR2 является более комплексной и труднее масштабируется. 

Инновации в выносных радиомодулях миллиметрового диапазона

В отличие от традиционных систем тестирования, показанный на рис. 3 высокопроизводительный многодиапазонный векторный трансивер (S9130A-TR1) использует современный выносной радиомодуль для повышающего преобразования частоты с ПЧ (до 12 ГГц) в частоту диапазона FR2 (24,25–43,5 ГГц).

Благодаря выносному радиомодулю в системе устраняются большие потери в РЧ кабеле между безэховой камерой и контрольно-измерительным оборудованием. Значительное уменьшение потерь достигается за счёт того, что выносной радиомодуль располагается вблизи безэховой камеры и соединяется с ней коротким кабелем.

Благодаря двум двунаправленным портам миллиметрового диапазона и регулируемому коэффициенту усиления в выносном радиомодуле, трансивер S9130A-TR1 может выполнять измерение отправляемых и принимаемых сигналов с горизонтальной и вертикальной поляризацией в широком диапазоне мощностей, чему способствуют минимальные потери в соединительном кабеле. Выносной радиомодуль объединяет несколько трактов и внешние компоненты, используемые в типовой лабораторной системе тестирования по радиоэфиру, что позволяет сэкономить время на калибровку и значительно уменьшить сложность измерительной схемы.

Лучшие в своём классе возможности измерения ACLR и EVM в S9130A-TR1 теперь можно использовать для оценки характеристик базовых станций. Благодаря уникальному источнику сигнала в трансивере S9130A приёмник базовой станции можно тестировать столь же эффективно, как и передатчик.

На рис. 4 показаны результаты типового измерения ACLR сигнала 8CC 5G NR на частоте 28 ГГц с помощью S9130A в режиме тестирования по кольцу.

На рис. 5 показаны результаты измерения EVM сигнала 8CC 5G NR на частоте 39 ГГц.

Сколько стоит тестирование?

Все, кто занимаются производственными испытаниями, знают, что их стоимость имеет большое значение, особенно когда дело доходит до тестирования с помощью традиционных лабораторных приборов. К счастью, благодаря инновациям в M9415A – новом модуле VXT формата PXIe, шириной три слота (см. рис. 6), с диапазоном частот до 12 ГГц для FR1, а также обеспечивающим тестирование на ПЧ – система S9130A (см. рис. 3) может работать в обоих диапазонах, FR1 и FR2.

Это решение значительно снижает стоимость оборудования за счёт устранения дорогостоящих компонентов миллиметрового диапазона, обеспечивающих непрерывность исследуемого диапазона частот, что не нужно в среде производственного тестирования. 

Тестирование на всех этапах разработки

Желая значительно снизить затраты за счёт отказа от традиционных лабораторных приборов, заказчики обнаруживают, что эти типы полосовых миллиметровых систем также хорошо подходят для высокоэффективного тестирования малых сот диапазона FR2 или макросот в ходе НИОКР, проверки разработок и испытаний на соответствие стандартам. Дополнительная информация об этом есть на сайте Keysight Technologies [1]. 

Литература