Ladda ner artikeln här (länk, pdf). Fler tekniska rapporter finns på etn.se/expert

Den ökade kapaciteten i 5G ­kräver utrullning av basstationer med Massiv Mimo samtidigt som nätverk och mobiler har stöd för frekvensband under 6 GHz såväl som millimetervågsområdet.

Nya produkter baserade på 5G New Radio kommer att höja kapaciteten i de mobila nätverken genom att de använder frekvensband under 6 GHz, kallat frekvensområde 1 (FR1 – Frequency Range 1) av 3GPP och i milli­metervågsområdet (FR2).

I FR1-området har huvudfokus för innovationerna framför allt varit på basstationerna genom att man infört teknik för massiv Mimo. I 4G användes Single User Mimo (SU-Mimo). Då är det mobilerna som räknar fram den inversa kanalmatrisen för att extrahera de separata dataströmmarna. 5G Multi-User Mimo (MU-Mimo) flyttar komplexiteten från terminalen till basstationen genom att man använder en förkodningsmatris. I detta fall tas dataströmmarna emot oberoende av varandra av separata mottagare. I MU-Mimo reduceras störningarna till näraliggande användare genom lobformning med hjälp av gruppantenner som har 64 till 512 element. Förutom att lobformningen gör det möjligt att använda MU-Mimo så har den också andra fördelar. Genom att effekten riktas mot enskilda användare minskas den totala energi­förbrukningen och därmed reduceras också kostnaden för att driva nätet.

Kommunikationssystem i FR2-området kan använda stora bandbredder kring 28 GHz och 39 GHz. En nackdel är dock att man får en utbredningsdämpning på mer än 60 dB på 1 m avstånd och en kraftig absorption av det elektromagnetiska fältet i näraliggande objekt. Precis som i FR1-systemen är lösningen att använda gruppantenner, lobstyrning och lobföljning för att på så sätt öka förstärkningen både på terminal­sidan och på nätverkssidan.

Både när det gäller FR1 och FR2 så krävs högintegrerade lösningar som kombinerar modem, RF-steg och antenn för att 5G skall bli framgångsrikt. Utmaningarna är då att definiera nya metoder och testuppkopplingar för prestandamätningar, RF-portarna försvinner och lobstyrning kräver testning på systemnivå.

OTA-mätningar för prestandakrav
I denna kontext måste såväl antenn- som tranceiveregenskaper mätas i luftgränssnittet (OTA): Effective Isotropically Radiated Power (EIRP), Total Radiated Power (TRP), Effective Isotropic Sensitivity (EIS), Total Isotropic Sensitivity (TIS), Error Vector Magnitude (EVM), Adjacent Channel Leakage Ratio (ACLR), Spectrum Emission Mask (SEM). För att bedöma dessa prestandakriterier vid OTA-mätningar måste man komma fram till vilket mätavstånd som krävs.

Antennegenskaper mäts vanligen i fjärrfältet (FF – Far Field). Om man använder sig av direkt avkänning i fjärrfältet med kriteriet för FHD, Fraunhofer distansen (R = 2D²/l), så krävs om testobjektet är en massiv Mimo­enhet som är 75 cm och har en sändarfrekvens på 2,4 GHz en kammare som har minst 9 m längd. Till och med en 15 cm smartmobil som sänder på 43,5 GHz skulle behöva ett test­avstånd på 6,5 m. Detta avstånd behövs för att skapa ett område runt testobjektet, den tysta zonen (QZ – Quiet Zone), där det infallande elektromagnetiska fältet är så likformigt som möjligt, i princip en plan våg med en fasavvikelse som är mindre än 22,5 grader.

Teoretiska undersökningar visar att fjärrfältsegenskaper i den maximala riktningen faktiskt kan uppträda vid betydligt kortare avstånd än det som fås genom FHD. Dessa resultat visar till exempel att FF EIRP eller EIS från ett 15 cm testobjekt som sänder på 24 GHz kan utvärderas på ett så kort avstånd som 1,14 m. En reducering av avståndet runt 70 procent får man till priset av ett högre longitudinellt Taperfel som orsakas av avvikelsen i skenbart fascentrum jämfört med medelpunkten för mätkoordinatsystemet. Dessutom kan inte nivåerna hos sidoloberna bestämmas tillförlitligt vid kortare avstånd.

Även om direkta fjärrfältsmätningar vid kortare avstånd inte är användbara för alla tillämpningar så finns det ändå goda skäl att göra dessa när villkoren för tillämpningen redan är kända. Detta på grund av att stora ekofria OTA-kammare är dyra i drift och har ett begränsat dynamiskt område. Villkoren för att använda det kan normalt begränsas till så kallade ”White Box” tillämpningar där antennens placering i testobjektet och dess apertur är kända.

Mjukvara för närfältstransformationer tar hand om TX-matematiken
Direkta fjärrfältsmätningar under “White Box”-antagande kan vara olämpliga när den strålande aperturen är större än QZ, när antennens läge i testobjektet inte exakt kan preciseras samt antennaperturen inte är exakt känd eller om flera antenner sänder samtidigt, till exempel från två ytterlägen inom testobjektet, som inte i sig ryms inom QZ. Man måste då tillämpa ett ”Black Box” scenario där de strömmar som orsakar strålningen kan gå var som helst inom testobjektet.

En första effektiv ansats för att ta hand om dessa fall i en kompakt miljö är mjukvarubaserad närfälts till fjärrfälts transformation (NFFF), då frågan om storleken hos QZ blir irrelevant. Den matematiska implementationen av NFFF kan göras på olika sätt, men grundprincipen är normalt densamma: åtminstone två polarisationskomponenter av det elektromagnetiska fältet (E, H eller en kombination av båda) mäts upp med avseende på fas och storlek över en yta som omsluter testobjektet.

Uppmätta data processas genom att man använder funktioner som projicerar fälten mot större avstånd och extraherar fjärrfälts­komponenterna. Två fasvektorer behövs för att man utgående från Huygens princip exakt skall kunna rekonstruera alla sex fältkomponenterna utanför testytan. Alternativa metoder för transformation baseras på SWE (Spherical Wave Expansion), PWE (Plane Wave Expansion) eller integralekvationer, tillsammans med metoder för att förbättra beräkningskraften eller noggrannheten där man tar hänsyn till spatiell samplingshastighet, skannad yta eller trunkering.

Figur 1 visar ett kommersiellt system som kan utföra både direkt FF- eller NF-mätning med sfärisk skanning runt testobjektet, med hjälp av en koniskt skuren positionerare. I detta system är testobjektet placerat på ett vridbord som kan roteras i azimut medan en dubbelpolariserad Vivaldiantenn är monterad längst ut på en bom som är roterbar i höjdled. Det finns en RF-port på testobjektet som kan kopplas till en port på en vektornätverksanalysator. Portarna på mätantennen kopplas till två andra portar på VNA:n, så att närfältsmätningar kan göras genom bestämning av komplexa S-parametrar.

Mätmetoder för närfältsmätningar bygger ofta på underliggande antaganden som gäller för det ovan beskrivna fallet med mätning på passiv eller RF-matad antenn:

• Antennporten är tillgänglig så att det är möjligt att mata in en signal som kan användas som fasreferens.
• RF-signalen är en CW-signal
• Reciprocitet gäller så att stålningskaraktäristiken för sändare (TX) och mottagare (RX) vid samma frekvens är identiska.

När det gäller sändarfall där dessa antaganden inte gäller finns det andra lösningar att ta till. Till exempel har man tagit fram metoder för de fall där man har ett testobjekt som sänder en modulerad signal och man inte har tillgång till antennporten. Olika hårdvara och bearbetningssystem kan användas för att bestämma den avståndsberoende fasen, till exempel interferometriska metoder eller faskoherenta flerportsmottagare, båda i kombination med en dedikerad antenn för fasreferens. För system som det i Figur 1, placeras denna antenn normalt på azimutvridbordet. Alternativa lösningar är bland annat faslösa metoder, där man utvinner fasinformation från beloppet av signalen.

Mottagarfallet är dock mer komplicerat. För det första är det inte möjligt att anta att man har reciprocitet då kedjan med RF-komponenter för mottagning normalt ­skiljer sig från den för sändning för både mobiler och basstationer. Dessutom kan man då testobjektet saknar testport och tar emot en testsignal från mätantennen inte utan vidare bestämma vilken nivå signalen till mottagarens ingångssteg har. Med andra ord är det inte möjligt att isolera mottagaregenskaperna hos testobjektet i fjärrfältet från kopplingseffekter i närfältet orsakade av testuppkopplingen. Det finns heller ingen fasreferens tillgänglig, så ingen närfälts-fjärrfälts transformering är möjlig i mjuk­varan. Det betyder att EIRP kan bestämmas noggrant med hjälp av NFFF i mjukvara, men inte EIS.

Utmaningar med tranceiverprestanda i närfältet
Ytterligare en viktig fråga är hur man gör OTA-mätningar för att bestämma tranceiverprestanda som EVM, ACLR och SEM. Mjukvarubaserad NFFF bygger på användningen av periodiska avsnitt från RF-signalens bärvåg som bestämmer utbredningen. För de nämnda parametrarna är detta inget alternativ, det gäller istället att extrahera information från den modulerade signalen.

Den första svårigheten är att dessa värden är starkt beroende av signal/brusförhållandet (SNR – Signal to Noise Ratio) hos mottagaren (en spektrumanalysator i sändarfallet och testobjektet självt i mottagarfallet). Detta kan man komma runt genom att först göra en komplett utvärdering i 3D av sändar- eller mottagarstrålningskaraktäristik för att bestämma huvudriktningen. I denna position där man har bästa SNR kan man sedan göra en demodulering och till exempel en EVM-mätning. Frågan kvarstår emellertid om man har fått tillförlitliga värden som motsvarar det man skulle fått i fjärrfältet. I fallet med en enda tranceiver så skall NF EVM vara samma som FF EVM så länge som SNR är bättre än ett bestämt, modulationsberoende värde (till exempel bättre än 20 dB). När det gäller flera oberoende och samtidigt aktiva tranceiverar, så är inte NF EVM inte direkt jämförbar med FF EVM på grund av positionsberoende brusfaktor i närfältet.

Hårdvarubaserad närfältstransformation ger klarhet
Alternativa testmetoder gör det möjligt att utföra OTA-mätningar i närfältet med hjälp av en hårdvarubaserad snarare än mjukvaubaserad transformation. Grundtanken är att inom en definierad QZ-region skapa fjärrfältsförhållanden inom ett kort avstånd. Detta kallas också indirekt fjärrfältsmätning.

Högre verkningsgrad i QZ ger lägre driftskostnader
En kompakt antennmätsträcka (CATR) använder en spegel för att omvandla en sfärisk vågfront till en plan vågfront och vice versa. Enligt Fermats princip om kortast tid, kan en plan våg fokuseras i en punkt om man använder en parabolisk spegel. Om en mätantenn placeras i denna fokalpunkt och man sedan använder reciprocitetsprincipen kan en plan våg genereras eftersom den paraboliska spegeln reflekterar en viss plan komponent från den sfäriska vågen från mät- (eller matnings-) antennen in i zonen där mätobjektet befinner sig (QZ).

Fel i CATR-system kan huvudsakligen härledas till två källor:
• spegelns geometri med behandlingen av kanterna och ytans jämnhet som begränsar frekvensområdet
• egenskaperna hos matningsantennen

Om reflektorn byggs med en enkel parabolisk form kommer de skarpa kanterna att orsaka diffraktion som kontaminerar QZ med ett rippel som kan vara upp till 2dB. Metoder för att dämpa detta fenomen är att införa tandade eller avrundade kanter som sprider energin bort från QZ. Storlek och form på tandningen avgör den lägsta arbetsfrekvensen medan ytjämnheten avgör den högsta.

Riktningskaraktäristiken hos matningsantennen har en direkt påverkan på storleken av QZ då spegeln i huvudsak projicerar strålningskaraktäristiken hos matningsantennen in i QZ. En reflektor med tandade/rundade kanter är normalt minst dubbelt så stor som DUT/QZ medan en reflektor med skarpa kanter måste var tre till fyra gånger större än QZ. Det optimala avståndet mellan reflektor och DUT är 5/3 gånger brännvidden hos reflektorn. En optimal brännvidd kan härledas från formtoleransen vid tillverkningen av reflektorn inom ett område av 0,3 till 1,0 för förhållandet mellan brännvidd och paraboldiameter.

Eftersom storleken av QZ beror av reflektoregenskaperna och inte av avståndet mellan reflektor och testobjekt är det mycket lättare att skapa en stor QZ inuti små kammare. Figur 3 visar den uppmätta storleken av QZ till 27 cm vid 28 GHz för ett CATR-mätsystem med en reflektor på 42 cm x 42 cm som i Figur 2. Denna CATR mätuppkoppling ryms i en kammare som bara är 2 m x 1,5 m x 0,85 m. Ett direkt FF-mätsystem med samma storlek på QZ skulle kräva ett mätavstånd på 14,5 m.

Denna typ av teknik har en stor betydelse för testing av terminaler/mobiler eller basstationer för 5G NR FR2, då storleken på testmiljön kraftigt reduceras. Dessutom har ett CATR-mätsystem när det gäller direkt mätbarhet samma möjligheter som ett FF-system att göra prestandamätningar på en transceivers RX- och TX-egenskaper. Då dessutom utbredningsdämpningen äger rum i det begränsade området där vågorna breder ut sig mellan matningsantennen och reflektorn så blir också dynamikområdet för ett CATR-system bättre än hos ett direkt FF-mätsystem.

Om vi använder Figur 3 som exempel så har CATR-systemet en brännvidd av 0,7 m jämfört med motsvarande FF område som ger en längd av 14 m, vilket gör att skillnaden i utbredningsdämpning blir 26 dB.

Planvågssyntes: det kostnadseffektiva alternativet för 5G FR1 basstationer

En CATR-reflektor görs normalt av ett stycke massivt aluminium som bibehåller de stränga kraven på ytgeometri. För 5G NR FR2 gör storleken på testobjekten i millimetervågsområdet att man kan ha kompakta och ganska lätta reflektorer (mellan 20 och 40 kg). I sub-6GHz 5G FR1 området ökar vikten av reflektorn kraftigt upp till hundratals kilo för testobjekt i storlek som en basstation. Kostnaden, tillverkningstiden och hanteringen av stora och tunga speglar blir ett problem.

Ett lättare och mer kostnadseffektivt alternativ är att använda en “elektronisk version” av CATR-spegeln. Genom att kombinera strålningen från många antenner som tillsammans bildar en fasstyrd gruppantenn och mata denna med specificerad fas och amplitud, skapas planvågsförhållanden inom en definierad QZ. En version av denna närfälts fokuseringsteknik användes under flera år vid MIT Lincoln Laboratory för mätningar på stora fasstyrda gruppantenner för radar och den har föreslagits som grund för OTA-mätningar på basstationer i 3GPP.

Figur 4 visar det planvågs konverteringssystem som presenterades vid European Conference on Antennas and Propagation 2018. Det består av en gruppantenn med 156 bredbandiga Vivaldi-antenner med ett nätverk av fasändrare och dämpare på baksidan som används för lobformning. Denna PWC gruppantenn har en diameter av 1,8 m och skapar en sfäriskt QZ med 1 m diameter inom ett avstånd av bara 1,5 m i frekvensområdet 2,3 till 3,8 GHz. I uppkopplingen i Figur 4 är testobjektet (här kalibreringsantennen) monterat på en roterande arm med horisontell- och vertikal axel, som tillåter fullständig sfärisk mätning. Kalibreringsantennen används för att utvärdera lämplig kompensation för enskilda RF-kanaler i PWC-arrayen men också utbredningsdämpningen i det kompletta testsystemet. PWC-systemet arbetar reciprokt och har bara en in/utgång för RF som kan anslutas till en signalgenerator, en spektrumanalysator eller en VNA och kan på så sätt användas tillsammans med testobjekt både med och utan RF-testport.

Figur 5 visar resultatet av EVM-mätningar gjorda på enskilda signaler med PWC för en OFDM signal innehållande 5 signaler med 20 MHz bandbredd, skapade av en vektorsignalgenerator R&S SMW200A i frekvensområdet 2,35 till 2,45 GHz. Uteffekten är ställd till 5 dBm och den matar ett testobjekt som är en Patch Array med måtten 60 x 60 cm. Demodulering görs av en vektorsignal­analysator R&S FSW som är ansluten till PWC och använder en bandbredd av 30,72 MHz. Uppmätt EVM var bara 0,41 procent, vilket ungefär motsvarar instrumentens interna EVM. För de övriga fyra signalerna uppmättes EVM under 0,5 procent vilket visar att PWC ger ett försumbart tillskott till EVM.

Summering
Närfältsmetoder som bygger på mjukvaru­baserade transformationer är lämpade för mätning av EIRP och TRP. Om det gäller testobjekt med flera, icke-identiska, RF tranceivrar och man måste ta hänsyn till mottagning eller demodulering så använder man hårdvarubaserade fälttransformationer som CATR eller PWC för att slippa begränsningarna hos mjukvarubaserad NFFF. Dessa system ger också kompakta och tillförlitliga alternativ till direkta fjärrfältsmätningar, ­vilket placerar dem i framkant för framtida RF mätningar av kravuppfyllnad enligt 3GPP när det gäller terminaler/mobiler och basstationer. n