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有人说,这一代通信系统唯一的创新就是毫米波了

2019-08-28
关键词: 通信系统 毫米波

  5G通信系统从最开始就提出了更快、更高、更强的口号(哎,这不正是著名的奥林匹克格言吗?),从1G到5G甚至到未来的通信系统,设计师们正是秉承着这个理想,来设计并升级一代一代的通信系统。

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  5G更强大的数据通信能力以及更丰富的连接场景的设计目标,如家庭影院、4K甚至8K的高清电影、VR、远程医疗、车联网等新兴应用被各种脑洞,畅想YY(   给大众用户“洗脑”十分必要,毕竟未来的投资要靠这些人收回来)。

  要满足这些设计目标,没点创新怎么能行?于是,Massive MIMO、毫米波等新技术名词一度成为热搜名词。但也有人说,当3GPP决定5G NR继续使用OFDM技术的那一刻,相比4G而言,5G其实没有颠覆性的技术,而毫米波差不多成了5G最大的“新意”。

  根据3GPP 38.101协议的规定,5G NR主要使用两个频段:FR1 和FR2:FR1(450MHz-6GHz),即通常所说的Sub 6GHz;FR2(24.25GHz-52.6GHz),即通常所说的5G毫米波频段。FR1上即将发生的演变被很多人认为是对当前4G系统的演进,而对毫米波的拓展才是当前5G通信系统最大的新点和难点,因为就算是Massive MIMO这项技术,其实也更多地是为了补充毫米波频段本身的缺陷。

  在美国,当前主要的运营商还以发展毫米波5G为主,用于补充偏远地区的用户接入。在中国,虽然优先部署和发展Sub 6GHz 的5G系统,但到2019年这个即将商用的时间点,运营商们也开始逐步将眼光投射到毫米波频段,用以实现5G通信系统的强大指标。

  这不,就在不久前,工信部已经给中国移动香港发了频段为26GHz-28GHz之间的毫米波牌照。除此之外,香港电讯和数码通也同样分别获得了该频段内的400MHz的带宽。

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  什么是毫米波

  毫米波(millimeter Wave):波长在1-10mm的电磁波称为毫米波,处于微波与远红外波相交叠的波长范围,因而兼具两种波普的特点。毫米波的理论和技术分别是微波向高频的延伸和光波向低频的扩展。

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  为什么要扩展到毫米波

  简单来说,应用驱动需求。很多年以前,无线通信应用不像现在这般拥挤繁荣。30GHz以内的频谱足够应付各种应用,而我们所熟悉的移动通信系统更是基本集中在6GHz以下的优质频谱上。不过经过多年的发展,6GHz以内的优质频谱资源已经基本挤不下任何东西了,无论如何折腾(淘汰过往的应用、采用认知无线电技术来复用频谱等),移动通信系统的频谱资源短缺和冲突依然是最为严峻的问题。现在要开发新的5G系统,仅仅靠部分运营商腾出一些2G时代的少量频谱资源怎么够。直到有一天,有人突然发现,那不是还有一大片毫米波频段么!毫米波频段就像一块未开发的处女地,一片新大陆,为移动用户和运营商提供了大量的可用频谱资源。

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  毫米波的优点

  优点1

  极大的带宽。通常认为毫米波频率范围是26.5GHz-300GHz,带宽高达273.5GHz,超过从直流到微波全部带宽的10倍。即使考虑大气吸收因素,毫米波段有很大一部分带宽并不适合“居住”,使得毫米波段只有四个主要的可用窗口,但这四个窗口的总带宽也可达135GHz。

  优点2

  波束窄。在相同天线尺寸下,毫米波的波束要比微波的波束窄的多。例如一个12cm的天线,在9.4GHz时波束宽度为18度,而在94GHz波束宽度仅为1.8度,因此毫米波往往被用于分辨更近的小目标或者更为清晰的观察目标的细节。

  优点3

  与激光相比,传播受气候影响小很多,因此可以认为具有全天候特性。

  优点4

  与微波相比,毫米波元器件的尺寸要小很多。因此更容易小型号。

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  这么一大片新大陆,怎么现在才想起来搬过去

  虽说毫米波频段有以上的各种优点,但要将其应用于移动通信系统,也有诸多难点:

  难点1

  毫米波的传输距离实在有限,要用在大规模覆盖上难度不小,高密度部署的话成本也颇高,这也是目前很多运营商比较头疼的问题。老师教导我们,无线电波的频率越高,传播距离越短。在理想的自由空间传播条件下,一个70GHz的毫米波传播10米之后损耗高达89dB;而在非理想的传播条件下,传播损耗更是大的多。因此,毫米波系统必须通过提高发射功率、提高天线增益、提高接受灵敏度等各种方法来补偿这么大的传播损耗。现在5G通信系统里引入了Massive MIMO大规模天线阵列技术等,也是为向毫米波频段搬家修好道路。

  难点2

  成本高。过去毫米波器件/芯片一直用于军事领域而无法大规模商用。但最近几年,通过使用SiGe、GaAs、GaN、InP等材料并结合新的生产工艺,工作于毫米波段的芯片上已经集成了小至几十甚至几纳米的晶体管,大大降低了成本。为毫米波的商业化应用提供了可能。

  05

  开发新大陆,你的器件/芯片都准备好了么

  虽然从技术理论层面上看,Massive MIMO的引入、大功率器件的规模生产能在一定程度上解决毫米波传播距离受限的约束,不过要想达到预定的指标,整个毫米波链路上的所有器件和芯片都必须完美配合。每个器件/芯片各司其职,才能使整个系统最终达到预定指标。

  此外,在成本指标越来越严的要求下,您设计和生产的毫米波器件和芯片的性能还有多少裕量也是一个值得考量的问题。今天小编就专门就针对5G毫米波频段的器件/芯片测试,再为您梳理一遍~

  5G通信链路上典型的毫米波芯片/器件等如下:放大器,滤波器,混频器,传输线,天线等。针对这一系列毫米波器件/组件,我们可以总结出一系列通用的测试需求,如下:

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  针对以上测试需求,Keysight 强大的网络分析仪单机频率覆盖到67GHz,提供诸如S参数、增益压缩、交调测试、脉冲激励测试等一系列测试能力毫无压力,是一台真正意义上的毫米波器件/组件综合测试系统。结合外部扩频头,还可提供1100GHz频段的测试扩展能力。

  通用指标测试

  5G毫米波组件/器件的On Wafer测试+全参数测试

    DUT尺寸小,需配合探针台与仪表仪器进行DUT测量

    DUT测试端口连接次数有限,最好能进行一次连接多参数测试

    校准较为困难,耗时影响效率,仪表的稳定度一定要好,且能多通道同时校准!

        DUT没有封装,要考虑散热和屏蔽的问题,因此要使用脉冲式的测试方法

  以上所有On Wafer测试需求,Keysight的PNA网络分析仪,一台仪表,全部满足!而针对非wafer级的全参数测试,我们的PNA更是妥妥满足您的测试需求~下图是我们在On Wafer测试中进行噪声系数校准的连接图和校准步骤~

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  如下是我们PNA-X N5290/91A的典型配置

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  想了解On Wafer测试及全参数测试的更多内容?

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  (噪声系数校准、功率校准、多通道校准、

  IDM测试、增益压缩测试、脉冲测量等)

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  扫描下载测试图解和步骤解析

  当然,对于放大器等芯片/器件,除了通用测试指标之外,往往需要测试系统级的放大性能。因此,下面我们还会介绍如毫米波放大器芯片的系统级测试方案。

  系统指标测试

  如之前所提,由于5G毫米波和超宽带放大器依然处于起步阶段,为了验证和确保新型的功率放大器能够满足5G无线传输的要求,无论是器件厂商还是基站系统厂商都需要再调试和最终系统测试阶段对产品进行大量的射频测试,这一方面包括了去增益、噪声系统等上述基于网络分析仪的指标测试,第二类就是根据无线通信系统标准对5G宽带调制信号所要求的的矢量EVM和ACLR邻道泄漏比等进行测试。

  通过大量的实验我们发现,针对5G毫米波和超宽带PA的EVM测试与传统的3G、4G有很大的不同,主要原因是毫米波和超宽带条件对仪表和附件所构成的测试平台的要求大大提高,由测试平台所引入的失真和误差会严重影响最终的测试结果。

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  未经校准的超宽带调制信号示例

  上图是采用Keysight M8190A+E8267D矢量信号源(最早于2015年创建的5G毫米波和超宽带原型平台)输出的5G调制信号示例,带宽为4GHz,其物理层调制的数据传输速率达到了10-20Gbps,是当时业界通过仪表产生的最高带宽的调制信号。但从图1中你可以看出,整个4GHz范围不同频率成分的幅度有很大波动,远离中心频率的频率分量衰减很大,呈现明显的幅度不平坦。这些幅度衰减的频率成分将使得其所在的子载波信噪比降低,EVM下降。如果这种信号用于PA或者基站的射频测试,那将严重影响EVM测试的准确度。

  所以针对5G毫米波和超宽带PA射频测试中非常关键的一点就是测试平台本身必须具备宽带校准能力以确保在测试PA之前所有的仪表和附件所引入的失真和误差达到最小。

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  经过Keysight系统校准软件校准的宽带信号

  上图是经过Keysight系统校准软件校准的宽带信号的示例。校准时将信号源以及驱动放大器的整体EVM控制在1%以内,这样再连接被测PA芯片进行EVM测试时,就能获得比较理想的下过。

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