測量解決方案之毫米波無線回程

概述

回程在電信網絡中具有舉足輕重的的作用，它主要由核心網或骨干網與處于整個網絡末端的小型子網之間的中間鏈路組成。在微波移動/ 無線網絡中有三種類型的回程：宏基站Macrocell、小基站small cell和femtocell。Femtocell 回程通常使用寬帶接入技術，不在本應用指南的討論范圍內。Small cell 回程負責在室外smallcell 和連接到macro cell 回程網絡的節(jié)點或連接到廣域網(WAN)/互聯網/ 城域網的節(jié)點之間傳輸數據。它包括兩端的設備，以及中間的網格或串行設備。

目前有許多不同的回程技術可供運營商選擇，E-band 就是其中之一。這個頻段頻譜資源豐富，大氣衰減相對較低，且在部分國家已擁有頻譜許可證，因此是目前微波回程的最佳選擇。在全球廣泛部署的E-band點對點視距微波無線通信系統 —又稱為毫米波(mmWave) 無線通信系統 — 在還未獲許可的57-64 GHz 頻段( 數據速率高達1 Gbps)、已獲得許可證的71-86 GHz 頻段和92-95 GHz 頻段( 數據速率高達10 Gbps) 上工作。因此，非常適合在應用于人口稠密的城市環(huán)境( 距離小于1 千米) 和郊區(qū)工業(yè)區(qū)環(huán)境( 距離2 到5 千米) 中使用。市場分析師也是基于這個重要優(yōu)勢，預測在未來幾年內，毫米波回程市場將會發(fā)生突飛猛進的發(fā)展，其中長期演進(LTE) small cell 回程越來越多地使用毫米波將起到重要的推動作用。

問題

有以下幾個原因，促使運營商逐漸過渡到E-band 回程。首先可在更高頻段內提供更大帶寬，并可提供一個具有極強方向性和容易控制的天線波束。此外，E-band 無線通信系統的工作頻段( 即60 GHz 和70-90 GHz)現在對商用業(yè)務和產品是開放的。

盡管有這些優(yōu)勢，但是在向E-band 回程過渡時可能還會遇到許多設計和測試挑戰(zhàn)。例如，E-band 的波束寬度極窄，因此信號非常容易受到建筑物的影響和大氣干擾。系統校準也極為困難。E-band 的性能還非常容易受到雨水和氧吸收的影響。雨水會嚴重影響E-band 的無線電波傳輸，使得E-band 無線通信系統不得不重復發(fā)送數據，以達到符合標準的服務等級; 甚至有可能導致服務中斷。此外，E-band 回程測試解決方案的成本也很高。

解決方案

隨著毫米波技術的不斷發(fā)展，推動運營商從使用傳統回程( 例如光鏈路和微波鏈路) 向E-band 點對點鏈路轉變，盡快找到方案滿足高頻高帶寬需求、且經濟高效的測試測量儀器迫在眉睫。這些解決方案對于確保E-band 回程系統的正常工作至關重要，同時還可應對上述挑戰(zhàn)。

一套完整的毫米波測試和測量方案必須將用于毫米波元器件測試和校準的網絡分析儀與最佳的信號生成和分析系統結合起來，準確地對通信鏈路( 例如發(fā)射機、信號路徑和接收機) 進行測試和測量。網絡分析儀必須提供單次掃描能力，支持全方位的毫米波端口功率控制，并支持真正的差分測量。另一方面，信號生成和分析解決系統還應提供快速的測量時間和開關速度、出色的可擴展性( 能夠對工具進行量身定制，滿足用戶不斷變化的測試需求)和靈活性( 使它們能夠支持現有的和未來的制式)。

是德科技毫米波產品系列可以滿足這一標準。這些產品包括毫米波網絡分析儀，以及信號生成、分析和路徑仿真全套方案。網絡分析儀適用于對同軸器件或晶圓中的毫米波器件進行表征、建模和參數提取，而信號生成/ 分析解決方案則適用于毫米波通信鏈路測試。

毫米波網絡分析儀

Keysight N5251A 單次全頻段掃描10 MHz 至110 GHz 矢量網絡分析儀使用了毫米波控制器和一個寬帶頻率擴展器組合，提供1.0 毫米陽頭測試端口輸出連接器，可用作單一產品的解決方案。另外，它也可以配置使用PNA 或PNA-X 網絡分析儀組成更低成本的解決方案。現有的N5227APNA 和N5247A 67 GHz PNA-X 用戶只需添加N5261A/N5262A 測試控制器和寬帶頻率擴展器，即可進行單次掃描10 MHz 至110 GHz 測量。

N5251A 毫米波解決方案是唯一集成有三軸向直流偏置裝置(tri-axial biastees) 的寬帶解決方案，通過在施加直流偏置的過程中對偏置信號的大小進行監(jiān)測可以精確地對被測器件的偏置狀態(tài)進行控制。其寬廣的頻率范圍可實現出色的時域分辨率，并使用戶能夠對被測件施加精確的功率電平，掃描1.0 毫米端口的功率。此外，N5251A 為同軸、各種夾具和晶圓上的器件提供了多種校準選擇。

為了進行高達1.1 THz 的S 參數測量，可以使用由PNA 和PNA-X 網絡分析儀配置的各種分頻段擴展毫米波解決方案。2 或4 端口OML 分頻段擴展波導系統包括PNA-X 和OML 公司提供的頻率擴展器，可覆蓋50 GHz至500 GHz 的頻率范圍。根據測量需要和所選用的頻率擴展器類型，它可以配備/ 不配備控制器?？蛇M行的具體測量包括真實模式、時域、功率、功率掃描( 單一頻率)、功率譜、互調失真和噪聲系數等等。2 或4 端口VDI 分頻段擴展波導系統用于進行THz 成像，可配備Virginia Diodes Incorporated (VDI) 公司提供的頻率擴展器，將頻率范圍擴展至950 GHz。

這些分頻段擴展毫米波解決方案使用內置的固化軟件， 無論是使用PNA 還是PNA-X 系列網絡分析儀都可以利用已經開發(fā)好的測量應用軟件進行測量。無論測量的頻率范圍是什么，用戶都可以通過前面板對測試儀器進行手動控制，并可以使用鼠標訪問操作簡單的下拉菜單。使用固化軟件界面，用戶可以輕松地在各頻段之間進行切換。

網絡分析儀測量示例

為了更好地了解如何使用毫米波網絡分析儀進行測量，以4 端口N5251APNA 網絡分析儀為例，它可以執(zhí)行10 MHz 至110 GHz 的單次掃描測量( 圖1)。N5251A 能夠控制并使用接收機穩(wěn)幅能力，精確地設置1.0 毫米測試端口上的功率。它還支持諸如真實差分測量、脈沖測量和標量混頻器測量等應用，并能夠靈活地對晶圓上元器件進行單次接觸，完整表征被測件的特性。

圖1. 以N5227A PNA 為基礎構建的4 端口110 GHz N5251A 毫米波網絡分析儀的結構圖。

N5251A 能夠對功率進行精確控制，使用戶在毫米波頻率上測量器件增益壓縮特性的工作更為簡單。例如，圖2 顯示它在進行傳統S 參數測量的同時，還使用功率掃描進行了110 GHz 緩沖放大器測量。

圖2. 在77 GHz 上進行功率掃描增益壓縮測量。

使用此N5251A 配置還可以輕松進行混頻器測量和功率譜測量。圖3a 顯示了PNA 對75 至110 GHz 下變頻混頻器執(zhí)行本振功率掃描的測量結果，測量頻點設置在75 GHz 連續(xù)波上。使用PNA 的內置IM 頻譜選件，可進行功率譜測量。圖3b 顯示了在10 MHz 至110 GHz 頻率范圍內測量110 GHz 緩沖放大器輸入輸出頻譜的結果。

圖3a. 在75 GHz 毫米波頻率上進行-20 至+11 dBm 本振掃描的S21 繪圖結果。

圖3b.放大器在77 GHz上的輸入/輸出。使用PNA 的IM 頻譜選件，可以在10MHz 至110 GHz 頻率范圍內對所有頻譜功率元器件進行測量。

毫米波信號發(fā)生器和信號分析儀解決方案

毫米波信號生成、分析和信號路徑仿真，可通過Keysight M8190A 寬帶任意波形發(fā)生器(AWG)、PSG 信號發(fā)生器、PXA/EXA 頻譜分析儀以及裝有86901B 矢量信號分析軟件的高性能Infiniium 系列示波器來實現( 圖4)。以收發(fā)信機仿真為例。測試收發(fā)信機需要使用仿真的發(fā)射機和/ 或仿真的接收機。理想情況下，兩者都應該具有足夠的靈活性，可以在信號源端生成真實的失真，在接收機端對其進行補償。使用M8190A 高性能任意波形發(fā)生器(12 位，12 GSa/s 或14 位，8 GSa/s)，用戶能夠創(chuàng)建這些類型的波形，作為信號源使用。矢量PSG 信號發(fā)生器可充當外置I/Q 調制器。在分析儀端， 使用支持63 GHz 實時頻率帶寬的Infiniium 示波器。配有160 MHz 射頻分析帶寬的PXA 和/ 或EXA 以及是德科技智能混頻器是另一種選擇—視信號帶寬和頻率而定。該測試解決方案還包括MATLAB ( 支持定制信號生成)、Signal Studio ( 支持LTE 等特定信號制式) 和89601B ( 用于信號分析)等軟件。

圖4. 此結構圖顯示了可用于毫米波回程測量和分析的總體調制信號生成和分析解決方案。

在對收發(fā)信機進行實際測量時，首先由M8190A AWG 或Signal Studio 生成一個信號，再由Keysight E8267D矢量信號發(fā)生器和/ 或外部第三方上變頻器對信號進行上變頻并發(fā)送到被測件( 在本例中為60 GHz 鏈路)。接下來，使用外部器件( 例如是德科技智能混頻器或第三方下變頻器) 對信號進行下變頻。

最后使用Infiniium 示波器或裝有89601B 矢量信號分析軟件的PXA/EXA 對信號進行分析( 圖5)。

圖5. 對收發(fā)信機的分析結果將得到一個64QAM 星座圖(3 GSamples/s)，以及關于86 GHz 通信鏈路的Q 眼圖和I 眼圖。

測量結果總結

毫米波技術的不斷發(fā)展，正推動回程從傳統技術向更經濟、大容量的E-band 點對點鏈路轉變。但是，與這些鏈路有關的技術挑戰(zhàn)使得本已非常困難的設計和測試過程變得更加復雜。令人高興的是，用于元器件測試的N5251A 毫米波網絡分析解決方案以及用于通信鏈路測試的毫米波信號生成和分析解決方案，將幫助設計和測試人員輕松應對這些挑戰(zhàn)。它們可以為當前的工程師提供重要的工具，確保E-band 回程正常工作，進而幫助此項技術不斷發(fā)展和普及。

強大能力加速無線設計和測試

是德科技是無線測試行業(yè)的領導企業(yè)，致力于通過以應用為中心、針對現有和新興標準特別優(yōu)化的測試測量平臺，提供最高性能的無線器件和網絡設計和測試。除了卓越的研發(fā)和現場支持之外，是德科技還幫助工程師在不斷演進的無線行業(yè)中更好地分析各種復雜問題，加快產品的開發(fā)速度。