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5G通信系統的創新 -- 毫米波及其運用和測試

2020-11-02 16:06:17 深圳市瑞普高電子有限公司 112

5G通信系統從最開始就提出了更快、更高、更強的口號,從1G到5G甚至到未來的通信系統,設計師們正是秉承著這個理想,來設計并升級一代一代的通信系統。

5G更強大的數據通信能力以及更豐富的連接場景的設計目標,如家庭影院、4K甚至8K的高清電影、VR、遠程醫療、車聯網等新興應用被各種腦洞暢想來填補。要滿足這些設計目標,沒點創新怎么能行?于是,Massive MIMO、毫米波等新技術名詞一度成為熱搜名詞。但也有人說,當3GPP決定5G NR繼續使用OFDM技術的那一刻,相比4G而言,5G其實沒有顛覆性的技術,而毫米波差不多成了5G最大的“新意”。

根據3GPP 38.101協議的規定,5G NR主要使用兩個頻段:FR1 和FR2:FR1(450MHz-6GHz),即通常所說的Sub 6GHz;FR2(24.25GHz-52.6GHz),即通常所說的5G毫米波頻段。FR1上即將發生的演變被很多人認為是對當前4G系統的演進,而對毫米波的拓展才是當前5G通信系統最大的新點和難點,因為就算是Massive MIMO這項技術,其實也更多地是為了補充毫米波頻段本身的缺陷。

在美國,當前主要的運營商還以發展毫米波5G為主,用于補充偏遠地區的用戶接入。在中國,雖然優先部署和發展Sub 6GHz 的5G系統,但到2019年這個即將商用的時間點,運營商們也開始逐步將眼光投射到毫米波頻段,用以實現5G通信系統的強大指標。

這不,就在不久前,工信部已經給中國移動香港發了頻段為26GHz-28GHz之間的毫米波牌照。除此之外,香港電訊和數碼通也同樣分別獲得了該頻段內的400MHz的帶寬。

 1) 什么是毫米波?

毫米波(millimeter Wave):波長在1-10mm的電磁波稱為毫米波,處于微波與遠紅外波相交疊的波長范圍,因而兼具兩種波普的特點。毫米波的理論和技術分別是微波向高頻的延伸和光波向低頻的擴展。

 2) 為什么要擴展到毫米波?

簡單來說,應用驅動需求。很多年以前,無線通信應用不像現在這般擁擠繁榮。30GHz以內的頻譜足夠應付各種應用,而我們所熟悉的移動通信系統更是基本集中在6GHz以下的優質頻譜上。不過經過多年的發展,6GHz以內的優質頻譜資源已經基本擠不下任何東西了,無論如何折騰(淘汰過往的應用、采用認知無線電技術來復用頻譜等),移動通信系統的頻譜資源短缺和沖突依然是最為嚴峻的問題。現在要開發新的5G系統,僅僅靠部分運營商騰出一些2G時代的少量頻譜資源怎么夠。直到有一天,有人突然發現,那不是還有一大片毫米波頻段么!毫米波頻段就像一塊未開發的處女地,一片新大陸,為移動用戶和運營商提供了大量的可用頻譜資源。

 3) 毫米波的優點?

優點1

極大的帶寬。通常認為毫米波頻率范圍是26.5GHz-300GHz,帶寬高達273.5GHz,超過從直流到微波全部帶寬的10倍。即使考慮大氣吸收因素,毫米波段有很大一部分帶寬并不適合“居住”,使得毫米波段只有四個主要的可用窗口,但這四個窗口的總帶寬也可達135GHz。

優點2

波束窄。在相同天線尺寸下,毫米波的波束要比微波的波束窄的多。例如一個12cm的天線,在9.4GHz時波束寬度為18度,而在94GHz波束寬度僅為1.8度,因此毫米波往往被用于分辨更近的小目標或者更為清晰的觀察目標的細節。

優點3

與激光相比,傳播受氣候影響小很多,因此可以認為具有全天候特性。

優點4

與微波相比,毫米波元器件的尺寸要小很多。因此更容易小型號。

 4) 這么一大片新大陸,怎么現在才想起來搬過去?

雖說毫米波頻段有以上的各種優點,但要將其應用于移動通信系統,也有諸多難點:

難點1

毫米波的傳輸距離實在有限,要用在大規模覆蓋上難度不小,高密度部署的話成本也頗高,這也是目前很多運營商比較頭疼的問題。老師教導我們,無線電波的頻率越高,傳播距離越短。在理想的自由空間傳播條件下,一個70GHz的毫米波傳播10米之后損耗高達89dB;而在非理想的傳播條件下,傳播損耗更是大的多。因此,毫米波系統必須通過提高發射功率、提高天線增益、提高接受靈敏度等各種方法來補償這么大的傳播損耗。現在5G通信系統里引入了Massive MIMO大規模天線陣列技術等,也是為向毫米波頻段搬家修好道路。

難點2

成本高。過去毫米波器件/芯片一直用于軍事領域而無法大規模商用。但最近幾年,通過使用SiGe、GaAs、GaN、InP等材料并結合新的生產工藝,工作于毫米波段的芯片上已經集成了小至幾十甚至幾納米的晶體管,大大降低了成本。為毫米波的商業化應用提供了可能。

 5) 開發新大陸,你的器件/芯片都準備好了么?

雖然從技術理論層面上看,Massive MIMO的引入、大功率器件的規模生產能在一定程度上解決毫米波傳播距離受限的約束,不過要想達到預定的指標,整個毫米波鏈路上的所有器件和芯片都必須完美配合。每個器件/芯片各司其職,才能使整個系統最終達到預定指標。

此外,在成本指標越來越嚴的要求下,您設計和生產的毫米波器件和芯片的性能還有多少裕量也是一個值得考量的問題。今天小編就專門就針對5G毫米波頻段的器件/芯片測試,再為您梳理一遍~

5G通信鏈路上典型的毫米波芯片/器件等如下:放大器,濾波器,混頻器,傳輸線,天線等。針對這一系列毫米波器件/組件,我們可以總結出一系列通用的測試需求,如下:

 

image.png

 

針對以上測試需求,Keysight 強大的網絡分析儀單機頻率覆蓋到67GHz,提供諸如S參數、增益壓縮、交調測試、脈沖激勵測試等一系列測試能力毫無壓力,是一臺真正意義上的毫米波器件/組件綜合測試系統。結合外部擴頻頭,還可提供1100GHz頻段的測試擴展能力。

 

通用指標測試

5G毫米波組件/器件的On Wafer測試+全參數測試

1)DUT尺寸小,需配合探針臺與儀表儀器進行DUT測量

2)DUT測試端口連接次數有限,最好能進行一次連接多參數測試

3)校準較為困難,耗時影響效率,儀表的穩定度一定要好,且能多通道同時校準!

4)DUT沒有封裝,要考慮散熱和屏蔽的問題,因此要使用脈沖式的測試方法

以上所有On Wafer測試需求,Keysight的PNA網絡分析儀,一臺儀表,全部滿足!而針對非wafer級的全參數測試,我們的PNA更是妥妥滿足您的測試需求~下圖是我們在On Wafer測試中進行噪聲系數校準的連接圖和校準步驟~

 

image.png

 

如下是我們PNA-X N5290/91A的典型配置

 

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當然,對于放大器等芯片/器件,除了通用測試指標之外,往往需要測試系統級的放大性能。以后我們還會介紹如毫米波放大器芯片的系統級測試方案,敬請留意關注。



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