根据 5G 新空口测试标准测试 24 GHz 至 28 GHz 功率放大器及相关测试挑战与结果

移动高清视频和自主车辆以及工业 IoT 等大量应用导致移动网络的数据要求不断增加,意味着将需要在毫米波频率部署部分全新 5G 网络,而英国已针对 24.25 GHz 至 27.5 GHz 频段定义了 26 GHz 先锋频段。

与 4G 网络相比,5G 网络频率增加了近 10 倍并带来了诸多挑战,包括设计和实施必要子组件、网络基础设施和最终用户设备,以及用于推动这些开发工作的测试与测量方法挑战。

此次我们将介绍在这些频率中测试与测量设备的主要挑战。之后,我们将展示使用 5G NR 测试波形测试 26 GHz 至 28 GHz 先锋频段双通道放大器评估模块。

Tudor Williams1,Darren Tipton2,Florian Ramian3

1 Compound Semiconductor Applications Catapult, Regus House, Falcon Drive, Cardiff Bay, Cardiff CF10 4RU, UK

2 Rohde and Schwarz UK Ltd, Harvest Crescent, Fleet, GU51 2UZ, UK

3 Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG. Muehldorfstrasse, Munich, Germany

简介

直到最近,3GPP 移动通信标准才迎来可在 2 GHz 至 3 GHz 频率范围内操作且单通道带宽不超过 20 MHz 的频段。随着 3GPP R15 规范和 5G 新空口 (5G NR) 技术推出,这种情况发生了变化,可以在 sub 6 GHz 和毫米波频谱范围内分别提供高达 100 MHz 和 400 MHz 的通道带宽。

对比 LTE 标准和 3GPP 38.141 5G 标准测量,可以发现多种 LTE 测量方法已复制到 5GNR 同等测量中。但是,由于 5G 新空口标准增加了其他“模式”,因此可能的测量方法数量也显著增加。主要差异包括:

  • 频率范围 1 FR1 (sub 6 GHz) 和频率范围 2 FR2(毫米波)
  • 传导测量与辐射测量
  • FDD 与 TDD
  • 不同带宽(5 MHz 至 100 MHz 或 400 MHz)
  • 子载波间隔 (SCS)
测量挑战

测量挑战

3GPP 38.141-1 文档介绍了传导测量,38.141-2 文档描述了辐射测量。文档指出,在 FR1 和 FR2 频率范围内,采用 256QAM 调制方案时 EVM 性能需低于 4.5%。

该文档还讨论了每种通道带宽的 EVM 计算要求,以及每种所用子载波间隔的 FFT 大小和 EVM 窗口要求,这些都是分析信号处理必须予以关注的因素。

尽管 FR1 中的 EVM 测量可以采用传导测量和辐射测量两种形式,但 FR2 中的 3GPP 测量应仅在辐射环境中执行,而这与当前标准显著不同,并且是毫米波频率内更高集成要求导致的直接结果。在毫米波频率范围内,预计电路上将无任何测量点可以执行传导测量,这增加了系统设计工作量以及测试复杂性。

考虑到在 FR2 辐射测量中需满足 EVM 限值为 4.5% 的严苛要求,需要考虑三个重要因素,并处理相应标准未完全满足的任一因素:

  • 1. 频率响应(幅度和相位)导致的 EVM 影响
  • 2. 噪声导致的 EVM 影响
  • 3. 失真(如功率放大器的非线性效应)导致的 EVM 影响

由于 3GPP 38.141 第 6.6.3.1 部分描述的 EVM 定义包含使用均衡,因此测量中的 EVM 影响大部分都包含在标准中。这将在测量过程中自行校正通道的频率和相位响应。

噪声导致的 EVM 测量影响比较难以处理,尤其是在 OTA 环境中。测量人员必须充分考虑测量系统的整体链路预算,以确保系统的噪声性能不会影响被测设备的 EVM。

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项目 1 可以通过均衡器进行特性测量和补偿,项目 3 可以通过数字预失真进行特性测量和补偿,但测量点 2 仅可以进行 EVM 特性测量,但无法进行补偿,只能通过设计尽量降低影响。图 1 显示了不含被测设备的 EVM 测试系统的原始性能,强调需要优化毫米波频率范围内的链路预算。与 sub 6 GHz 频段中执行的测量相比,毫米波频段测量的动态范围较小。

对于本文中的被测设备测试,连接设备后使用符合 3GPP 的波形和分析方法,以便相应结果可为整体系统设计提供有用信息。

Testing-24-28GHz-Power-Amplifier-using-5G_03.png

测试装置

图 1 展示的测试装置包括一台 SMW200A 矢量信号发生器(40 GHz 射频带宽,最高 2 GHz 调制带宽)、FSW43 信号与频谱分析仪(43.5 GHz 射频带宽,2 GHz 分析带宽,800 MHz 实时带宽),以及 E36313A 可编程直流电源(用于偏置放大器的两个阶段)。

测试第一阶段在 SMW200A 中使用发行版本的 SMW-K144 选件,该选件可生成符合上述 3GPP 标准的纯净 5G NR 波形。在本例情况下,该选件提供了平坦频率响应以及高达 2 GHz 的带宽,在 FSW 中使用相应 FSW-K144 选件时,可以在传导测量范围内使用符合标准的参数,针对下行链路信号进行所需的深度分析。

测试第二阶段关注放大器的数字预失真 DPD,以确定使用激励信号(导致被测设备失真)时的设备性能。使用符合 3GPP 标准的波形执行这些测量,同时利用 FSW 信号分析仪的相应 FSW-K18 放大器测试固件。除 EVM 之外,此固件还可测量 DPD 应用前后的其他设备特性,例如 AM/AM、AM/PM、增益压缩和 ACP,以显示在最终测试系统中可实现的最佳设备性能。

设备说明

测试设备——24 GHz 至 28 GHz 双通道功率放大器

2019 年世界无线电通信大会 (WRC-19) 将就毫米波 5G 的最终工作频段达成一致;在欧洲,RSPG 于 2016 年 11 月在其《欧洲战略路线图》中提议将 26 GHz 频段(24.25 GHz 至 27.5 GHz)作为毫米波 5G 的先锋频段。

图 3 展示了 Plextek RFI 开发的 24 GHz 至 28 GHz 功率放大器 MMIC,该功率放大器涵盖先锋频段且性能卓越。该部件经专门设计,P1dB 输出大于 24.5 dBm,增益约为 20 dB,1 dB 压缩条件下频段范围内 PAE 超过 22%,6 dB 回退功率条件下 PAE 超过 7%。

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未来 5G 网络面临的重大挑战之一将是需要实现高度集成(例如用于波束控制的相控阵列),在此类情况下可能将需要在单个封装中实现多个 MMIC。

此类集成示例包括,Compound Semiconductor Applications Catapult 委托 Plextek RFI 和 Filtronic 合作开发、设计并制造评估模块,其中在单个低成本 7 mm x 7 mm 层压 QFN 封装中安装 2 个上述功率放大器 MMIC。

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所实现的双通道放大器如图 4 所示,MMIC 性能与射频晶圆上测量相似,仅微小信号和功率性能方面有微弱变化。

图 5——参考输入功率的增益
图 5——参考输入功率的增益
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图 6——参考输入功率的 ACPR 性能
图 6——参考输入功率的 ACPR 性能
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测量结果

增益和 ACP——参考测量

为了尽量确保测量难度,使用符合 5G NR 下行链路标准的波形进行测量,中心频率为 26 GHz,具有 400 MHz 带宽并采用 256 QAM 调制方案。
在远离压缩的测量点处测量设备的“参考”RMS 增益,测得结果为 19.6 dB。增益性能测量结果如图 5 所示,ACP 性能测量结果如图 6 所示。

图 7——24 GHz 至 28 GHz 功率放大器 MMIC
图 7——24 GHz 至 28 GHz 功率放大器 MMIC
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压缩测量

设备的最大额定输入功率为 10 dBm 峰值。据此,决定尽量驱动设备以获得此类情况下的较差测量结果。

在此情况下提供输入信号,导致输入功率为 -1.3 dBm,增益为 19.1 dB,并且信号的波峰因数压缩为 1.8 dB。

在这些条件下,放大器的平均 EVM 为 5.1%(图 7)

图 8——“未使用已知数据”重度压缩情况下符合 3GPP 标准
图 8——“未使用已知数据”重度压缩情况下符合 3GPP 标准

现在,在符合 3GPP 标准的信号处理条件下测量该设备,EVM 测量值降低至 4.69%。(图 8)。这是因为在 3GPP 测量条件下,信号分析仪将尝试在解调期间重建参考信号。如果解调信号严重失真(包括误码),这将产生错误的参考信号,并因此导致 EVM 测量值错误。

如要在这些条件下正确测量 EVM,系统必须完全了解已发送信号,即必须使用已知的数据方法。

设备制造商和测量工程师需要注意这个关键点。

图 9——重度压缩条件下的 ACP
图 9——重度压缩条件下的 ACP
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在邻道性能方面,400 MHz 偏置条件下,原始放大器性能的邻道功率可达到 32 dBc(下相邻通道)和 33.5 dB(上相邻通道)。

在压缩测量 3 dB 功率和 6 dB 回退功率条件下执行 ACP 测量,分别获得 38 dBc 和 43 dBc 测量值。

图 10——应用 DPD 后的 EVM
图 10——应用 DPD 后的 EVM
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应用 DPD 后的测量结果

可以在补偿设备的非线性效应时展示设备“能”实现的最佳性能,这也是将在网络中部署的最终产品将出现的真实情况。

为此,我们使用 FSW 的内置 DPD 算法测量 DPD 应用前后的 EVM 和 ACP 数值。这种直接 DPD 方法所使用的算法在参考文档 [2] 和 [3] 中有所描述。

中心频率仍为 26 GHz,并继续使用满载 256 QAM 400 MHz 带宽载波。同样,以放大器测量功率驱动放大器,使其进入重度压缩状态。

图 11——应用 DPD 后的 ACP
图 11——应用 DPD 后的 ACP
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上述 5.2 部分介绍了应用 DPD 之前的性能测量结果,应用 DPD 之后 EVM 从 5.1% 降低至 1.7%。

应用 DPD 之后,ACP 同样显著改善,从 32 dB 提高至 42 dB 左右。

图 12——应用 DPD 前的 AM-AM、AM-PM 性能
图 12——应用 DPD 前的 AM-AM、AM-PM 性能
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图 12 和 13 清楚显示放大器的 AM-PM 性能得到显著改善,并显示了校正前后的相应 AM-PM 性能。从图中可以看出,校正后 10° 压缩条件左右的 AM-PM 测量值显著降低,几乎可以忽略不计。

图 13——应用 DPD 后的 AM-AM、AM-PM 性能
图 13——应用 DPD 后的 AM-AM、AM-PM 性能
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结论

在放大器的正常操作条件下,为实现最大效率,通常以压缩或近压缩状态驱动放大器。为达到 3GPP 标准规定的 4.5% EVM 目标,放大器显然需要应用一定程度的预失真。

在推动放大器达到性能限值时进行测量,会遇到一系列测量挑战,包括动态范围以及准确、可重复的调制质量测量。射频工程师必须了解设备在符合 3GPP 标准的操作条件以及真实操作条件下的性能限值。

本文由多名业内合作伙伴共同完成,介绍了有关 5G 新空口重要主题的主要设计和测量挑战。

参考

[1] 3GPP TS 38.141-1 和 38.141-2 v1.1.0,第三代合作伙伴计划;基站 (BS) 一致性测试。

[2]“使用非连续波激励信号的放大器特性测量”(Amplifier Characterization Using Non-CW Stimulus ),http://ieeexplore.ieee.org/iel7/7990360/7999522/07999563.pdf

[3] 罗德与施瓦茨应用指南《1EF99:迭代式直接 DPD》(1EF99: Iterative Direct DPD),https://www.rohde-schwarz.com/us/applications/iterative-direct-dpd-white-paper_230854-478144.html

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