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分布式VNA架構 有效解決毫米波OTA測試難題

—— 降低測試復雜度
作者:王岫晨時間:2022-10-06來源:CTIMES收藏

對于無線數據帶寬的快速成長需求,正加速擴大并推動行動數據的用戶體驗,這對于現有網絡的可用頻譜使用上也造成了一定的壓力。為了克服通訊產業不斷增加的需求,通訊產業正在研究可用于開發新的5G無線技術,以推動市場成長的其他頻段。

發展現況
目前5G的應用偏重在FR1頻段,FR2頻段幾乎還看不到,最主要的問題還是在于天線耗能,以及FR2的穿透力等問題。
目前的標準演進,正持續超越傳統的增強型行動寬帶(eMBB)通訊,以支持超可靠低延遲通訊(URLLC)的應用。URLLC 的目標鎖定在1毫秒甚至更低延遲的應用上,以及超過 99.999%的可靠性,而且必須在行動終端跨基地臺移動切換期間,持續保持這樣的傳輸水平。根據預測,URLLC的應用在近年會有更高的年復合成長率。URLLC可以支持物聯網端點密集傳感器網絡所需的基本功能,而對于能源傳輸、運輸、制造和醫療保健領域的許多特殊應用,URLLC也非常適用。URLLC可以應用于需求安全性和穩定性的相關應用上,例如自動駕駛、工業自動化和機器人、無人機運輸與遠程醫療等。

以URLLC為核心的應用,需要技術才能達到一致性、安全性和低延遲的數據傳輸。URLLC 有助于實現工廠流程控制和電力系統自動化,而相關廠商也透過在工廠中開發5G網絡來推動的市場成長,并進一步實現工業控制自動化的目標。這種由5G的發展所帶動的智能工業流程和機器聯網,被稱為工業 4.0。這樣的過程也意味著需要在機器之間進行實時通訊以產生大量可用數據進行分析,加速工業的自動化。5G的低延遲、超高可靠性、高帶寬等特性,可以有效將工業4.0導入智能倉庫和配送中心。而工業4.0的趨勢,也將使工業制造的流程自動化和數據分析發展更為熱絡。

FR2頻段挑戰重重
臺灣安立知業務暨技術支持部經理林光韋指出,在車用高頻的部分,包括60GHz與77、79GHz等都是車用雷達所使用的頻段。這部分由于是車用,牽涉到乘車人員的安全,需要更長周期才能取得車用認證。而廠商受到的要求與認證也會更久。除了訂單問題,還必須通過車用認證這個關卡,這也成為77、79GHz波段發展速度較為遲緩的主因。

目前5G的應用偏重在FR1頻段,真正FR2頻段的采用幾乎還看不到,這其中最主要的還是在于天線耗能的問題,采用FR2將會非常耗電,而耗能又與基地臺數量問題息息相關,基地臺越少,手機的能耗將會更多。再來就是FR2的高頻穿透問題,FR2的訊號最適合使用的場景是在沒有遮蔽物的開闊地點、大型會場等,而非常不適合在高樓林立的市區使用。然而高頻的發展依然有其必要性,特別是對于整體通訊成本的節省,毫米波仍然有其一定的優勢存在,因此前景仍然看好。而面對高頻需求,特別是三倍頻與五倍頻這樣的狀況,儀器廠商仍然持續推出更為高頻的解決方案,方能滿足市場上頻率越走越高的發展現況。

臺灣安立知業務暨技術支持部副理林升鴻也表示,在毫米波頻段中,從現在幾乎必須放眼到160到300GHz,特別是面對B5G市場,然而如此高頻,在設計開發層面會面臨更大的挑戰。B5G解決了一些問題,但也帶來新的挑戰。例如材料的耗損如果更多,代表基地臺的發射功率也必須更大,因此如何更有效降低耗損將是急需面臨的課題。從基板、天線到封裝等部分都必須加以考慮。除了材料特性之外,PCB板上的天線設計,以及未來高速高頻組件相關設備,都是目前已經看到的可能挑戰。

以分布式架構解決測試難題
在過去,使用VNA進行 RF/μW屏蔽和傳播,通常需要非常長的測試端口電纜,才能到達測試設備的周圍。在這些測試所需的距離上,同軸電纜產生了非常關按的插入損耗和相位不穩定性,以至于必須使用不同的傳輸介質(例如光纜)來實現S參數測量。這些額外的硬件和設置的復雜性,大幅增加了進行傳播和屏蔽測量所需的成本和時間。

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圖二 : 傳統長纜線測試耗費巨額成本,分布式架構讓測試架構更簡潔。

目前安立知針對這樣的測試需求,推出了ShockLine ME7868A這款無機箱的2埠VNA,特色是其分布式架構的便攜式端口模塊,頻率范圍可以從1MHz到高達8、20、43.5GHz等。ME7868A的分布式架構,可以通過間隔達100米的端口模塊進行測試,如此一來,就可以將VNA裝置放置在靠近大型DUT或廣泛放置的測試天線上,而無需額外的復雜測試硬件設置。

林升鴻說,傳統的測試方式,必須銜接非常長的電纜線,這樣長的纜線容易導致訊號遞減,必須透過功率放大器來解決這樣的問題,這使得整體架構就必須考慮多一個功率放大器的成本,以及其運作的效能。包括未來低軌衛星以及其他毫米波的應用,在測試上都會有需要更長纜線的需求,不同長度的纜線,都需要改變功率放大器的設計,對于整體架構十分不友善。而安立知這款ME7868A解決方案,透過分布式架構,可以因應測試過程中,纜線長度的變化,因此可以非常有效解決這些測試遇到的挑戰。

ShockLine ME7868A的2端口VNA系統是特殊的分布式模塊化系統,由兩個MS46131A單埠VNA所組成。使用專利的PhaseLync同步技術,單一端口VNA在100米或更遠的距離內可以進行相位同步,來實現完整的2埠向量S參數測量。這種架構透過將VNA端口連接到DUT前,減少了對于長電纜的需求。 如此可以達到設置簡化,并有效改善無線 和大型屏蔽與傳播測試等應用中的S參數遠距離測量。ShockLine ME7868A這套2端口USB VNA系統提供超過100米的相位同步測量,也同時提高了S參數測量的動態范圍和測量穩定性。

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圖三 : 相控數組天線系統 OTA 性能測試示意圖。

結語
就目前的觀察,未來亞太地區的毫米波市場具有最高的年復合成長率,其主因是在于受到亞太地區技術進展的推動。預計中國將成為亞太地區毫米波市場成長速度最快的國家,其次是韓國。預測指出,到了2024 年,亞太地區將成為5G技術采用的領先地區,而由于政府的政策協助,亞太地區毫米波技術相關應用也正加速進行,這都將有助于毫米波頻段的驗證測試與未來發展規劃。

本文引用地址:http://www.danielliew.com/article/202210/438817.htm


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