5G 承諾比前幾代無線通信技術(shù)有顯著改進(jìn)，特別是在速度、延遲、帶寬和質(zhì)量方面。大部分增益來自對毫米波 (mmWave) 頻譜中的 5G 頻率范圍 2 (FR2) 的利用。

毫米波頻譜對于無線通信的使用很有吸引力，因?yàn)檫@些頻段的利用率相對較低，這意味著有足夠的可用帶寬。毫米波傳輸比其他無線通信信號更小，因此非常適合在密集的城市地區(qū)進(jìn)行高速傳輸，那里許多設(shè)備都在附近運(yùn)行。

然而，毫米波在 5G 通信方面的優(yōu)勢被若干技術(shù)挑戰(zhàn)部分抵消。首先，毫米波不會(huì)傳播很遠(yuǎn)——毫米波傳輸很容易被大氣吸收，不會(huì)穿透樹木、建筑物墻壁和其他基礎(chǔ)設(shè)施。使用無線 (OTA) 測試設(shè)備和方法準(zhǔn)確測量毫米波設(shè)備的性能也很困難。毫米波的寬帶寬——對于 5G 通信來說是一個(gè)非常有吸引力的特性——也會(huì)降低信噪比 (SNR)，因?yàn)閬碜孕盘柕哪芰繒?huì)在整個(gè)帶寬內(nèi)傳播。最后，毫米波使用高階調(diào)制方案來提高頻譜效率，這反過來又需要提高誤差矢量幅度 (EVM) 性能。

信號分析儀框圖

隨著信號強(qiáng)度的降低，用于測量信號強(qiáng)度的測試系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲也會(huì)降低 SNR，從而影響結(jié)果。因此，信號分析儀旨在處理多種類型的測試應(yīng)用，包括高功率和低功率模式、窄帶和寬帶信號模式、頻譜或矢量模式。然而，這種多功能性將許多可能的組件引入信號路徑，包括低噪聲放大器 (LNA)、前置放大器、衰減器、預(yù)選濾波器等。應(yīng)用或調(diào)整其中一些組件可以提高不同測試場景的測量精度。

本文探討了毫米波頻率帶來的一些技術(shù)挑戰(zhàn)，以及這些挑戰(zhàn)對進(jìn)行準(zhǔn)確、可重復(fù)的測量所帶來的困難。本文還提出了通過利用不同的信號路徑設(shè)置來提高信號分析儀測量精度的策略。

路徑損耗

過多的路徑損耗是 5G 毫米波通信中最令人頭疼和最常被提及的挑戰(zhàn)之一。被測設(shè)備 (DUT) 和測量設(shè)備之間的路徑損耗會(huì)降低 SNR，從而難以對 EVM、相鄰信道功率和雜散發(fā)射等指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確測量。

使問題更加復(fù)雜的是，組件和天線陣列的小尺寸消除了放置探針進(jìn)行傳導(dǎo)測試的可能性，因此需要使用 OTA（或輻射）測試。OTA 測試要求與毫米波傳輸?shù)倪^度信號路徑損耗相結(jié)合，需要對測試裝置周圍的輻射環(huán)境進(jìn)行控制和校準(zhǔn)。

抵消信號路徑損耗需要靈活的信號分析儀硬件和軟件，以便為特定信號和測量創(chuàng)建最佳解決方案。例如，信號分析儀可以在較高功率電平下應(yīng)用衰減或在較低功率電平下應(yīng)用前置放大器來測量各種輸入信號。信號分析儀提供多個(gè)射頻信號路徑以降低噪聲、提高靈敏度并減少信號路徑損耗。

測量低電平信號（默認(rèn)信號路徑）

默認(rèn)情況下，在信號分析儀的標(biāo)準(zhǔn)信號路徑中，輸入經(jīng)過射頻衰減器、前置放大器和預(yù)選器后到達(dá)混頻器。該信號路徑非常適合測量帶寬小于 45 MHz 的低電平信號。

分析寬帶矢量信號（微波預(yù)選器旁路）

毫米波寬帶信號的測量尤其具有挑戰(zhàn)性。當(dāng)增加射頻分析帶寬以分析寬帶寬矢量信號時(shí)，繞過信號分析儀的預(yù)選器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)樗试S寬帶寬信號不受阻礙地通過射頻鏈。繞過預(yù)選器不僅可以進(jìn)行寬帶分析，而且還消除了幅度漂移和預(yù)選器的通帶紋波，進(jìn)一步提高了測量的整體精度。

微波預(yù)選器旁路

改進(jìn)調(diào)制分析（低噪聲信號路徑）

低噪聲信號路徑非常適合進(jìn)行 EVM 測量和其他在更高功率電平下測試發(fā)射機(jī)調(diào)制質(zhì)量的測量。由于放大器的增益、頻率響應(yīng)和插入損耗在較高頻率下復(fù)合，因此繞過前置放大器路徑和前置放大器中的有損開關(guān)可提供最佳射頻信號路徑。該路徑減少了路徑損耗以及前置放大器和開關(guān)產(chǎn)生的頻率響應(yīng)和噪聲。為更高頻率的寬帶 EVM 測量結(jié)果選擇此信號路徑可提高測量靈敏度并提高信號保真度。

寬帶調(diào)制分析（全旁路信號路徑）

全旁路信號路徑可減少路徑損耗、提高信號保真度并提高測量靈敏度。與默認(rèn)信號路徑相比，全旁路信號路徑可將毫米波頻率的損耗降低多達(dá) 10 dB。

全旁路信號路徑是低噪聲信號路徑和微波預(yù)選器旁路路徑的組合，避免了低頻段開關(guān)電路和微波預(yù)選器中的多個(gè)開關(guān)。雖然使用全旁路路徑的優(yōu)勢很明顯，但該路徑也有一些缺點(diǎn)，包括潛在的帶內(nèi)成像和用于測試低功率信號的低 SNR。但是，通過添加帶通濾波器消除感興趣頻帶中的圖像可以將 EVM 結(jié)果提高 1 到 2 dB。在測試低功率信號時(shí)，外部前置放大器也可以提高 SNR。

其他注意事項(xiàng)

影響 5G 毫米波測量精度的另一個(gè)關(guān)鍵因素是輸入混頻器電平。信號分析儀的輸入混頻器電平設(shè)置提供了失真性能和噪聲靈敏度之間的折衷。如上所述，由于寬帶噪聲和過多的路徑損耗，5G 毫米波信號的 SNR 會(huì)降低，從而導(dǎo)致較差的 EVM 和相鄰功率比測量結(jié)果不能代表 DUT 的實(shí)際性能。

信號分析儀的輸入混頻器是另一個(gè)有助于克服 5G 毫米波頻率測量挑戰(zhàn)的工具。最佳混頻器電平設(shè)置取決于測量硬件、輸入信號特性和規(guī)范測試要求。還可以將外部 LNA 應(yīng)用到信號分析儀的前端，以優(yōu)化混頻器的輸入電平。一些新的信號分析儀，例如 Keysight N9042B UXA X 系列信號分析儀，在信號路徑中包括一個(gè) LNA 以及前置放大器。這使用戶無需外部組件即可獲得使用 LNA 優(yōu)化混頻器輸入電平的好處。

為獲得最佳 EVM 測量結(jié)果，信號分析儀的中頻 (IF) 噪聲必須足夠低，以免進(jìn)一步降低 SNR。數(shù)字化儀的輸入信號必須足夠高，但又不能太高而使數(shù)字化儀過載。最佳平衡是一種微妙的舞蹈，需要結(jié)合射頻衰減器、前置放大器和基于信號峰值電平的 IF 增益值。新的信號分析儀使用戶能夠一鍵優(yōu)化這些硬件設(shè)置，提高信噪比，同時(shí)避免數(shù)字化儀過載。但是，通常需要手動(dòng)調(diào)整 IF 增益和 RF 衰減器等設(shè)置以獲得最佳設(shè)置，從而產(chǎn)生最佳測量結(jié)果。

信號路徑中的組件

進(jìn)行準(zhǔn)確的 5G 毫米波測量需要考慮的另一個(gè)關(guān)鍵因素是信號分析儀和 DUT 之間路徑中組件的影響。信號路徑中的組件會(huì)降低信號分析儀的整體測量精度。

必須考慮所有測試網(wǎng)絡(luò)元素。

隨著帶寬越來越寬和頻率上升到毫米波頻譜，測量精度變得更加關(guān)鍵。由于誤差容限較小，工程師需要找到消除頻率響應(yīng)誤差的方法，這些誤差發(fā)生在不同的頻率上，會(huì)影響相位和幅度響應(yīng)。信號分析儀提供內(nèi)部校準(zhǔn)程序來校正其頻率響應(yīng)。

信號分析儀和 DUT 之間的信號路徑中的電纜、連接器、開關(guān)和固定裝置會(huì)因頻率響應(yīng)誤差而降低測量精度。使用不同的幅度校正配置和復(fù)雜的校正有助于消除頻率響應(yīng)，從而提供更準(zhǔn)確的 DUT 性能圖。

信號分析儀可以配置幅度和復(fù)數(shù)校正以校正頻率響應(yīng)（盡管需要高性能信號發(fā)生器或矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來校準(zhǔn)測試網(wǎng)絡(luò)）。使用信號發(fā)生器結(jié)合功率計(jì)和傳感器測量幅度，然后將校正值輸入信號分析儀是進(jìn)行幅度校正的有效方法。專為信號分析儀接收器測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新型接收器校準(zhǔn)器（例如 Keysight U9361 RCal 接收器校準(zhǔn)器）提供了一種傳輸標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)絕對幅度和復(fù)幅度和相位校正。

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頻率擴(kuò)展器連接到接收器校準(zhǔn)器。

在毫米波頻率下對 5G 進(jìn)行準(zhǔn)確測量

5G 的前景——尤其是 5G 的 mmWave FR2 頻段——是顯而易見的。它在速度、帶寬和性能方面提供了階梯式的提升，并將最終實(shí)現(xiàn)全新的用例和業(yè)務(wù)模型。但是使用毫米波頻率存在障礙，特別是在路徑損耗方面，這使得進(jìn)行準(zhǔn)確、可重復(fù)的測量變得具有挑戰(zhàn)性。了解和利用信號分析儀上的各種射頻信號路徑選項(xiàng)可以幫助您在進(jìn)行 5G 毫米波測量時(shí)克服這些挑戰(zhàn)。

審核編輯：湯梓紅