Application Notes

Charakterisierung von Beamforming-ICs für Phased-Array-Antennen

Integrierte Beamforming-Schaltkreise (Beamforming-ICs) verringern die Abmessungen der Antennenzuführungselektronik erheblich. Mit Mehrtor-Netzwerkanalysatoren lassen sich die erforderlichen Messungen mit einem einzigen Instrument bewältigen.

Ihre Anforderung

In der Luftfahrt- und Verteidigungsbranche ist Beamforming mit Phased-Array-Antennen eine gängige Technologie bei Radaren und elektronischer Kampfführung. In der Satellitenkommunikation und bei 5G NR wird Phased-Array-Beamforming zu einem Standardkonzept.

Mit ansteigenden Trägerfrequenzen schrumpfen die Abmessungen der Antennenelemente, sodass weniger Platz für die Speise-Schaltkreise zur Verfügung steht. Damit erhöht sich der Druck, die Baugröße zu reduzieren. Um die Keulenbreite zu verschmälern, steigt die Anzahl an Antennenelementen im Phased-Array-Antennensystem. Die Kosten und die Größe pro Elementspeisung gewinnen immer mehr an Bedeutung.

Mit integrierten HF-Beamforming-ICs werden Phase und Gewinn pro Pfad sowie Verstärkungsmöglichkeiten für die Sende- und Empfangskanäle angepasst.

Derartige Beamformer-ICs unterstützen vier oder mehr Antennenelemente pro Eingangssignal. Eine vollständige Charakterisierung und Kalibrierung erfordert die gleichzeitige Bewertung sämtlicher Messtore.

Lösung von Rohde & Schwarz

Ein echter Mehrtor-Vektornetzwerkanalysator (VNA) ist das ideale Werkzeug, um diese Anforderung zu erfüllen. Eine parallele Verbindung zu allen HF-Toren des Beamformer-ICs ermöglicht eine schnelle und direkte Evaluation aller individuellen Kanäle und des relativen Verhaltens im Beamformer-IC. Mit einer gleichzeitigen Messung an bis zu 24 Toren lässt sich ein Beamforming-IC in allen Einzelheiten charakterisieren sowie die Kreuzkorrelationseffekte sehen, während alle Antennenverbindungen beobachtet werden.

Alle Messtore des Beamforming-ICs auf einen Blick mit dem R&S®ZNBT Mehrtor-VNA
Alle Messtore des Beamforming-ICs auf einen Blick mit dem R&S®ZNBT Mehrtor-VNA
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Für Beamforming-Applikationen muss die Phase eines jeden Pfads präzise angesteuert werden. Hochauflösende Phasenschieber, die im Messobjekt integriert sind, ermöglichen eine Auflösung von bis zu wenigen Grad für eine exakte Strahllenkung. Dank der pro Pfad einstellbaren Pegel lassen sich die Nebenkeulen des erzeugten Strahls niedrig halten. Ein leistungsstarker VNA stellt äußerst exakte absolute und relative Messungen von Phase und Pegel sicher. Die Überprüfung der Impedanzanpassung des Beamformer-ICs an die Antenne ist eine Standardaufgabe eines jeden Vektornetzwerkanalysators.

Üblicherweise werden die Sende- und Empfangspfade getrennt getestet. Beide umfassen die Einstellung von Phase und Pegel zur Strahllenkung. Der Empfangspfad beinhaltet einen rauscharmen Verstärker (LNA), der Sendepfad einen HF-Ausgangsleistungsverstärker, der entweder als Endstufe oder als Steuerstufe für zusätzliche externe Leistungsverstärker dient. Erste Tests zur Bestimmung von Linearbereich, Kompressionspunkt und Intermodulation mit Zweiton werden idealerweise mit einer gemeinsamen Testplattform durchgeführt.

Der VNA ermöglicht die Charakterisierung von jedem einzelnen Funktionsblock innerhalb des Beamformer-ICs – von Schaltebenen bis zu Verstärkern. Linearität und Stabilität von Phase und Pegel sind wichtig, um eine stabile und zuverlässige Strahlformung sicherzustellen. Um beispielsweise Temperatureffekte zu kompensieren, wird das Messobjekt unter veränderlichen Bedingungen charakterisiert, um Kalibrierdaten zu erzeugen, die in der finalen Applikation als Look-up-Tabellen dienen.

Spezieller Bedarf für breitbandig modulierte Signale wie bei 5G NR und der Satellitenkommunikation

Um ein zufriedenstellendes Benutzererlebnis sicherzustellen, muss die Signalqualität die durch den Standard vorgegebenen Anforderungen erfüllen. Die integrierten Verstärker müssen den Vorgaben in Bezug auf EVM und ACLR genügen, um eine Datenübertragung mit geringer Bitfehlerrate zu ermöglichen.

Rohde & Schwarz bietet eine leistungsstarke, breitbandige Testlösung, die die Millimeterwellen-Bänder (einschließlich der 5G-Bänder) abdeckt, um die integrierten Verstärker zu charakterisieren.

Tests eines Beamformer-ICs mit dem ZNBT Mehrtor-Vektornetzwerkanalysator
Tests eines Beamformer-ICs mit dem R&S®ZNBT Mehrtor-Vektornetzwerkanalysator