Como testar um amplificador de potência entre 24 e 28 GHz usando o novo padrão de teste de rádio 5G NR, Desafios e resultados

Tudor Williams¹, Darren Tipton², Florian Ramian³

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

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

³ Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG. Muehldorfstrasse, Munique, Alemanha

Introdução

Até pouco tempo atrás, os padrões de comunicação móvel 3GPP tinham bandas que operavam próximas à faixa de frequência entre 2 e 3 GHz, com larguras de banda de canal único que não excediam 20 MHz. Com a versão 15 do 3GPP e a tecnologia 5G New Radio (5G NR), isso mudou, fornecendo larguras de banda de canal de até 100 MHz em espectro inferior a 6 GHz e de até 400 MHz em espectro de ondas milimétricas.

Comparando as medições entre o padrão LTE e a versão 5G do 3GPP 38.141, vemos que muitos dos métodos de medição de LTE foram duplicados para os equivalentes ao 5G NR. No entanto, devido ao número de “modos” adicionais no 5G NR, a quantidade de medições possíveis aumentou significativamente. As principais diferenças são:

• Faixa de frequência 1 FR1 (inferior a 6 GHz) e FR2 (ondas milimétricas)
• Medições conduzidas ou irradiadas
• FDD, TDD
• Larguras de banda diferentes (entre 5 e 100 MHz ou 400 MHz)
• Espaçamentos de subportadora (SCS)

Desafios de medição

O documento de 3GPP 38.141-1 descreve as medições conduzidas, e o 38.141-2 trabalha com medições irradiadas. Esses documentos declaram que um desempenho de magnitude vetorial de erro < 4,5% é necessário para 256QAM em faixas de frequência FR1 e FR2.

O documento também aborda os requisitos de cálculo de magnitude vetorial de erro para cada largura de banda de canal e os requisitos de tamanho de FFT e janela de magnitude vetorial de erro para cada espaçamento de subportadora usado que o processamento de sinal da análise deve levar em consideração.

Embora as medições de magnitude vetorial de erro em FR1 possam ser tanto conduzidas quanto irradiadas, as medições padrão do 3GPP em FR2 devem ser realizadas apenas em um ambiente irradiado. Isso é um desvio significativo dos padrões existentes e resultado direto do nível muito mais alto de integração, exigido em frequências de ondas milimétricas, onde espera-se que não haverá nenhum ponto no circuito em que medições conduzidas possam ser realizadas, o que aumenta tanto o projeto do sistema quanto a complexidade do teste.

Dado um limite de magnitude vetorial de erro desafiador de 4,5% em medições irradiadas de FR2, há três pontos principais a se considerar e mitigar, os quais o padrão não aborda completamente:

• 1. Influência de magnitude vetorial de erro devido à resposta em frequência (amplitude e fase)
• 2. Influência de magnitude vetorial de erro devido ao ruído
• 3. Magnitude vetorial de erro devido à distorção, por exemplo, efeito não linear do PA

A influência da magnitude vetorial de erro na medição é amplamente coberta no padrão, uma vez que a definição de magnitude vetorial de erro descrita em 6.6.3.1 do 3GPP 38.141 inclui o uso de equalização. Isso, por si só, corrigirá a frequência e a resposta de fase do canal durante a medição.

A influência da magnitude vetorial de erro na medição devido ao ruído é mais difícil de solucionar, especialmente em um ambiente OTA. É preciso ter atenção com todo o orçamento do link do sistema de medição, de modo que o desempenho do ruído do sistema não contribua para a magnitude vetorial de erro do dispositivo que está sendo medido.

O item 1 pode ser caracterizado e compensado por meio de um equalizador, o item 3 pode ser caracterizado e compensado por meio de pré-distorção digital, contanto que o ponto 2 só possa ser caracterizado devido à medição de magnitude vetorial de erro, mas não possa ser compensado e apenas minimizado por projeto. A figura 1 mostra o desempenho geral de um sistema de teste de magnitude vetorial de erro sem dispositivo em teste, destacando a necessidade de otimizar o orçamento do link em frequências de ondas milimétricas, que têm um intervalo muito menos dinâmico, em comparação com as medições conduzidas em bandas inferiores a 6 GHz.

Para o teste do dispositivo em teste neste artigo, uma vez que o dispositivo foi conectorizado, a abordagem adotada foi utilizar formas de onda e métodos de análise em conformidade com o 3GPP, de modo que os resultados pudessem ser fornecidos como dados úteis para um projeto geral de sistema.

Configuração para testes

A configuração para testes pode ser vista na figura 1. Ela consiste em um gerador de sinais vetoriais R&S®SMW200A com largura de banda de RF de 40 GHz e largura de banda de modulação de 2 GHz, um analisador de espectro e sinal R&S®FSW43 com largura de banda de RF de 43,5 GHz, largura de banda de análise de 2 GHz e largura de banda em tempo real de 800 MHz, e uma fonte de alimentação CC programável E36313A, que é utilizada para ajustar os dois estágios do amplificador.

O primeiro estágio do teste utilizou uma versão de liberação do opcional SMW-K144 no SMW200A, o que permitiu a geração de formas de onda de 5G NR extremamente limpas, em conformidade com o padrão 3GPP mencionado acima. Isso fornece uma resposta em frequência plana e larguras de banda de até 2 GHz, juntamente com o opcional correspondente R&S®FSW-K144 para o FSW, permitindo a análise detalhada necessária dos sinais de ligação descendente, usando parâmetros compatíveis com o padrão dentro dos limites das medições conduzidas neste caso.

O segundo estágio do teste visa a pré-distorção digital (DPD) do amplificador, para determinar o desempenho do dispositivo quando ele é estimulado com um sinal que leva em consideração todas as distorções fornecidas pelo dispositivo em teste. Essas medições foram realizadas por meio de formas de onda compatíveis com 3GPP, durante o uso do firmware do teste de amplificador FSW-K18, fornecido pelo analisador de sinal FSW. Esse firmware permite a medição de características do dispositivo que vão além de apenas magnitude vetorial de erro, como AM/AM, AM/PM, compressão de ganho e ACP com e sem DPD aplicada, para demonstrar o desempenho ideal do dispositivo, que pode ser alcançado em um sistema de teste final.

Descrição do dispositivo

Dispositivo de teste - PA de canal duplo de 24 - 28 GHz

As bandas operacionais finais para o 5G de ondas milimétricas serão definidas na Conferência mundial sobre rádio em 2019 (WRC-19). Na Europa, o RSPG recomendou a banda de 26 GHz (24,25-27,5 GHz) como a banda pioneira para o 5G de ondas milimétricas no Strategic Roadmap Towards Europe, em novembro de 2016.

A figura 3 mostra um amplificador de potência MMIC de 24 - 28 GHz, desenvolvido pela Plextek RFI, cobrindo a banda pioneira com um desempenho impressionante. A peça, que foi projetada para ter uma saída P1dB maior que 24,5 dBm e um ganho de cerca de 20 dB, atinge uma PAE acima de 22% na banda em compressão de 1 dB, e uma PAE acima de 7% em recuo de 6 dB.

Um dos desafios relevantes nas futuras redes 5G serão os altos níveis de integração exigidos, por exemplo, nas matrizes de fases usadas no direcionamento de feixe. Nesse caso, é provável que tenhamos a necessidade de diversos mmics em um único pacote.

Como um exemplo dessa integração, a Compound Semiconductor Applications Catapult contratou um desenvolvimento colaborativo entre a Plextek RFI e a Filtronic para projetar e fabricar um módulo de avaliação com dois dos mmics de PA descritos acima, montados em um único pacote de QFN laminado de 7 mm x 7 mm, com custo reduzido.

O amplificador de canal duplo produzido é mostrado na figura 4. O desempenho do MMIC foi muito semelhante ao da RF em medições Wafer, com apenas pequenas alterações observadas tanto no sinal pequeno quanto no desempenho de potência.

Resultados da medição

Ganho e ACP - Medição de referência

Para que as medições fossem as mais desafiadoras possíveis, elas foram realizadas por meio de uma forma de onda compatível com o padrão de ligação descendente de 5G NR centralizada a 26 GHz, com uma largura de banda de 400 MHz e uma modulação de 256 QAM.
O ganho “referência” de RMS do dispositivo foi medido em um ponto suficientemente distante da compressão, fornecendo um resultado igual a 19,6 dB. O desempenho resultante com relação ao ganho pode ser visto na figura 5, e o desempenho de ACP pode ser visto na figura 6.

Medições em compressão

A potência de entrada máxima do dispositivo é classificada como um pico de 10 dBm. Com base nisso, decidiu-se exigir o máximo possível do dispositivo para produzir os resultados do pior caso, apenas neste nível.

Fornecer sinais de entrada neste nível resulta em uma potência de entrada em -1,3 dBm, ganho = 19,1 dB e compressão do fator de crista do sinal em 1,8 dB.

Nessas condições, o amplificador atinge uma magnitude vetorial de erro média de 5,1% (figura 7)

Em seguida, medindo esse dispositivo em condições de processamento de sinal compatíveis com o 3GPP, a magnitude vetorial de erro produzida é um valor inferior a 4,69%. (figura 8). Isso acontece porque, em condições de medição de 3GPP, o analisador de sinal tentará reconstruir o sinal de referência durante a demodulação. Nos casos em que o sinal de demodulação é intensamente distorcido e inclui erros de bit, há a produção de um sinal de referência incorreto e, sendo assim, uma medição de magnitude vetorial de erro errada.

Para medir uma magnitude vetorial de erro correta nessas condições, o sistema precisa saber tudo a respeito do sinal enviado, ou seja, ele deve usar uma abordagem de dados conhecidos.

Esse é um aspecto fundamental que os fabricantes e engenheiros de medição do dispositivo precisam saber.

Com relação ao desempenho do canal adjacente, o desempenho geral do amplificador tem uma potência de canal adjacente de 32 dBc a um desvio de 400 MHZ no canal inferior e de 33,5 dB no canal superior.

Foi realizada também uma medição de ACP a uma potência de 3 dB e recuo de 6 dB da medição de compressão, resultando em 38 dBc e em 43 dBc respectivamente.

Resultados da medição com DPD

É interessante mostrar quão bom o dispositivo “pode ser” ao compensar suas não linearidades, uma vez que esse é um cenário realista quando ele é utilizado em um produto final implementado na rede.

Para isso, usamos os algoritmos de DPD incorporados do FSW para permitir a medição de magnitude vetorial de erro e de ACP antes e depois da DPD. O algoritmo usado neste método de DPD direta está descrito nas referências [2] e [3].

A frequência central volta para 26 GHz e continua usando uma portadora de largura de banda de 400 MHz, QAM256, totalmente carregada. Mais uma vez, o amplificador é impulsionado em sua potência de medição, levando-o a uma compressão intensa.

O desempenho resultante antes da DPD está descrito na Seção 5.2 acima, e após a DPD, a magnitude vetorial de erro melhora de 5,1% para 1,7%

Há também uma melhora significativa de ACP, de 32 dB para ~42 dB, com DPD aplicada.

A melhora significativa do AM-PM do amplificador pode ser vista claramente nas figuras 12 e 13, em que o desempenho correspondente do AM-PM antes e depois da correção é mostrado; aqui, é possível ver que um AM-PM de aproximadamente 10 graus de compressão é reduzido a um nível praticamente desprezível após a correção.

Conclusão

Para a condição normal de operação dos amplificadores atingir o máximo de eficiência, eles normalmente são impulsionados para a compressão ou para um ponto próximo a ela. Para atingir a meta de magnitude vetorial de erro de 4,5% do padrão 3GPP, esse amplificador exige a aplicação evidente de certo nível de pré-distorção.

As medições dos amplificadores que têm seu desempenho levado ao limite geram diversos desafios de medição, que vão desde o intervalo dinâmico até a precisão e capacidade de reprodução de medições de qualidade de modulação. É fundamental que o engenheiro de RF conheça os limites de seus dispositivos em condições de conformidade com o padrão 3GPP, mas também em condições operacionais realistas.

Este artigo traz uma visão importante sobre os desafios de projeto e medição relacionados ao tópico principal do 5G NR, em colaboração com diversos parceiros do setor.

Referências

[1] 3GPP TS 38.141-1 and 38.141-2 v1.1.0, 3rd Generation Partnership Project; Base Station (BS) conformance testing.

[2] Amplifier Characterization Using Non-CW Stimulus http://ieeexplore.ieee.org/iel7/7990360/7999522/07999563.pdf

[3] Nota de aplicação R&S 1EF99: Iterative Direct DPD https://www.rohde-schwarz.com/us/applications/iterative-direct-dpd-white-paper_230854-478144.html