Испытание усилителя мощности 24-28 ГГц с использованием стандарта испытания 5G New Radio, проблемы и результаты

Тудор Уильямс (Tudor Williams)¹, Даррен Типтон (Darren Tipton)², Флориан Рамиан (Florian Ramian)³

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

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

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

Введение

До недавнего времени в стандартах мобильной связи 3GPP были представлены диапазоны частот в области 2–3 ГГц с шириной полосы одного канала не более 20 МГц. С выходом версии 15 спецификаций 3GPP и появлением технологии 5G New Radio (5G NR) этот подход изменился: ширина полосы канала в области ниже 6 ГГц увеличилась до 100 МГц, а в области миллиметровых волн — до 400 МГц.

Сравнивая требования к измерениям стандарта LTE и версии спецификации 3GPP 38.141 для сетей 5G, можно заметить, что многие методы измерений для LTE были продублированы для их аналогов в 5G NR. Однако из-за большого объема дополнительных «режимов» в 5G NR количество потенциальных измерений значительно увеличилось. Основные отличия:

• Диапазоны частот FR1 (до 6 ГГц) и FR2 (миллиметровый)
• Контактные и эфирные измерения
• Режимы FDD и TDD
• Разные полосы частот (от 5 до 100 МГц или 400 МГц)
• Разнесение поднесущих (SCS)

Проблемы измерений

Спецификация 3GPP 38.141-1 описывает контактные измерения, а 38.141-2 — эфирные измерения. Согласно этим документам величина модуля вектора ошибок (МВО) при использовании модуляции 256QAM в обоих частотных диапазонах FR1 и FR2 не должна превышать 4,5 %.

В этом документе продолжается обсуждение требований к расчету МВО для полосы пропускания, размера БПФ и окна МВО каждого канала для каждого используемого разнесения поднесущих, которые необходимо учитывать при обработке сигнала.

Стандарт 3GPP устанавливает, что для определения МВО в диапазоне FR1 можно использовать как контактные, так и эфирные измерения, в то время как в FR2 для этого следует использовать только эфирные измерения. Это значительное отличие от существующих стандартов и является прямым следствием гораздо более высокого уровня интеграции, требуемого для устройств, работающих на частотах миллиметрового диапазона, в цепях которых, как ожидается, не будет точек, где могут проводиться контактные измерения. Это усложняет как конструкцию систем, так и методики испытаний.

Ввиду достаточно строгого предела по величине МВО при эфирных измерениях в диапазоне FR 2 — 4,5 %, есть три ключевых момента, которые необходимо учитывать и которым стандарт не уделяет достаточного внимания:

• 1. Влияние на МВО частотной характеристики (амплитуды и фазы)
• 2. Влияние на МВО помех
• 3. Влияние на МВО искажений, например, из-за нелинейности характеристики усилителя мощности

Влияние на МВО при измерениях в значительной степени охвачено стандартом, поскольку в определении МВО, приведенном в п. 6.6.3.1 спецификации 3GPP 38.141, упоминается использование выравнивания. Это само по себе обеспечит корректировку частотно-фазовой характеристики канала во время измерений.

С влиянием помех на измерения МВО в эфирной среде справиться гораздо сложнее. Необходимо позаботиться об общем энергетическом балансе канала измерительной системы, чтобы шумовые характеристики системы не влияли на МВО испытуемого устройства.

Влияние на измерение МВО по п. 1 можно определить и компенсировать с помощью выравнивателя, по п. 3 — определить и компенсировать с помощью цифровой коррекции предыскажений, однако влияние по п. 2 можно определить, но нельзя компенсировать — его можно лишь свести к минимуму за счет конструктивных решений. На рис. 1 показаны приблизительные характеристики системы измерения МВО без испытуемого устройства, которые подчеркивают необходимость оптимизации энергетического баланса канала на частотах миллиметровых волн, который имеет гораздо меньший динамический диапазон по сравнению с измерениями, проводимыми при частотах ниже 6 ГГц.

Поскольку испытуемое устройство, описанное в этой статье, снабжено разъемами, для его испытаний был выбран подход с использованием сигналов и методов анализа, отвечающих требованиям 3GPP, чтобы полученные результаты можно было использовать при создании общей конструкции системы.

Испытательная установка

Испытательная установка показана на рис. 1. Она состоит из векторного генератора сигналов SMW200A с ВЧ-полосой 40 ГГц и полосой модуляции до 2 ГГц, анализатора сигналов и спектра FSW43 с ВЧ-полосой 43,5 ГГц, полосой анализа 2 ГГц и полосой реального времени 800 МГц и программируемого источника постоянного тока E36313A для смещения двух каскадов усилителя.

На первом этапе испытаний на генераторе SMW200A использовалась рабочая версия опции SMW-K144, которая позволила генерировать чрезвычайно чистые сигналы 5G NR, соответствующие упомянутому выше стандарту 3GPP. Это обеспечило получение плоской частотной характеристики и ширины полосы до 2 ГГц и, в сочетании с соответствующей опцией FSW-K144 для FSW, позволило провести углубленный анализ сигналов нисходящего канала с использованием стандартных совместимых параметров в рамках контактных измерений.

На втором этапе испытаний использовалась цифровая коррекция предыскажений (DPD) усилителя для определения характеристик устройства при подаче сигнала, учитывающего любые искажения, вносимые испытуемым устройством. Эти измерения были выполнены с использованием совместимых со стандартами 3GPP сигналов с помощью встроенной программы испытаний усилителей FSW-K18 в анализаторе сигналов FSW. Помимо МВО эта программа позволяет измерять такие характеристики устройств, как искажения AM/AM и AM/PM, нелинейность амплитудной характеристики, мощность в соседнем канале (ACP) с цифровой коррекцией предыскажений и без нее, чтобы продемонстрировать оптимальные характеристики устройства, которые могут быть достигнуты в системе для заключительных испытаний.

Описание устройства

Испытуемое устройство — двухканальный усилитель мощности диапазона частот 24–28 ГГц

Рабочие диапазоны частот для сетей 5G в миллиметровой области спектра будут окончательно согласованы на конференции World Radio, которая пройдет в Европе в 2019 году (WRC–19). В ноябре 2016 года группа по выработке политики в области использования спектра радиочастот (RSPG) в своем «Стратегическом перспективном плане для Европы» рекомендовала выбрать в качестве первого участка для освоения области миллиметровых волн в сетях 5G диапазон 26 ГГц (24,25–27,5 ГГц).

На рис. 3 показана монолитная интегральная схема (ИС) усилителя мощности диапазона 24–28 ГГц, разработанная компанией Plextek RFI, которая охватывает вышеуказанный первый диапазон и демонстрирует впечатляющие характеристики. Этот усилитель был разработан с целью достижения точки децибельной компрессии (P1dB) на уровне более 24,5 дБм, коэффициента усиления около 20 дБ и КПД суммирования мощности (PAE) более 22 % во всем диапазоне при компрессии 1 дБ и КПД суммирования мощности более 7 % при коэффициенте потери мощности 6 дБ.

Одной из существенных проблем в будущих сетях 5G будет высокий уровень интеграции, требуемый, например, для фазированных антенных решеток, используемых для управления лучом. Здесь, по всей вероятности, возникнет необходимость сочетания нескольких монолитных ИС СВЧ-диапазона в одном корпусе.

В качестве примера такой интеграции можно привести запущенный с помощью Compound Semiconductor Applications Catapult совместный проект, объединивший компании Plextek RFI и Filtronic для разработки и изготовления экспериментального модуля, который представляет собой две описанные выше монолитные ИС усилителей мощности в одном недорогом многослойном QFN-корпусе размером 7 x 7 мм.

Созданный двухканальный усилитель показан на рис. 4. Характеристики этой микроволновой монолитной ИС очень близки к радиочастотным устройствам на полупроводниковой пластине с небольшими отклонениями, наблюдаемыми при слабом сигнале и небольшой мощности.

Результаты измерений

Коэффициент усиления и мощность по соседнему каналу — контрольное измерение

Чтобы максимально усложнить измерение, оно проводилось с использованием сигнала, соответствующего стандарту 5G NR для нисходящего канала с центральной частотой 26 ГГц, шириной полосы 400 МГц и модуляцией 256 QAM.
«Эталонный» среднеквадратический коэффициент усиления устройства был измерен в точке, достаточно далеко отстоящей от уровня проявления нелинейности, чтобы получить результат 19,6 дБ. Итоговые характеристики показаны на рис. 5 (коэффициент усиления) и рис. 6 (мощность в соседнем канале).

Измерения при компрессии

Максимальная входная мощность устройства составляет 10 дБмВт (пик.). Исходя из этого, было решено нагрузить устройство как можно сильнее, чтобы получить результаты для наихудшего случая, который как раз примерно соответствует этому уровню.

Подача входных сигналов с таким уровнем дает входную мощность –1,3 дБмВт, коэффициент усиления 19,1 дБ и сжатие коэффициента амплитуды сигнала на 1,8 дБ.

При таких условиях усилитель достигает среднего значения МВО 5,1 % (см. рис. 7)

Теперь проведем измерения этого сигнала в условиях обработки сигналов, отвечающих требованиям 3GPP; МВО имеет меньшее значение — 4,69 %. (см. рис. 8). Причина этого в том, что при условиях измерений, отвечающих требованиям 3GPP, анализатор сигналов будет пытаться восстановить опорный сигнал во время демодуляции. Если сигнал демодуляции сильно искажен, включая наличие битовых ошибок, это даст неверный опорный сигнал и, следовательно, ошибочную величину МВО.

Чтобы получить правильный МВО в этих условиях, системе должен быть полностью известен отправленный сигнал, т.е. необходимо использовать подход с известными данными.

Это ключевой момент, о котором должны знать инженеры и производители устройств.

В отношении определения характеристик усилителя по соседним каналам: мощность в соседнем канале составляет 32 дБн при смещении 400 МГц в нижнем канале и 33,5 дБ в верхнем канале.

Измерение мощности в соседнем канале также было проведено при уровне мощности 3 дБ и коэффициенте потери мощности 6 дБ относительно измерения компрессии, что дало 38 дБн и 43 дБн, соответственно.

Результаты измерений с цифровой коррекцией предыскажений

Полезно показать, насколько эффективным могло бы быть устройство при компенсации его нелинейности, поскольку это реалистичный сценарий для его использования в конечном продукте, который будет развернут в действующей сети.

Для этого мы используем встроенные алгоритмы цифровой коррекции предыскажений анализатора FSW и выполняем измерения МВО и мощности в соседнем канале до и после цифровой коррекции. Алгоритм, используемый для этого метода непосредственной цифровой коррекции предыскажений, описан по ссылкам [2] и [3].

Центральная частота снова равна 26 ГГц и мы продолжаем использовать полностью загруженную несущую с полосой 400 МГц и модуляцией 256 QAM. На усилитель снова подается сигнал на уровне максимальной мощности, чтобы получить сильную компрессию.

Итоговые характеристики до цифровой коррекции предыскажений описаны в разделе 5.2 выше; после цифровой коррекции предыскажений МВО улучшается с 5,1 % до 1,7 %

Кроме того, наблюдается значительное улучшение по показателю мощности в соседнем канале — с 32 дБ до ~42 дБ при использовании цифровой коррекции.

Существенное улучшение по искажениям AM-PM усилителя наглядно отражено на рис. 12 и 13, где показаны соответствующие характеристики AM-PM до и после коррекции. Здесь видно, что AM-PM, равное около 10 градусов при компрессии, после коррекции уменьшается до почти незаметного уровня.

Заключение

При нормальных условиях эксплуатации для достижения максимальной эффективности усилители обычно используют вблизи уровня компрессии. Для достижения установленного в стандартах 3GPP уровня МВО 4,5 % данный усилитель явно требует некоторого уровня предыскажений.

Измерения параметров усилителей в предельных режимах связаны с рядом проблем — от динамического диапазона до точности и воспроизводимости измерений качества модуляции. Радиоинженерам важно знать пределы возможностей разрабатываемых устройств не только в условиях, отвечающих требованиям стандартов 3GPP, но также и в реальных условиях эксплуатации.

Эта статья, подготовленная при сотрудничестве с рядом отраслевых партнеров, обращает внимание на важные вопросы, касающиеся проблем проектирования и измерений устройств для сетей 5G New Radio.

Библиография

[1] 3GPP TS 38.141-1 and 38.141-2 v1.1.0, 3rd Generation Partnership Project; Base Station (BS) conformance testing. (Технические спецификации 3GPP 38.141-1 и 38.141-2 вер. 1.1.0, Партнерский проект третьего поколения; испытания для проверки соответствия требованиям базовых станций.)

[2] Amplifier Characterization Using Non-CW Stimulus (Определение характеристик усилителя с использованием модулированного радиосигнала), http://ieeexplore.ieee.org/iel7/7990360/7999522/07999563.pdf

[3] R&S Application Note 1EF99: Iterative Direct DPD (Руководство по применению R&S 1EF99: циклическая непосредственная цифровая коррекция предыскажений), https://www.rohde-schwarz.com/us/applications/iterative-direct-dpd-white-paper_230854-478144.html