OTA-Charakterisierung von passiven Gruppenantennen für schnelle Tests

Over-the-Air-Beamforming-Tests (OTA)

Simuliertes Antennenstrahlungsdiagramm einer linearen Gruppenantenne mit vier Elementen; Betriebsfrequenz: 28 GHz; Abstand zwischen den Elementen: 16 mm.
Simuliertes Antennenstrahlungsdiagramm einer linearen Gruppenantenne mit vier Elementen; Betriebsfrequenz: 28 GHz; Abstand zwischen den Elementen: 16 mm.
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Markttrend

Beamforming wird zunehmend zur Technologie der Wahl sowohl für die Mobilfunk- als auch für die Satellitenkommunikationsbranche.

Die Mobilfunkgemeinde befindet sich momentan im Übergang von 4G zu 5G. Ein kommerzieller 5G-Netzausbau würde die Installation einer großen Anzahl von Kleinfunkzellen (SC) erfordern. Viele Basisstationen mit Multi-Element-Gruppenantennen, die für Beamforming zum Einsatz kommen, werden dieses Infrastruktur-Upgrade unterstützen.

Momentan werden Prototypen von Endgeräten (UE) für 5G-Anwendungen mit Gruppenantennen entworfen, die adaptives Beamforming und Beamsteering unterstützen.

In der Satellitenkommunikationsbranche war es aufgrund eines signifikanten Booms bei der Anzahl von Satelliten in erdnaher Umlaufbahn (LEO) erforderlich, die herkömmlichen Parabolantennen durch Beamforming-Gruppenantennen zu ersetzen. LEO-Satelliten bewegen sich extrem schnell und verfügen über Transponder mit größerer Bandbreite. Antennen von Erdfunkstellen müssen in der Lage sein, den Strahl mit hoher Strahllagengenauigkeit elektronisch zu steuern, um die Kommunikation aufrechtzuerhalten. Daher ist es in der F&E-Phase wichtig, ein Codebuch für jede einzelne Gruppe zu erzeugen.

All diese passiven Gruppenantennen müssen nicht nur im F&E-Labor sondern auch in der Fertigungslinie getestet und verifiziert werden, bevor sie in aktive Beamforming-Antennensysteme integriert werden. Übersieht man die Wichtigkeit der Tests von passiven phasengesteuerten Gruppenantennen in der Fertigung, kann dies teuer werden, falls ein Fertigungs- oder Design-Fehler nicht frühzeitig erkannt wird.

Messtechnische Herausforderungen

Der traditionelle Ansatz, einen Netzwerkanalysator zu verwenden, um jedes einzelne Antennenelement auf Reflexionsdämpfung zu testen und zu charakterisieren, oder eine Absorberhalle als Mehrfachempfängersystem zu nutzen, um die Strahlungscharakteristik der Antenne zu messen, z. B. bei unterschiedlichen Polarisationsmodi für Betrag und Phase, ist zu zeitaufwendig und berücksichtigt nicht die Performance der Gruppenantenne. Die komplette Charakterisierung der S-Parameter von mehreren Elementen und das Testen der Beamforming-Sendeleistung der Gruppenantenne muss bei hoher Messgeschwindigkeit erfolgen.

Die Beamforming-Messung im Sendemodus (TX) würde mehrere phasenkohärente Signale erfordern, die die Kalibrierung über einen großen Frequenzbereich beibehalten.

Eine Schlüsselanforderung für schnelle Fertigungslinientests ist die Minimierung der Testzeit. Es würde beträchtlich Zeit sparen, wenn man zwischen einer kompletten Messung zur Charakterisierung der S-Parameter und der Sender-Beamforming-Messung elektronisch umschalten kann, ohne alles völlig neu anschließen zu müssen.

Lösung von Rohde & Schwarz

Der R&S®ZVA ist ein einzigartiger Vektor-Netzwerkanalysator (VNA), der alle Herausforderungen beim Testen von passiven Gruppenantennen meistert. Der R&S®ZVA kann elektronisch zwischen einer vollen S-Parametercharakterisierung und einer Sender-Beamforming-Messung umschalten.

Der R&S®ZVA verfügt über mehrere interne Quellen, die gleichzeitig aktiv sein können. Zudem können sie programmiert werden, um Signale mit frei wählbarer Frequenz, Phase, Amplitudenoffset und Signallaufzeit zu erzeugen. Um die Anzahl an kohärenten Quellen zu erhöhen, müssen mehrere VNA kaskadiert werden. Dank des Phasenabstimmalgorithmus ist es möglich, zwei oder mehrere VNA in Reihe zu schalten, während die kalibrierte Phasenbeziehung auf Messebene aufrechterhalten bleibt. Zudem lassen sich Übersprechen und die wechselseitige Kopplung zwischen den Antennenelementen testen. Der VNA kann eine Vektorfehlerkorrektur anwenden, um die Signale über einen großen Frequenzbereich exakt zu erzeugen und zu messen.

Ein Spektrumanalysator oder Leistungsmesskopf wird auf der Empfängerseite im Fernfeld platziert, um das Antennenstrahlungsdiagramm zu verifizieren oder das Sender-Beamforming-Codebuch einer Gruppenantenne zu erzeugen. Die Wahl des Empfängers hängt von der Anforderung an den Dynamikbereich ab. Die zu prüfende Gruppenantenne muss auf einen Drehtisch positioniert und über einen vordefinierten Drehtisch-Scanwinkel gedreht werden. Um den Strahlschieleffekt in Anwendungen abzuschwächen, bei denen Gruppenantennen über einen großen Frequenzbereich betrieben werden, bevorzugt man Zeitverzögerungselemente gegenüber Phasenschiebern. Der R&S®ZVA kann sowohl frei wählbare Phasenoffsets als auch echte Signalzeitverzögerungen erzeugen.

Ob im Labor oder an der Fertigungslinie – mit dieser Lösung von Rohde & Schwarz lassen sich passive Sender-Beamforming-Gruppenantennen schnell, präzise und benutzerfreundlich testen.

Messaufbau einer Freifeldmessung zum Testen von Sender-Beamforming an passiven Gruppenantennen
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