Verifica dei circuiti integrati per beamforming con antenne a phased array

I circuiti integrati dedicati al beamforming consentono di ridurre le dimensioni dei componenti elettronici necessari per pilotare i segnali destinati ai vari elementi di un'antenna a schiera (phased array). Grazie agli analizzatori di rete multi-porta, la configurazione di test necessaria si riduce a un unico strumento.

Attività da eseguire

Il beamforming mediante antenne a phased array è una tecnologia molto utilizzata nei sistemi radar e di guerra elettronica nei settori aerospaziale e della difesa. Nell’ambito delle comunicazioni satellitari e delle reti 5G NR, il beamforming a phased array sta diventando la norma.

All’aumentare delle frequenze delle portanti, le dimensioni degli elementi che compongono l'antenna diventano sempre più piccole, limitando lo spazio disponibile per i circuiti di pilotaggio del segnale, imponendo di conseguenza una sempre maggiore attenzione progettuale sulla necessità di ridurre gli ingombri. Per restringere l’angolo di irradiazione del fascio, deve aumentare il numero di elementi dell’antenna che compongono il sistema di antenne a schiera. Costo e dimensione dei circuiti di pilotaggio di ogni singolo segnale (feed) acquisiscono maggiore importanza.

I circuiti integrati RF dedicati al beamforming includono, per ciascun percorso del segnale, uno stadio di regolazione della fase e del guadagno, oltre ai circuiti di amplificazione del canale in trasmissione e ricezione.

I CI di beamforming supportano quattro o più elementi antenna con un unico segnale di ingresso. La completa caratterizzazione e calibrazione di un sistema di beamforming richiedono la valutazione del segnale su tutte le porte contemporaneamente.

Soluzione Rohde & Schwarz

Lo strumento ideale per soddisfare questo requisito è un vero analizzatore di reti vettoriali (VNA) multi-porta. La connessione in parallelo a tutte le porte RF del circuito integrato di beamforming consente la rapida valutazione diretta di ogni singolo canale e del relativo comportamento all'interno del circuito integrato in esame. Le misurazioni simultanee su un massimo di 24 porte permettono di caratterizzare dettagliatamente il circuito integrati di beamforming e di osservare gli effetti di cross-correlazione monitorando al contempo tutte le connessioni dell’antenna.

Tutte le porte del circuito integrato di beamforming visibili a colpo d’occhio grazie al VNA multi-porta R&S®ZNBT
Tutte le porte del circuito integrato di beamforming visibili a colpo d’occhio grazie al VNA multi-porta R&S®ZNBT
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Per le applicazioni di beamforming è necessario controllare con precisione la fase di ciascun percorso del segnale. Gli sfasatori ad alta risoluzione integrati nel dispositivo in prova (DUT) lavorano con una risoluzione di pochi gradi per regolare accuratamente l'orientamento del fascio irradiato. La regolazione del livello del segnale in ogni percorso permette di spingere verso il basso i lobi laterali del fascio creato. Un analizzatore di reti vettoriale (VNA) ad alte prestazioni consente di ottenere misurazioni estremamente precise del livello e della fase, sia relative che assolute. Una funzione standard presente in un analizzatore di reti vettoriale è la verifica dell'adattamento d'impedenza tra il circuito integrato di beamforming e la relativa antenna.

Di solito, i percorsi dei segnali in trasmissione e ricezione vengono controllati e misurati separatamente. Entrambi includono le regolazioni della fase e del livello necessarie per l'orientamento del fascio. Il percorso del segnale in ricezione comprende un amplificatore a basso rumore (LNA), mentre il percorso in trasmissione comprende un amplificatore di potenza RF di uscita che può fungere da fase finale o da driver per amplificatori di potenza esterni aggiuntivi. Le prove iniziali per la definire la zona di funzionamento lineare, il punto di compressione e l'intermodulazione a due toni vengono eseguite idealmente tramite una piattaforma di test comune.

L'analizzatore di reti vettoriale permette di caratterizzare ciascun blocco funzionale presente all’interno del circuito integrato di beamforming, dai switch agli amplificatori. Linearità e stabilità della fase e del livello del segnale in uscita sono fattori fondamentali per assicurare un beamforming stabile e affidabile. Per compensare effetti di deriva, ad esempio in funzione della temperatura, il dispositivo in prova viene caratterizzato in condizioni variabili, onde ricavare dati di calibrazione da utilizzare nell’applicazione finale sotto forma di tabelle consultabili.

Esigenze particolari per segnali modulati a banda larga, come quelli delle reti 5G NR e di comunicazione satellitare

Per assicurare una buona esperienza agli utilizzatori, la qualità del segnale deve soddisfare i requisiti previsti dagli standard del settore. Gli amplificatori integrati devono soddisfare i requisiti qualitativi in termini di EVM e ACLR per garantire la trasmissione dei dati con un tasso di errore sul bit sufficientemente ridotto.

Rohde & Schwarz offre una potente soluzione per il test di segnali a banda larga compatibile con le bande a onde millimetriche (comprese le bande 5G), per la caratterizzazione degli amplificatori integrati.

Test di un circuito integrato per beamforming con l’analizzatore di reti vettoriali multi-porta ZNBT
Test di un circuito integrato per beamforming con l’analizzatore di reti vettoriali multi-porta R&S®ZNBT