Mediciones de un amplificador de potencia de 24-28 GHz utilizando la nueva norma de ensayos de radio 5G: desafíos y 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, Múnich, Alemania

Introducción

Hasta hace poco, los estándares de comunicación móvil 3GPP tenían bandas que funcionaban en un rango de frecuencias de 2-3 GHz con un ancho de banda de canal único que no excedía los 20 MHz. Con la versión 15 de 3GPP y la tecnología 5G New Radio (5G NR) esto cambia para dar paso a anchos de banda de los canales de hasta 100 MHz en el espectro sub-6 GHz y de hasta 400 MHz en el espectro de ondas milimétricas.

Si comparamos las mediciones entre la norma LTE y la versión 5G de 3GPP 38.141, es patente que muchos de los métodos de medición de LTE se han duplicado a los equivalentes 5G NR. Sin embargo, dado el número de "modos" adicionales en el 5G New Radio, el número de mediciones potenciales ha incrementado de forma significativa. Las diferencias clave son:

• Rango de frecuencias 1 FR1 (sub-6 GHz) y FR2 (ondas milimétricas)
• Mediciones conducidas vs. radiadas
• FDD, TDD
• Distintos anchos de banda (de 5 a 100 MHz o 400 MHz)
• Separación entre subportadoras (SCS)

Desafíos en la medición

El documento 38.141-1 del 3GPP describe las mediciones conducidas, mientras que el 38.141-2 trata las mediciones radiadas. En estos documentos se afirma que se necesita un rendimiento de magnitud del vector de error <4,5 % para 256QAM para los rangos de frecuencias FR1 y FR2.

El documento también trata los requisitos para el cálculo de la magnitud del vector de error para cada ancho de banda de canal, el tamaño de TRF y los requisitos de la ventana de magnitud del vector de error para cada separación de subportadoras utilizada que el análisis del procesamiento de señales debe tener en cuenta.

Si bien las mediciones de la magnitud del vector de error en FR1 pueden realizarse tanto conducidas como radiadas, las mediciones de la norma 3GPP en FR2 solo deben llevarse a cabo en un entorno radiado; esto constituye una desviación significativa con respecto a normas existentes y es resultado directo del nivel muy superior de integración necesaria en frecuencias de ondas milimétricas, en las que se espera que no habrá puntos del circuito en los que se puedan realizar mediciones conducidas. Esto aumenta tanto el diseño del sistema como la complejidad de las mediciones.

Dado el desafiante límite de la magnitud del vector de error del 4,5 % en mediciones radiadas FR2, hay tres aspectos clave que se deben tener en consideración y mitigar que la norma no trata en toda su dimensión:

• 1. Influencia de la magnitud del vector de error debido a la respuesta en frecuencia (amplitud y fase)
• 2. Influencia de la magnitud del vector de error debido al ruido
• 3. Magnitud del vector de error debido a la distorsión, p. ej., efecto no lineal de la amplificación de potencia

La influencia de la magnitud del vector de error en la medición está cubierta en gran medida en la norma, pues la definición de magnitud del vector de error descrita en el apartado 6.6.3.1 del 3GPP 38.141 incluye el uso de la ecualización. Esta en sí misma mejorará la frecuencia y la respuesta en fase del canal durante las mediciones.

La influencia de la magnitud del vector de error en la medición debido al ruido es más complejo de tratar; desde luego lo es en un entorno OTA. Es necesario controlar todo el balance de enlace del sistema de medición, como el hecho de que el rendimiento del ruido del sistema no intervenga en la magnitud del vector de error del dispositivo que se mide.

El elemento 1 puede caracterizarse y compensarse con un ecualizador y el elemento 3 puede caracterizarse y compensarse mediante una precorrección digital, mientras que el punto 2 solo puede caracterizarse por medición de la magnitud del vector de error pero no puede compensarse, sino solo minimizarse por diseño. La figura 1 muestra el rendimiento sin procesar de un sistema de prueba de la magnitud del vector de error sin dispositivo bajo prueba, que resalta el requisito de optimizar el balance de enlace en frecuencias de ondas milimétricas, pues estas tienen un rango dinámico mucho menor en comparación con las mediciones realizadas en las bandas sub-6 GHz.

Para las mediciones del dispositivo bajo prueba en este documento, y dado que el dispositivo estaba conexionado, el enfoque adoptado fue utilizar formas de onda conformes con 3GPP y métodos de análisis cuyos resultados pudieran proporcionarse como una aportación útil en relación con un diseño general del sistema.

Configuración de prueba

En la figura 1 se puede ver la configuración de prueba, que consiste en un generador vectorial de señales SMW200A con un ancho de banda de RF de 40 GHz un ancho de banda de modulación de hasta 2 GHz, un analizador de señal y espectro FSW43 con un ancho de banda de RF de 43,5 GHz, un ancho de banda de análisis de 2 GHz y un ancho de banda en tiempo real de 800 MHz. También se utiliza una fuente de alimentación de corriente continua programable E36313A para influenciar las dos fases del amplificador.

La primera fase de las mediciones utilizó una versión de lanzamiento de la variante SMW-K144 en el SMW200A, lo que permitió generar formas de onda 5G NR sumamente limpias conformes a la norma 3GPP anteriormente mencionada. Esto proporciona una respuesta en frecuencia plana y anchos de banda de hasta 2 GHz, junto con la correspondiente variante FSW-K144 para el FSW, lo que permite el análisis exhaustivo requerido de las señales de enlace descendente utilizando parámetros conformes a la norma, en este caso dentro de los límites de las mediciones conducidas.

La segunda fase de mediciones presta atención a la precorrección digital DPD del amplificador para determinar el rendimiento del dispositivo al estimularlo con una señal que explique cualquier distorsión provocada por el dispositivo bajo prueba. Estas mediciones se realizaron utilizando formas de onda conformes con el 3GPP al mismo tiempo que se hacía uso del firmware de prueba de amplificador FSW-K18 suministrado con el analizador de señales FSW. Este firmware permite la medición de las características del dispositivo más allá de la magnitud del vector de error, como AM/AM, AM/PM, compresión de ganancia y potencia de canal adyacente, tanto aplicando la DPD como sin aplicarlo, para mostrar un rendimiento óptimo del dispositivo que se podría conseguir en un sistema de prueba definitivo.

Descripción del dispositivo

Dispositivo de prueba: amplificador de potencia de canal dual de 24-28 GHz

Las bandas operativas finales para las ondas milimétricas de 5G se acordarán en la Conferencia Mundial de Radiocomunicaciones en 2019 (WRC-19). En Europa el RSPG recomendó, en noviembre de 2016, la banda de 26 GHz (24,25-27,5 GHz) como banda pionera para las ondas milimétricas de 5G en su Strategic Roadmap Towards Europe (Plan estratégico hacia Europa).

La figura 3 muestra una imagen de un amplificador de potencia de circuito MMIC de 24-28 GHz desarrollado por Plextek RFI que cubre la banda pionera con un rendimiento impresionante. La pieza, que se ha diseñado para alcanzar una salida de punto de compresión a 1 dB superior a 24,5 dBm y tener una ganancia en torno a los 20 dB, alcanza una PAE superior al 22 % en toda la banda a 1 dB de compresión y una PAE superior al 7 % reduciendo 6 dB.

Uno de los principales desafíos de las futuras redes 5G serán los elevados niveles de integración requeridos, por ejemplo, en las antenas en fase utilizadas para el direccionamiento de haz, para lo que probablemente serán necesarios múltiples circuitos MMIC en un único paquete.

Como ejemplo de esta integración, Compound Semiconductor Applications Catapult encargó un desarrollo colaborativo entre Plextek RFI y Filtronic para diseñar y fabricar un módulo de evaluación con 2 de los circuitos MMIC de amplificador de potencia descritos con anterioridad montados en un único paquete de lámina QFN de 7 mm x 7 mm de bajo coste.

El amplificador de canal dual realizado se muestra en la figura 4; el rendimiento del circuito MMIC fue muy similar a la RF en mediciones de oblea, solo con cambios menores apreciables tanto en señales pequeñas como en el rendimiento de potencia.

Resultados de medición

Ganancia y potencia de canal adyacente: medición de referencia

Para hacer que la medición fuese lo más desafiante posible, se realizaron mediciones utilizando una forma de onda de 5G NR de enlace descendente conforme a la norma centrada a 26 GHz con un ancho de banda de 400 MHz y el método de modulación 256QAM.
La ganancia de valor cuadrático medio de "referencia" del dispositivo se midió en un punto lo suficientemente alejado de la compresión para dar un resultado de 19,6 dB. En la figura 5 se muestra el rendimiento resultante por lo que respecta a la ganancia, y en la figura 6 se muestra el rendimiento de potencia de canal adyacente.

Mediciones en compresión

La potencia de entrada máxima teórica del dispositivo es de 10 dBm. Teniendo esto en cuenta, se decidió accionar el dispositivo lo más fuerte posible para producir peores resultados de caso, únicamente bajo este nivel.

Proporcionar señales de entrada a este nivel da como resultado una potencia de entrada a -1,3 dBm, una ganancia de 19,1 dB y una compresión del factor cresta de la señal en 1,8 dB.

En estas condiciones, el amplificador alcanza una magnitud del vector de error promedio de 5,1 % (figura 7)

Midiendo ahora este dispositivo en condiciones de procesamiento de señales conformes con 3GPP, la magnitud del vector de error producida es un valor inferior de 4,69 %. (figura 8). Esto se debe a que en condiciones de medición de 3GPP, el analizador de señales intentará reconstruir la señal de referencia durante la demodulación. En las partes en que la señal de demodulación esté altamente distorsionada con presencia de errores de bit, se producirá una señal de referencia incorrecta y, por consiguiente, un valor erróneo de la magnitud del vector de error.

Con el fin de realizar una medición de la magnitud del vector de error correcta en estas circunstancias, el sistema debe conocer completamente la señal enviada, es decir, debe utilizar un planteamiento basado en datos conocidos.

Este es un aspecto fundamental que los fabricantes de dispositivos y los ingenieros de medición deben tener en cuenta.

En relación con el rendimiento del canal adyacente, el rendimiento del amplificador sin procesar tiene una potencia de canal adyacente de 32 dBc con un desajuste de 400 MHz en el canal inferior y 33,5 dB en el canal superior.

También se llevó a cabo una medición de potencia de canal adyacente a una potencia de 3 dB y a una reducción de 6 dB de la medición de compresión, lo que dio como resultado 38 dBc y 43 dBc respectivamente.

Resultados de medición con DPD

Resulta útil mostrar lo bueno que "puede ser" el dispositivo compensando sus ausencias de linealidad, ya que este es un escenario realista al utilizarse en un producto final que se desplegaría en la red.

Para hacerlo, utilizamos los algoritmos integrados de la DPD del FSW para permitir la medición de la magnitud del vector de error y la potencia de canal adyacente antes y después de la DPD. El algoritmo en uso para este método de DPD directa se describe en las referencias [2] y [3].

La frecuencia central es una vez más 26 GHz, que continúa utilizando una portadora 256QAM totalmente cargada con un ancho de banda de 400 MHz. De nuevo, el amplificador se conduce a su potencia de medición llevándolo con fuerza a compresión.

El rendimiento resultante antes de la DPD se describe en la sección 5.2, y tras la DPD la magnitud del vector de error mejora del 5,1 % al 1,7 %.

También se produce una mejora drástica en la potencia de canal adyacente de 32 dB a ~42 dB con la DPD aplicada.

En las figuras 12 y 13 se muestra de manera evidente la mejora drástica en la AM-PM del amplificador, ya que se muestra el correspondiente rendimiento de la AM-PM antes y después de la corrección. En este sentido es patente que una AM-PM de unos 10 grados en compresión se reduce a un nivel casi insignificante tras la corrección.

Conclusión

Para un estado de funcionamiento normal de los amplificadores, y para que sean lo más eficientes posible, es habitual llevarlos a compresión o cerca de la compresión. Para cumplir con el objetivo del 4,5 % de magnitud del vector de error de la norma 3GPP, es evidente que este amplificador debería tener aplicado un cierto nivel de precorrección.

Las mediciones de los amplificadores al conducirlos a sus límites de rendimiento ofrecen una serie de desafíos de medición, desde mediciones del rango dinámico hasta mediciones de la calidad de modulación precisas y reproducibles. Para el técnico de RF es esencial conocer los límites de sus dispositivos en condiciones de cumplimiento con la norma 3GPP, pero también en condiciones de funcionamiento realistas.

Este artículo proporciona una perspectiva fundamental sobre los desafíos de diseño y medición en torno al tema central de del 5G New Radio en colaboración con determinados socios industriales.

Referencias

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