Innovationen beim Millimeterwellen-Fertigungstest für 5G-Basisstationen

Die COVID-19-Pandemie hat globale Lieferketten unterbrochen und sich unweigerlich auf die 5G-Lieferkette ausgewirkt. Dies hat dazu geführt, dass einige Länder Verzögerungen bei ihren Plänen zur 5G-Implementierung angekündigt haben.

Trotz der durch die Pandemie bedingten globalen Wirtschaftslage treiben die Hersteller von Netzwerk-Ausrüstung (Network Equipment Manufacturers, NEMs) und Netzbetreiber die Produktions- und Implementierungspläne für die nächste Phase voran. Während sich die anfänglichen 5G-Implementierungen hauptsächlich auf das FR1-Band (410 MHz bis 7,125 GHz) konzentrierten, wird diese nächste Phase im FR2-Band (24,25 bis 52,6 GHz) erfolgen, wobei die momentanen Betriebsbänder im Frequenzbereich 24,25-43,5 GHz liegen.

Daher richtet sich die Aufmerksamkeit auf die Herausforderungen bei der Skalierung der Serienfertigung von hochleistungsfähigen 5G-NR-Basisstationen (gNB) und kleinen Zellen bei Millimeterwellenfrequenzen (mmWave).

Wie HF-erfahrene NEMs wissen, stellt das Testen von gNBs im FR2-Band erhöhte Anforderungen an die Messtechnik, mit der HF-Leistungsparameter von gNBs wie EVM (Error Vector Magnitude) und ACLR (Adjacent Channel Leakage Ratio) bei Millimeterwellenfrequenzen gemessen werden.

Bei diesen höheren Frequenzen gibt es eine inhärente Zunahme des Rauschens an Halbleiterübergängen und der harmonischen Verzerrungen, die durch die HF-Komponenten und Subsysteme, aus denen der gNB besteht, verursacht werden. Dies erschwert die Erfüllung der hohen Leistungsanforderungen von 5G erheblich. So erfordert beispielsweise die Forderung nach niedrigen Latenzzeiten im Vergleich zu 4G geringere Phasenfehler und präzises Timing bei viel höheren Millimeterwellenfrequenzen als bei den früheren LTE-Basisstationen der vierten Generation, die auf Frequenzen unter 6 GHz arbeiteten.

Aufgrund der kompakten Antennenstruktur und der Unzugänglichkeit der gNB-Millimeterwellen-Antennenelemente erfordern die Anforderungen des 3GPP-Standards für die Prüfung der HF-Leistung von Sender und Empfänger außerdem eine Prüfung über die Luftschnittstelle (Over-the-Air, OTA). Dies erfolgt unter Verwendung einer Absorberkammer wie das in Bild 2 gezeigte Beispiel CATR von Keysight Technologies.

Diese OTA-Testanforderung bedeutet, dass die Schnittstelle zum Prüfling nun eine Testantenne in einer Absorberkammer ist, die sich einige Meter von der Messausrüstung entfernt befinden kann. Die Messausrüstung muss eine höhere Ausgangsleistung und eine bessere Empfindlichkeit haben, um die Freiraumdämpfung und den höheren Leitungsverlust bei mmWave-Frequenzen zu überwinden.

Da FR2-Träger bei 5G NR über Bandbreiten von 50, 100, 200 oder 400 MHz verfügen können, stellt der Test von EVM und ACLR für Signale mit größerer Bandbreite eine weitere Herausforderung dar. Dies gilt insbesondere dann, wenn Carrier-Aggregation zum Einsatz kommen, was die Bandbreitenanforderungen an die Messausrüstung erhöht.

OTA-Messungen führen zu einem großen Pfadverlust. Dieser Pfadverlust bringt jede Labortestausrüstung außerhalb ihres optimalen Leistungsbereichs, wodurch sich ACLR und EVM verschlechtern. Außerdem sind externe Komponenten wie Leistungsverstärker und rauscharme Verstärker für den OTA-Prüfaufbau notwendig. Zusätzlich werden mmWave-Switches verwendet, um das Signal zwischen horizontal und vertikal polarisierten Antennen und zwischen mehreren Messgeräten sowohl für Sende- als auch für Empfangstests zu leiten. Die verschiedenen Pfade und Komponenten in diesen Testsystemen, die mit herkömmlichen mmWave-Messgeräten bestückt sind, können zeitaufwändig zu kalibrieren und schwierig zu duplizieren sein, wenn eine Fertigungslinie hochskaliert wird. Dies alles summiert sich zu potenziell teureren Aufstellungen von Millimeterwellen-Messgeräten für die Fertigung und zu einem höheren Platzbedarf in der Fertigung, da für die FR2-Prüfung große Absorberkammern benötigt werden. Im Vergleich zu den im FR1-Band üblicherweise leitungsgeführten Messungen ist die Over-the-Air-Testumgebung insgesamt viel komplexer und schwieriger zu skalieren.

Im Gegensatz dazu verwenden Testsysteme wie der in Bild 3 gezeigte Performance Multi-Band Vector Transceiver (S9130A-TR1) von Keysight einen hochmodernen Remote-Funkkopf zur Aufwärtskonvertierung von einer IF-Frequenz (von bis zu 12 GHz) in das FR2-Millimeterwellenband (24,25-43,5 GHz). Durch die Verwendung eines Remote-Funkkopfes eliminiert dieses System die hohen mmWave-Pfadverluste des Kabels zwischen der OTA-Kammer und der Testausrüstung. Dies wird dadurch erreicht, dass über die lange Kabellänge die Zwischenfrequenz (Intermediate Frequency, IF) in den entfernten Funkkopf eingespeist wird, was zu deutlich geringeren Pfadverlusten führt.

Mit zwei bidirektionalen mmWave-Ports und variabler Verstärkung im Remote-Funkkopf kann der S9130A-TR1 sowohl Sende- als auch Empfangstests sowohl der horizontalen als auch der vertikalen Polarisation über einen weiten Leistungsbereich durchführen, der nicht durch die Einfügedämpfung langer mmWave-Kabel behindert wird. Der Remote-Funkkopf integriert die verschiedenen Pfade und externen Komponenten, die in einem typischen Tisch-OTA-Testsystem zum Einsatz kommen, wodurch sich Kalibrierzeit sparen und die Komplexität stark reduzieren lässt.

Die ACLR- und EVM-Leistung des S9130A-TR1 können Entwickler zur Messung der tatsächlichen Leistungsfähigkeit eines gNBs verwenden. Mit der herausragenden Quelle des S9130A kann ein gNB-Empfänger jetzt mit dem gleichen Benchmark wie der Sender getestet werden.

Bild 4 zeigt eine typische 5G NR 8CC ACLR-Messung bei 28 GHZ, die mit dem System S9130A im Loop-Back-Modus durchgeführt wurde. Bild 5 zeigt den EVM-Leistungspegel bei 39 GHz für eine 8CC 5G NR-Wellenform.

Jeder, der mit Fertigungstests zu tun hat, weiß, dass die Kosten bei Tests mit herkömmlichen Millimeterwellen-Labormessgeräten eine große Rolle spielen. Praktischerweise bietet das in Bild 3 gezeigte System S9130A eine Messlösung, die sowohl das FR1- als auch das FR2-Band abdeckt. Möglich macht das ein 3-Slot breites PXIe VXT-Modul M9415A (Bild 6), das bis zu 12 GHz für FR1- oder IF-Tests abdeckt.

Diese Lösung senkt die Kosten für die Hardware, indem teure Millimeterwellenkomponenten eliminiert werden, die mit einer kontinuierlichen Frequenzabdeckung verbunden sind, wie sie in einer Fertigungstestumgebung unnötig ist.

Oftmals aufgrund der erheblichen Kosteneinsparungen im Vergleich zu traditionellen Tischgeräten, finden Kunden, dass diese Art von Millimeterwellenband-Systemen sich auch gut für hochleistungsfähige FR2-Band-Kleinzellen- und -Makrozellentests in F&E-, Designverifikations- und Konformitätstestphasen eignen.