Beamforming - Optymalizacja kształtowania wiązki od strumienia bitów po samą wiązkę

Radar, komunikacja satelitarna i 5G NR wykorzystują systemy AAS z antenami w szyku fazowym do formowania wiązki. Hybrydowe kształtowanie wiązki łączy elastyczność kształtowania cyfrowego z wydajnością kształtowania analogowego.

Zwiększanie stopnia integracji umożliwia powstawanie kompaktowych i ekonomicznych systemów AAS. Aby osiągnąć dokładne, niezawodne i wydajne formowanie wiązki, konieczne jest zrozumienie i kompensacja nieliniowego zachowania komponentów RF.

Komponenty dyskretne, takie jak układy przesuwające fazę sygnału, przełączniki czy wzmacniacze, można testować wyłącznie przewodowo, ale wysoce zintegrowane interfejsy z wbudowanymi antenami jak również wszelkie testy ogólnosystemowe wymagają testowania sygnału w powietrzu (OTA od ang. over the air).

Rhode & Schwarz posiada dobrze skoordynowane portfolio urządzeń pozwalających zarówno na testy przewodowe jak i bezprzewodowe. Więcej informacji można znaleźć na https://www.rohde-schwarz.com/pl/products/test-and-measurement/overview/test-measurement_229579.html

Od strumieni bitów do sygnałów radiowych

Cyfrowe formowanie wiązki z odpowiednio wyważoną fazą i poziomem mocy ma miejsce w zakresie niskich częstotliwości, w celu wygenerowania indywidualnych strumieni. Wiele z nich może zostać na siebie nałożonych w celu umożliwienia wielu równoległych połączeń w ramach jednego systemu radiowego.

Skomplikowane układy cyfrowe, zarówno w technologii FPGA jak i ASIC, mają bardzo sztywne wymagania odnośnie czasów upływających pomiędzy kolejnymi sekcjami sekwencji bootowania. W celu zapewnienia prawidłowej synchronizacji czasów, urządzenie R&S®RT-ZVC oferuje do ośmiu kanałów monitorowania zużycia mocy poszczególnych sekcji w czasie. Inne kanały oscyloskopu mogą jednocześnie pokazywać np. przebieg komend SPI.

Cyfrowe formowanie wiązki wymaga osobnej ścieżki z indywidualnym konwerterem danych dla każdego strumienia. Synchronizacja czasowa pomiędzy różnymi kanałami jest niezbędna, ponieważ wszelkie drgania i różnice czasowe pomiędzy kanałami zmniejszają dokładność procesu formowania wiązki.

Cyfrowy proces generacji sygnału radiowego upraszcza projekt dzięki wykorzystaniu wysoko zintegrowanych systemów typu SoC (System on Chip) i układów nadawczo-odbiorczych. Oscyloskop R&S®RTP oferuje:

rozdzielczość w skali czasu do 25 ps; funkcje statystyczne takie jak histogram dają głęboki wgląd w wariację i trendy rozrzutu,
odbiorniki z koherencją 4-fazową do testowania formowania wiązki sygnału radiowego dla zapewnienia odpowiedniej fazy i poziomu każdego sygnału antenowego,
ewaluację sygnału z użyciem oprogramowania R&S®VSE,
wyzwalanie szyny cyfrowych sygnałów szeregowych do sprawdzania czasu pomiędzy sygnałem kontrolnym i wyjściem radiowym.

Formowanie wiązki wymaga wysokiej gęstości ścieżki sygnału na płytce drukowanej. Ta wysoka gęstość i przepływ dużych ilości danych oznacza, że należy przyłożyć dużą uwagę do projektu płytki, aby zapewnić właściwą integralność sygnału. Odbicia i przesłuchy to główne wyzwania pojawiające się przy projektowaniu ścieżek sygnałów na płytce drukowanej, łącznie z przejściówkami i złączami. Wspólnie z partnerem, firmą PacketMicro, Rohde & Schwarz oferuje wytrzymałe sondy do bezpośrednich pomiarów na płytce drukowanej.

Wektorowe analizatory sieci takiej jak R&S ZNB oferują zaawansowane testy integralności sygnału poprzez:

zaawansowaną analizę w domenie czasu i wykreślanie wykresów oka
szybkie podłączanie i rozłączanie do dopasowywania impedancji.

Wektorowe analizatory sieci R&S®ZNA sprawiają, że pomiary mieszaczy są łatwiejsze niż kiedykolwiek wcześniej, dzięki następującym cechom:

Model R&S®ZNA wyposażony w cztery porty oferuje do czterech źródeł wewnętrznych. Krótkotrwałe pomiary dokonywane za pomocą lokalnego oscylatora i pomiary intermodulacji porównywane z częstotliwością mieszacza dokonywane są do dziesięciu razy szybciej w porównaniu do konfiguracji, które używają zewnętrznych generatorów.
Urządzenie R&S®ZNA precyzyjnie mierzy straty odbiciowe i straty przemiany mieszaczy i konwerterów przy pomocy narzędzia R&S®SMARTTerCal.
Analizator wykonuje pomiary różnicy faz w konwerterach częstotliwości, wykorzystując korekcję błędów wektorów, funkcję niezbędną przy cyfrowym formowaniu wiązki, gdzie faza radiowa kontrolowana jest z podstawowego pasma cyfrowego przez cały tor RF.
Urządzenie R&S®ZNA oferuje unikalne podejście do pomiarów opóźnień fazowych i grupowych w konwerterach bez oscylatora lokalnego.

Połączenie oscyloskopu R&S®RTP i wielokanałowej sondy mocy R&S®ZVC umożliwia synchroniczne pomiary wielkości analogowych, cyfrowych i sygnałów radiowych

Wektorowy analizator sieci R&S ZNA upraszcza pomiary fazy na komponentach konwertujących częstotliwość, takich jak mieszacze, gdyż nie jest wymagany mieszacz referencyjny

Poprawa front-endu radiowego

W hybrydowej architekturze kształtowania wiązki dodaje się formowanie analogowe, aby poradzić sobie z większą ilością elementów antenowych. Zawęża to szerokość wiązki w efektywny kosztowo sposób i pozwala na zwiększenie zasięgu sygnału radiowego. Współczesne, wysoko zintegrowane układy scalone oferują kształtowanie wiązki kontrolowane cyfrowo. Pomagają przezwyciężyć ograniczenia przestrzenne przy wyższych częstotliwościach, kiedy to rozmiary anten stają się dość niewielkie.

Istotne charakterystyki to między innymi:

kontrola fazy i poziomu sygnału, dokładność i stabilność każdej ścieżki nadawczej i odbiorczej,
obsługa pasm w obustronnej komunikacji ze stacjami bazowymi,
maksymalny obsługiwany poziom mocy i liniowość wejścia i wyjścia – P1dB lub P3dB – dla wzmacniaczy niskoszumnych (LNA) i w ścieżce odbiorczej i wzmacniaczu wyjściowym w sekcji nadawczej.

Wszechstronne pomiary systemów kształtowania wiązki z analizatorem R&S ZNBT

Wektorowe analizatory sieci (VNA od ang. vector network analyzers) obsługują wszystkie pomiary na jednej platformie. Najszybszy sposób charakteryzowania układów scalonych formujących wiązki polega na podłączeniu wszystkich portów urządzenia i uruchomieniu pomiarów w jednej sekwencji bez przełączania żadnych kabli. Prawdziwe urządzenie VNA, takie jak R&S ZNBT, ma wiele zalet:

Równoległe pomiary na wszystkich portach badanego układu to najszybsze wyniki testów i wgląd w korelacje pomiędzy portami.
Skalowalna platforma o nawet 24 portach umożliwia bezpośrednie połączenie ze wszystkimi portami badanego urządzenia o wejściu jednoprzewodowych lub różnicowym.
Szeroki zakres dynamiczny do obserwacji pełnego działania układu.
Dwa źródła wewnątrz R&S ZNBT obsługują testowanie intermodulacji komponentów nieliniowych.
Pierwszy na rynku, prawdziwie wieloportowy analizator VNA na częstotliwości do 40 GHz obsłuży całą istotną komunikację radarową i satelitarną jak również pasma mmWave technologii 5G.

Testowanie układu kształtowania wiązki za pomocą analizatora R&S ZNBT

Projektanci mają wysoki stopień swobody w doborze struktury sieci formującej wiązkę. Decyzje projektowe zapadają na podstawie celów projektowych, takich jak liczba jednoczesnych wiązek (połączeń), oczekiwana szerokość wiązki i jej zasięg. Oddzielne wzmacniacze mocy zwiększają moc sygnału wyjściowego w przypadku radarów lub kompensują straty powstające na rozdzielaczach mocy zintegrowanych w łańcuch sygnałowy.

Wszystkie etapy wzmacniania muszą obsługiwać sygnały szerokopasmowe używane w radarach, komunikacji satelitarnej lub 5G NR. Można to łatwo zweryfikować poprzez analizę i generację sygnału szerokopasmowego dostępną w urządzeniach R&S SMW200A i R&S FSW. Oferują one:

szeroki zakres częstotliwości aż do 43 GHz, wystarczający do wszystkich zastosowań 5G,
szeroki na 2 GHz zakres częstotliwości wewnętrznych, co upraszcza konfigurację testów,
wbudowaną analizę i tworzenie wszystkich typów sygnałów od radarowych do 5G NR.

Poziom anteny i systemu

Integracja to kluczowy aspekt kompaktowych, wydajnych kosztowo systemów formowania wiązki. Anteny wbudowane (AiP od ang. Antenna-in-package) to oczywisty kolejny krok postępującej integracji. Nie jest możliwa weryfikacja modułów antenowych czy urządzeń AiP, takich jak w pełni zintegrowane układy RF w technologii 5G mmWave, bez przeprowadzenia testu.

Jedynie kontrolowane połączenie bezprzewodowe (OTA, od ang. over the air) pozwala na uzyskanie wiarygodnych informacji.

Rhode&Schwarz ma długą historię doświadczeń z pomiarami anten zarówno bliskiego (NF, od ang. near field) jak i dalekiego pola (FF, od ang. far field). Oprogramowanie do pomiaru anten R&S®AMS32 umożliwia szybką i prostą charakteryzację pojedynczych elementów antenowych czy kompletnych szyków fazowanych na podstawie informacji o amplitudzie i fazie, zmierzonej za pomocą wektorowego analizatora sieci. Wbudowane algorytmy transformacji NF-FF umożliwiają charakteryzację szyków antenowych, które przekraczają rozmiary pozwalające na badanie w niewielkich zamkniętych komorach.

Generator sygnałów R&S SMW200A wraz z analizatorem sygnałów i widma R&S FSW tworzą potężne narzędzie do testowania wzmacniaczy radiowych

R&S ATS1000: jedna kompaktowa komora do testowania anteny na podstawie komunikacji bezprzewodowej i pomiarów wydajności radiowej

W oparciu o rozmiar oraz zakres częstotliwości testowanego urządzenia, wymagane są komory o różnych kształtach. Dostępne są zarówno duże komory, do których można wejść jak i mniejsze, które można postawić na biurku. 5G NR obejmuje częstotliwości mmWave, zapewniając obsługę maksymalnych szybkości transmisji danych dostępnych w wysoce zintegrowanej infrastrukturze i podręcznych urządzeniach odbiorczych.

Rodzina systemów testowych anten R&S®ATS1000 jest zoptymalizowana pod kątem pasm mmWave do zastosowań 5G. Oferuje ona:

warunki takie jak w pomiarach pola dalekiego dostępne w zwartym i mobilnym urządzeniu do elastycznego zastosowania w środowiskach laboratoryjnych bez potrzeby stałej instalacji,
możliwość zastosowania do charakteryzowania i testów wydajnościowych modulacji anteny, takich jak EVM i ACLR, jeśli są używane wraz z odpowiednimi instrumentami RF,
precyzyjny pozycjoner do dokładnego odwzorowania wiązki anteny w 3D, umożliwiający dokładną ocenę możliwości kształtowania wiązki,
charakterystyka urządzenia w ekstremalnych zakresach temperatur za pomocą zintegrowanego, quasi-przezroczystego obszaru temperaturowego (ang. temperature bubble); jest to cecha szczególnie istotna dla wysoce zintegrowanych urządzeń z aktywnymi funkcjami RF i AiP,
zintegrowany kompaktowy test zasięgu anteny (CATR, od ang. compact antenna test range) zwiększający maksymalny rozmiar testu dla warunków dalekiego zasięgu.

W przypadku ogólnych konfiguracji laboratoryjnych, system CATR dostępny jest jako otwarte rozwiązanie mieszczące się na biurku. Jest to bardziej opłacalne i zapewnia łatwy dostęp do obiektu testowanego pomiędzy pomiarami. Idealnie sprawdzi się do strojenia parametrów projektu przy jednoczesnym utrzymaniu dużej cichej strefy z jednorodnym polem dalekiego zasięgu. Kalibracja mocy wyjściowej urządzenia wymaga najwyższych dokładności oferowanych przez mierniki mocy, bez względu na to, czy moc przewodzona jest przewodowo czy emitowana w powietrzu. Urządzenie do pomiaru mocy R&S®NRPM to unikalne połączenie anteny i miernika mocy, oferujące łatwe pomiary mocy w dowolnym położeniu.

Funkcjonalne testy kształtowania wiązki są proste i polegają na pomiarze mocy sygnału w różnych pozycjach. Korzystanie z wielu anten w modułach R&S®NRPM w szybki i niedrogi sposób zapewni bezpośrednie informacje o kierunku wiązki i sile sygnału listka głównego i listków bocznych.

Niedrogie rozwiązanie do pomiarów sygnału w powietrzu: biurkowa wersja R&S®ARS800B z anteną podającą sygnał, reflektorem i pozycjonerem pozwalającym na tworzenie jednorodnych fal planarnych, połączona z wektorowym analizatorem sieci R&S®ZVA do charakteryzacji anteny