【儀表網 行業應用】導讀：信號分析儀和最佳測量實踐可以最大限度地減少因毫米波頻率損失而導致的錯誤。
5G 頻率范圍 2 (FR2) 的部署才剛剛開始。隨著毫米波部署上線，消費者將受益于更快的數據速率和更寬的帶寬。毫米波信號的更高頻率會在部署和測試設置中帶來信號損失。但是，您可以最大限度地減少信號損失并改進測量。
大多數(但不是全部)FR2 位于毫米波頻譜中，目前定義為 24.25 GHz 至 52.6 GHz。如圖 1 所示，毫米波頻譜通常被認為是位于 30 GHz 和 300 GHz 之間的頻譜頻段。
毫米波頻率范圍內的可用帶寬量可實現巨大的上行鏈路和下行鏈路速度，而毫米波傳輸的相對較小的尺寸使毫米波非常適合在具有許多設備的密集城市環境中運行。簡而言之，FR2 是 5G 承諾的大部分優勢所在，包括我們今天所知的標準無線通信的速度、帶寬和延遲，以及支持全新的用例。
毫米波的前景伴隨著權衡，包括路徑損耗(由于毫米波信號傳播不良)、增加的信號噪聲(由于寬帶信號固有的高噪聲水平)和較差的頻率響應(由于誤差幅度很小)寬帶信號)。更復雜的問題是，為毫米波設備設計的組件非常緊湊和緊密集成，以至于沒有地方可以探測，這就產生了輻射測試的要求，也稱為空中傳輸 (OTA) 測試。這些挑戰會使測量毫米波信號變得很困難，使您無法了解被測設備的真實性能。
本文將更詳細地討論毫米波設備測試面臨的這些具體挑戰。它還將介紹通過修改信號路徑、信號條件和參考平面的信號分析儀克服這些挑戰的策略，從而實現對 5G 毫米波信號的準確、可重復測量。
路徑損耗
FR2 傳輸要克服的最重大挑戰之一是毫米波信號的傳播距離不如微波頻率。大氣很容易吸收毫米波信號能量，雨衰和衍射也是如此。此外，毫米波信號幾乎無法穿透樹木、樹葉、建筑物墻壁、高速公路立交橋和其他基礎設施。
在對毫米波組件和系統進行測量時，您必須滿足于測試設置中毫米波信號的挑剔傳播特性。例如，射頻電纜和附件會影響信號強度。此外，測試和測量設備上的法蘭連接(圖 2)中的任何歪斜都會導致不必要的反射，從而降低信號質量和功率。OTA 測試要求也使問題復雜化，因為電磁場行為和特性會因距天線的距離而異。
測量儀器和被測設備 (DUT) 之間毫米波頻率下的過多路徑損耗會導致信號分析的信噪比 (SNR) 降低。較低的 SNR 會導致發射機測量精度較低，例如誤差矢量幅度(EVM)、相鄰信道功率比 (ACPR) 和雜散發射測量。為了補償路徑損耗，工程師通常會降低信號分析儀的衰減。然而，將信號分析儀的輸入衰減降低到 0 dB 可能不足以充分補償低 SNR 以實現準確測量。
信號分析儀讓工程師針對特定類型的測量進行優化。例如，信號分析儀提供多種 RF 信號路徑的選擇，以幫助克服與信號傳播和其他因素相關的路徑損耗問題。例如，信號分析儀可以在較高功率電平下應用衰減或在較低功率電平下應用前置放大器來測量各種輸入信號。
通常可用的射頻信號路徑類型包括：
默認信號路徑非常適合測量帶寬小于 45 MHz 的低電平信號。在這條路徑中，輸入信號在到達混頻器之前通過射頻衰減器、前置放大器和預選器。
微波預選器旁路路徑更適合分析寬帶矢量信號，例如毫米波信號，因為它允許寬帶信號不受阻礙地通過射頻鏈。
在較高功率電平下進行 EVM 測量和其他測試發射機調制質量的測量通常最好使用低噪聲信號路徑來完成。放大器的增益、頻率響應和插入損耗在較高頻率下復合。該路徑減少了路徑損耗以及前置放大器和開關產生的頻率響應和噪聲，從而提高了信號保真度并提高了測量靈敏度。
與默認信號路徑相比，全旁路信號路徑(避免低頻段開關電路中的多個開關并繞過微波預選器)可以將毫米波頻率的損耗降低多達 10 dB。全旁路路徑具有路徑損耗更低、信號保真度更高和測量靈敏度更高的優點，但也有一些缺點，包括帶內成像和用于測試較低功率電平的低 SNR。
外部混頻器擴展了信號分析儀的頻率范圍，并消除了由信號分析儀和 DUT 之間的測試設置電纜和附件引起的插入損耗。電纜損耗可高達 5 dB/m，并可降低測試系統的 SNR。添加一個可以靠近 DUT 的外部混頻器，可以縮短毫米波信號路徑，從而降低路徑損耗并提高 SNR。
寬帶噪聲
寬帶信號本身具有較高的噪聲和較低的 SNR，因為能量分布在信號的整個帶寬上。因此，帶寬越寬，固有信號完整性越低，它就越容易受到來自測試設置和其他因素的噪聲的影響，因此 SNR 越低。
增加分析帶寬會給信號分析儀帶來更多噪聲，從而降低 SNR。低 SNR 會導致 EVM 和鄰道功率比 (ACPR) 測量結果不佳，無法準確反映 DUT 的性能。
為了提高 EVM 測量精度，您應該為信號分析儀的混頻器和數字化儀選擇最佳電平。為獲得最佳結果，請選擇本地振蕩器 (LO) 的最佳相位噪聲配置以實現最佳結果。
無線標準規定了最大輸出功率下的發射機測量。但是，您可以在信號分析儀的第一個混頻器處衰減功率電平，以確保高功率輸入信號不會在信號分析儀中失真。例如，在 OTA 測試和具有顯著插入損耗的測試設置中，輸入信號電平可能低于最佳混頻器電平。使用內置前置放大器對于低輸入電平測試場景很有用。內置前置放大器提供了更好的噪聲系數，但互調失真與本底噪聲的動態范圍較差。
輸入混頻器電平設置是失真性能和噪聲靈敏度之間的權衡。較高的輸入混頻器電平可產生更好的 SNR，而較低的輸入混頻器電平可提供更好的失真性能。測量硬件、輸入信號的特性和規格測試要求共同決定了最佳混頻器電平設置。如圖 3 所示，在前端應用外部低噪聲放大器 (LNA) 還可以降低系統噪聲系數——無論是否帶有內部前置放大器——也有助于優化混頻器的輸入電平。
信號分析儀還為相位噪聲優化帶來了選擇。用于調制分析的信號分析儀的最佳相位噪聲性能取決于分析儀的相位噪聲曲線以及輸入信號的工作頻率、帶寬和子載波間隔(OFDM 信號)。寬偏移相位噪聲設置通常用于更好的 5G NR 毫米波調制分析。
頻率響應
測試儀器和 DUT 之間路徑中的組件將影響測試設置的準確性。憑借寬帶寬和毫米波信號，微小的誤差余量迫使射頻工程師尋找新的方法來減少頻率響應誤差。這些誤差發生在不同的頻率，影響相位和幅度響應。信號分析儀提供內部校準程序來校正其頻率響應。
需要糾正頻率響應誤差，以將測量精度從信號分析儀的輸入端口擴展到 DUT 的測試端口。可以使用信號分析儀配置對幅度和相位的校正，以消除頻率響應。校正測試網絡中的幅度和相位誤差也提高了測量的準確性。有許多儀器和附件可用于幫助校正頻率響應。
小結
總之，在 5G 中使用毫米波信號可以顯著提高速度和延遲，提供顯著提升傳統無線數據應用的性能，并支持全新的用例，例如超低延遲通信 (URLLC)、蜂窩車輛-萬物互聯 (C-V2X) 通信和大規模機器類型通信 (mMTC)。然而，毫米波信號的特性給準確、可重復的測量帶來了新的測量挑戰。現代信號分析儀提供硬件和軟件的靈活性來抵消這些挑戰，包括減少路徑損耗、改善信號狀況和糾正頻率響應誤差。
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