测量解决方案之毫米波无线回程

概述

回程在电信网络中具有举足轻重的的作用，它主要由核心网或骨干网与处于整个网络末端的小型子网之间的中间链路组成。在微波移动/ 无线网络中有三种类型的回程：宏基站Macrocell、小基站small cell和femtocell。Femtocell 回程通常使用宽带接入技术，不在本应用指南的讨论范围内。Small cell 回程负责在室外smallcell 和连接到macro cell 回程网络的节点或连接到广域网(WAN)/互联网/ 城域网的节点之间传输数据。它包括两端的设备，以及中间的网格或串行设备。

目前有许多不同的回程技术可供运营商选择，E-band 就是其中之一。这个频段频谱资源丰富，大气衰减相对较低，且在部分国家已拥有频谱许可证，因此是目前微波回程的最佳选择。在全球广泛部署的E-band点对点视距微波无线通信系统 —又称为毫米波(mmWave) 无线通信系统 — 在还未获许可的57-64 GHz 频段( 数据速率高达1 Gbps)、已获得许可证的71-86 GHz 频段和92-95 GHz 频段( 数据速率高达10 Gbps) 上工作。因此，非常适合在应用于人口稠密的城市环境( 距离小于1 千米) 和郊区工业区环境( 距离2 到5 千米) 中使用。市场分析师也是基于这个重要优势，预测在未来几年内，毫米波回程市场将会发生突飞猛进的发展，其中长期演进(LTE) small cell 回程越来越多地使用毫米波将起到重要的推动作用。

问题

有以下几个原因，促使运营商逐渐过渡到E-band 回程。首先可在更高频段内提供更大带宽，并可提供一个具有极强方向性和容易控制的天线波束。此外，E-band 无线通信系统的工作频段( 即60 GHz 和70-90 GHz)现在对商用业务和产品是开放的。

尽管有这些优势，但是在向E-band 回程过渡时可能还会遇到许多设计和测试挑战。例如，E-band 的波束宽度极窄，因此信号非常容易受到建筑物的影响和大气干扰。系统校准也极为困难。E-band 的性能还非常容易受到雨水和氧吸收的影响。雨水会严重影响E-band 的无线电波传输，使得E-band 无线通信系统不得不重复发送数据，以达到符合标准的服务等级; 甚至有可能导致服务中断。此外，E-band 回程测试解决方案的成本也很高。

解决方案

随着毫米波技术的不断发展，推动运营商从使用传统回程( 例如光链路和微波链路) 向E-band 点对点链路转变，尽快找到方案满足高频高带宽需求、且经济高效的测试测量仪器迫在眉睫。这些解决方案对于确保E-band 回程系统的正常工作至关重要，同时还可应对上述挑战。

一套完整的毫米波测试和测量方案必须将用于毫米波元器件测试和校准的网络分析仪与最佳的信号生成和分析系统结合起来，准确地对通信链路( 例如发射机、信号路径和接收机) 进行测试和测量。网络分析仪必须提供单次扫描能力，支持全方位的毫米波端口功率控制，并支持真正的差分测量。另一方面，信号生成和分析解决系统还应提供快速的测量时间和开关速度、出色的可扩展性( 能够对工具进行量身定制，满足用户不断变化的测试需求)和灵活性( 使它们能够支持现有的和未来的制式)。

是德科技毫米波产品系列可以满足这一标准。这些产品包括毫米波网络分析仪，以及信号生成、分析和路径仿真全套方案。网络分析仪适用于对同轴器件或晶圆中的毫米波器件进行表征、建模和参数提取，而信号生成/ 分析解决方案则适用于毫米波通信链路测试。

毫米波网络分析仪

Keysight N5251A 单次全频段扫描10 MHz 至110 GHz 矢量网络分析仪使用了毫米波控制器和一个宽带频率扩展器组合，提供1.0 毫米阳头测试端口输出连接器，可用作单一产品的解决方案。另外，它也可以配置使用PNA 或PNA-X 网络分析仪组成更低成本的解决方案。现有的N5227APNA 和N5247A 67 GHz PNA-X 用户只需添加N5261A/N5262A 测试控制器和宽带频率扩展器，即可进行单次扫描10 MHz 至110 GHz 测量。

N5251A 毫米波解决方案是唯一集成有三轴向直流偏置装置(tri-axial biastees) 的宽带解决方案，通过在施加直流偏置的过程中对偏置信号的大小进行监测可以精确地对被测器件的偏置状态进行控制。其宽广的频率范围可实现出色的时域分辨率，并使用户能够对被测件施加精确的功率电平，扫描1.0 毫米端口的功率。此外，N5251A 为同轴、各种夹具和晶圆上的器件提供了多种校准选择。

为了进行高达1.1 THz 的S 参数测量，可以使用由PNA 和PNA-X 网络分析仪配置的各种分频段扩展毫米波解决方案。2 或4 端口OML 分频段扩展波导系统包括PNA-X 和OML 公司提供的频率扩展器，可覆盖50 GHz至500 GHz 的频率范围。根据测量需要和所选用的频率扩展器类型，它可以配备/ 不配备控制器。可进行的具体测量包括真实模式、时域、功率、功率扫描( 单一频率)、功率谱、互调失真和噪声系数等等。2 或4 端口VDI 分频段扩展波导系统用于进行THz 成像，可配备Virginia Diodes Incorporated (VDI) 公司提供的频率扩展器，将频率范围扩展至950 GHz。

这些分频段扩展毫米波解决方案使用内置的固化软件， 无论是使用PNA 还是PNA-X 系列网络分析仪都可以利用已经开发好的测量应用软件进行测量。无论测量的频率范围是什么，用户都可以通过前面板对测试仪器进行手动控制，并可以使用鼠标访问操作简单的下拉菜单。使用固化软件界面，用户可以轻松地在各频段之间进行切换。

网络分析仪测量示例

为了更好地了解如何使用毫米波网络分析仪进行测量，以4 端口N5251APNA 网络分析仪为例，它可以执行10 MHz 至110 GHz 的单次扫描测量( 图1)。N5251A 能够控制并使用接收机稳幅能力，精确地设置1.0 毫米测试端口上的功率。它还支持诸如真实差分测量、脉冲测量和标量混频器测量等应用，并能够灵活地对晶圆上元器件进行单次接触，完整表征被测件的特性。

图1. 以N5227A PNA 为基础构建的4 端口110 GHz N5251A 毫米波网络分析仪的结构图。

N5251A 能够对功率进行精确控制，使用户在毫米波频率上测量器件增益压缩特性的工作更为简单。例如，图2 显示它在进行传统S 参数测量的同时，还使用功率扫描进行了110 GHz 缓冲放大器测量。

图2. 在77 GHz 上进行功率扫描增益压缩测量。

使用此N5251A 配置还可以轻松进行混频器测量和功率谱测量。图3a 显示了PNA 对75 至110 GHz 下变频混频器执行本振功率扫描的测量结果，测量频点设置在75 GHz 连续波上。使用PNA 的内置IM 频谱选件，可进行功率谱测量。图3b 显示了在10 MHz 至110 GHz 频率范围内测量110 GHz 缓冲放大器输入输出频谱的结果。

图3a. 在75 GHz 毫米波频率上进行-20 至+11 dBm 本振扫描的S21 绘图结果。

图3b.放大器在77 GHz上的输入/输出。使用PNA 的IM 频谱选件，可以在10MHz 至110 GHz 频率范围内对所有频谱功率元器件进行测量。

毫米波信号发生器和信号分析仪解决方案

毫米波信号生成、分析和信号路径仿真，可通过Keysight M8190A 宽带任意波形发生器(AWG)、PSG 信号发生器、PXA/EXA 频谱分析仪以及装有86901B 矢量信号分析软件的高性能Infiniium 系列示波器来实现( 图4)。以收发信机仿真为例。测试收发信机需要使用仿真的发射机和/ 或仿真的接收机。理想情况下，两者都应该具有足够的灵活性，可以在信号源端生成真实的失真，在接收机端对其进行补偿。使用M8190A 高性能任意波形发生器(12 位，12 GSa/s 或14 位，8 GSa/s)，用户能够创建这些类型的波形，作为信号源使用。矢量PSG 信号发生器可充当外置I/Q 调制器。在分析仪端， 使用支持63 GHz 实时频率带宽的Infiniium 示波器。配有160 MHz 射频分析带宽的PXA 和/ 或EXA 以及是德科技智能混频器是另一种选择—视信号带宽和频率而定。该测试解决方案还包括MATLAB ( 支持定制信号生成)、Signal Studio ( 支持LTE 等特定信号制式) 和89601B ( 用于信号分析)等软件。

图4. 此结构图显示了可用于毫米波回程测量和分析的总体调制信号生成和分析解决方案。

在对收发信机进行实际测量时，首先由M8190A AWG 或Signal Studio 生成一个信号，再由Keysight E8267D矢量信号发生器和/ 或外部第三方上变频器对信号进行上变频并发送到被测件( 在本例中为60 GHz 链路)。接下来，使用外部器件( 例如是德科技智能混频器或第三方下变频器) 对信号进行下变频。

最后使用Infiniium 示波器或装有89601B 矢量信号分析软件的PXA/EXA 对信号进行分析( 图5)。

图5. 对收发信机的分析结果将得到一个64QAM 星座图(3 GSamples/s)，以及关于86 GHz 通信链路的Q 眼图和I 眼图。

测量结果总结

毫米波技术的不断发展，正推动回程从传统技术向更经济、大容量的E-band 点对点链路转变。但是，与这些链路有关的技术挑战使得本已非常困难的设计和测试过程变得更加复杂。令人高兴的是，用于元器件测试的N5251A 毫米波网络分析解决方案以及用于通信链路测试的毫米波信号生成和分析解决方案，将帮助设计和测试人员轻松应对这些挑战。它们可以为当前的工程师提供重要的工具，确保E-band 回程正常工作，进而帮助此项技术不断发展和普及。

强大能力加速无线设计和测试

是德科技是无线测试行业的领导企业，致力于通过以应用为中心、针对现有和新兴标准特别优化的测试测量平台，提供最高性能的无线器件和网络设计和测试。除了卓越的研发和现场支持之外，是德科技还帮助工程师在不断演进的无线行业中更好地分析各种复杂问题，加快产品的开发速度。