分布式VNA架構 有效解決毫米波OTA測試難題

對于無線數(shù)據(jù)帶寬的快速成長需求，正加速擴大并推動行動數(shù)據(jù)的用戶體驗，這對于現(xiàn)有網(wǎng)絡的可用頻譜使用上也造成了一定的壓力。為了克服通訊產(chǎn)業(yè)不斷增加的需求，通訊產(chǎn)業(yè)正在研究可用于開發(fā)新的5G無線技術，以推動毫米波市場成長的其他頻段。

5G NR發(fā)展現(xiàn)況
目前5G的應用偏重在FR1頻段，F(xiàn)R2頻段幾乎還看不到，最主要的問題還是在于天線耗能，以及FR2的穿透力等問題。
目前5G NR的標準演進，正持續(xù)超越傳統(tǒng)的增強型行動寬帶（eMBB）通訊，以支持超可靠低延遲通訊（URLLC）的應用。URLLC 的目標鎖定在1毫秒甚至更低延遲的應用上，以及超過 99.999％的可靠性，而且必須在行動終端跨基地臺移動切換期間，持續(xù)保持這樣的傳輸水平。根據(jù)預測，URLLC的應用在近年會有更高的年復合成長率。URLLC可以支持物聯(lián)網(wǎng)端點密集傳感器網(wǎng)絡所需的基本功能，而對于能源傳輸、運輸、制造和醫(yī)療保健領域的許多特殊應用，URLLC也非常適用。URLLC可以應用于需求安全性和穩(wěn)定性的相關應用上，例如自動駕駛、工業(yè)自動化和機器人、無人機運輸與遠程醫(yī)療等。

以URLLC為核心的應用，需要毫米波技術才能達到一致性、安全性和低延遲的數(shù)據(jù)傳輸。URLLC 有助于實現(xiàn)工廠流程控制和電力系統(tǒng)自動化，而相關廠商也透過在工廠中開發(fā)5G網(wǎng)絡來推動毫米波的市場成長，并進一步實現(xiàn)工業(yè)控制自動化的目標。這種由5G的發(fā)展所帶動的智能工業(yè)流程和機器聯(lián)網(wǎng)，被稱為工業(yè) 4.0。這樣的過程也意味著需要在機器之間進行實時通訊以產(chǎn)生大量可用數(shù)據(jù)進行分析，加速工業(yè)的自動化。5G的低延遲、超高可靠性、高帶寬等特性，可以有效將工業(yè)4.0導入智能倉庫和配送中心。而工業(yè)4.0的趨勢，也將使工業(yè)制造的流程自動化和數(shù)據(jù)分析發(fā)展更為熱絡。

FR2頻段挑戰(zhàn)重重
臺灣安立知業(yè)務暨技術支持部經(jīng)理林光韋指出，在車用高頻的部分，包括60GHz與77、79GHz等都是車用雷達所使用的頻段。這部分由于是車用，牽涉到乘車人員的安全，需要更長周期才能取得車用認證。而廠商受到的要求與認證也會更久。除了訂單問題，還必須通過車用認證這個關卡，這也成為77、79GHz波段發(fā)展速度較為遲緩的主因。

目前5G的應用偏重在FR1頻段，真正FR2頻段的采用幾乎還看不到，這其中最主要的還是在于天線耗能的問題，采用FR2將會非常耗電，而耗能又與基地臺數(shù)量問題息息相關，基地臺越少，手機的能耗將會更多。再來就是FR2的高頻穿透問題，F(xiàn)R2的訊號最適合使用的場景是在沒有遮蔽物的開闊地點、大型會場等，而非常不適合在高樓林立的市區(qū)使用。然而高頻的發(fā)展依然有其必要性，特別是對于整體通訊成本的節(jié)省，毫米波仍然有其一定的優(yōu)勢存在，因此前景仍然看好。而面對高頻測試需求，特別是三倍頻與五倍頻這樣的狀況，測試儀器廠商仍然持續(xù)推出更為高頻的解決方案，方能滿足市場上頻率越走越高的發(fā)展現(xiàn)況。

臺灣安立知業(yè)務暨技術支持部副理林升鴻也表示，在毫米波頻段中，從現(xiàn)在幾乎必須放眼到160到300GHz，特別是面對B5G市場，然而如此高頻，在設計開發(fā)層面會面臨更大的挑戰(zhàn)。B5G解決了一些問題，但也帶來新的挑戰(zhàn)。例如材料的耗損如果更多，代表基地臺的發(fā)射功率也必須更大，因此如何更有效降低耗損將是急需面臨的課題。從基板、天線到封裝等部分都必須加以考慮。除了材料特性之外，PCB板上的天線設計，以及未來高速高頻組件相關測試設備，都是目前已經(jīng)看到的可能挑戰(zhàn)。

以分布式架構解決測試難題
在過去，使用VNA進行OTA RF/μW屏蔽和傳播，通常需要非常長的測試端口電纜，才能到達測試設備的周圍。在這些測試所需的距離上，同軸電纜產(chǎn)生了非常關按的插入損耗和相位不穩(wěn)定性，以至于必須使用不同的傳輸介質（例如光纜）來實現(xiàn)S參數(shù)測量。這些額外的硬件和設置的復雜性，大幅增加了進行傳播和屏蔽測量所需的成本和時間。

 
圖二 : 傳統(tǒng)長纜線測試耗費巨額成本，分布式架構讓測試架構更簡潔。

目前安立知針對這樣的測試需求，推出了ShockLine ME7868A這款無機箱的2埠VNA，特色是其分布式架構的便攜式端口模塊，頻率范圍可以從1MHz到高達8、20、43.5GHz等。ME7868A的分布式架構，可以通過間隔達100米的端口模塊進行測試，如此一來，就可以將VNA裝置放置在靠近大型DUT或廣泛放置的測試天線上，而無需額外的復雜測試硬件設置。

林升鴻說，傳統(tǒng)的OTA測試方式，必須銜接非常長的電纜線，這樣長的纜線容易導致訊號遞減，必須透過功率放大器來解決這樣的問題，這使得整體架構就必須考慮多一個功率放大器的成本，以及其運作的效能。包括未來低軌衛(wèi)星以及其他毫米波的應用，在測試上都會有需要更長纜線的需求，不同長度的纜線，都需要改變功率放大器的設計，對于整體架構十分不友善。而安立知這款ME7868A解決方案，透過分布式架構，可以因應測試過程中，纜線長度的變化，因此可以非常有效解決這些測試遇到的挑戰(zhàn)。

ShockLine ME7868A的2端口VNA系統(tǒng)是特殊的分布式模塊化系統(tǒng)，由兩個MS46131A單埠VNA所組成。使用專利的PhaseLync同步技術，單一端口VNA在100米或更遠的距離內(nèi)可以進行相位同步，來實現(xiàn)完整的2埠向量S參數(shù)測量。這種架構透過將VNA端口連接到DUT前，減少了對于長電纜的需求。 如此可以達到設置簡化，并有效改善無線OTA 和大型屏蔽與傳播測試等應用中的S參數(shù)遠距離測量。ShockLine ME7868A這套2端口USB VNA系統(tǒng)提供超過100米的相位同步測量，也同時提高了S參數(shù)測量的動態(tài)范圍和測量穩(wěn)定性。

 
圖三 : 相控數(shù)組天線系統(tǒng) OTA 性能測試示意圖。

結語
就目前的觀察，未來亞太地區(qū)的毫米波市場具有最高的年復合成長率，其主因是在于受到亞太地區(qū)技術進展的推動。預計中國將成為亞太地區(qū)毫米波市場成長速度最快的國家，其次是韓國。預測指出，到了2024 年，亞太地區(qū)將成為5G技術采用的領先地區(qū)，而由于政府的政策協(xié)助，亞太地區(qū)毫米波技術相關應用也正加速進行，這都將有助于毫米波頻段的驗證測試與未來發(fā)展規(guī)劃。