如何评估 5G 毫米波相控阵天线模块
5G 新无线电 (5G NR) 是空中接口或无线接入网络 (RAN) 技术的行业标准和全球规范。它涵盖 6 GHz 及以下频率（称为 FR1）和 24 GHz 至 50 GHz 或更高频段（称为 FR2 或 mmWave）的运行。该技术可用于固定或移动接入、回程和日益流行的私有网络，Open RAN有助于实现供应商生态系统的多样化并降低成本。
5G 网络在毫米波频率下实现了其最大的承诺——巨大的带宽和极低的延迟。但毫米波无线电面临的一大挑战是其范围有限，因为信号容易被从建筑物到树叶的一切吸收和衰减。天线阵列必须使用波束成形来对抗这些传播损耗，这涉及多天线阵列中的相位技术，以将无线电信号聚焦到网络用户的方向，而这些用户通常是移动的。需要高速实现准确的方向跟踪，当遇到干扰或用户在接入点之间移动时，动态信道分配也需要高速实现。
无线电和天线阵列需要很小。由于 5G NR 无线电的范围有限，通常在 250 米左右（具体取决于环境），因此与低频段系统相比，为服务特定地理区域所需的无线电和天线阵列要大得多。因此，它们的美观影响是一个重要的考虑因素。出于技术原因，尺寸也需要小。在毫米波频率下，信号路径必须尽可能短，以避免不必要的辐射、电磁干扰、串扰和信号衰减。但是，使无线电变小会带来热管理挑战。毫米波射频放大器的效率有时可能只有 10%，因此输入其中的 90% 的直流电需要以热量的形式耗散。高温会严重损害电子系统的可靠性和使用寿命。
功率半导体效率的提高（包括组件和模块）、整个信号链中功能集成度的提高、更有效的测试和仿真工具以及高性能互连，都有助于实现为 mmWave 5G NR 应用设计有效、高效、紧凑的无线电的目标。
由于系统设计人员面临着始终存在的上市时间压力，开发平台在加速设计过程和确保毫米波无线电部署和调试时的可预测运行方面发挥着至关重要的作用。
5G 毫米波测试和仿真平台的功能
评估 5G 信号链涉及测量频率范围、带宽、发射功率和有效全向辐射功率 (EIRP)、接收器灵敏度和噪声系数以及模拟和数字波束成形功能。工程师需要检查天线特性，包括增益、极化和辐射模式。此外，可能需要进行调制精度测试，例如，确定误差矢量幅度 (EVM)，以揭示预期和实际信号星座点之间的任何差异。其他测量可以包括接收器信噪比 (SNR)、链路延迟以及干扰和共存性能评估。检查是否符合标准和法规（例如 FCC、ITU 或 ETSI 的标准和法规）也至关重要。
Avnet 整合了 AMD、Fujikura、Mathworks、Rohde & Schwarz 和 Samtec 的产品，创建了一个端到端 5G 开发和测试平台，用于测量此类参数。该装置的组成部分包括AMD Xilinx XCU208 RFSoC 板、Avnet 的 RFSoC Explorer 应用软件、Fujikura 相控天线阵列模块 (PAAM)、Rohde & Schwarz RTP 示波器以及 Samtec 的高频互连电缆组件和连接器。被测设备是 Fujikura PAAM。
RFSoC 板
AMD XILINX Zynq UltraScale+ RFSoC ZCU208 用于驱动信号链。该开发板配有 Zynq UltraScale+ RFSoC ZU48DR。它充满了数字功能：八个 14 位 5GSPS ADC、八个 14 位 10GSPS DAC 和八个软决策前向纠错 (SD-FEC) 内核。该开发板结合了 Arm® Cortex®-A53 和 Cortex-R5 子系统、UltraScale+ 可编程逻辑，并提供 0 – 6 GHz IF 带宽。
5G PAAM 高性能特性
Fujikura PAAM 覆盖频段 n257 (28 GHz)、n258 (26 GHz) 和 n261 (27 GHz)，专为室内或室外应用而设计。它是一个高度集成的模块，带有 8x8 天线元件、RF IC 和滤波器。
PAAM 支持同时进行双极化波束传输和接收。其 SiGe BiCMOS RF IC 可实现超过 20% 的功率附加效率，从而简化热管理，并且模块的低噪声系数 (NF) 可最大程度地提高链路裕度和覆盖范围。PAAM 可实现对数千种波束配置的片上支持，从而确保应用灵活性。其 8 x 8、64 元件阵列可扩展至 2048 个元件或更多。
在宽频率范围内进行独立的相位和幅度控制，可以精确控制可调的实时延迟移相器，从而实现简单、准确、高分辨率的波束控制，支持超过 30,000 个方向。波束切换速度极快，小于 220 纳秒，确保终端用户体验无缝衔接，PAAM 的移相器通过确保在宽频率范围内不变的群延迟和不变的波束方向来保持不失真的发送或接收信号。无需校准的操作简化了安装。
整合所有内容：Avnet 的 RFSoC Explorer 工具箱
免费的Avnet RFSoC Explorer Toolbox版本 3.0 支持使用 RFSoC 板和 Fujikura PAAM 进行无线天线到比特原型设计。使用 MATLAB 和 Simulink，该工具箱的图形用户界面 (GUI) 和直观的 API 提供对 RF-ADC 和 RF-DAC 参数、信号生成和采集的编程控制。符合标准的波形和自定义波形可以流式传输到硬件和从硬件传输。使用具有自动完成脚本的 GUI 或编程 API 来执行系统测试。
罗德与施瓦茨测试设备补充了该平台
罗德与施瓦茨公司生产多种适用于 5G RF 测试的产品，包括矢量信号发生器和分析仪。适合补充此处描述的测试设置的示波器是该公司 RTP 产品系列中的一款。这些示波器提供高达 16 GHz 的带宽、40 Gsamples/s 的最大采样率和高达 16 位的分辨率。这些仪器具有 ± 0.25 dB 的平坦频率响应，可确保精确测量。
毫米波频率下精密互连的重要性
在 24GHz 及以上频率下工作的系统需要特别注意电缆和连接器，以实现准确的阻抗匹配、最大限度地减少损失、防止不必要的辐射、防止 EMI 并确保信号完整性。
Samtec 生产各种精密 RF 连接器和电缆组件，适用于 18 GHz 至 110 GHz 之间的频率。对于紧凑型 5G 模块，50 Ohm SMP 和SMPM系列通常是首选，因为它们体积小、有单端口和多端口版本，并且 SWR 低（<1.4:1）。该公司最近还推出了带有独特橙色护套的新型同轴电缆。它们使用Nitrowave ™ 技术来确保电缆弯曲时的相位和幅度稳定性，并采用低密度 PTFE 电介质以最大限度地减少损耗、层间一致的接触电阻和分层屏蔽以最大限度地减少干扰。
注意：该演示平台将于 2024 年 6 月 16 日至 21 日在华盛顿特区 IMS 微波周的 Samtec 展位（#1531）上展出。
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