分布式VNA架構(gòu) 有效解決毫米波OTA測(cè)試難題

對(duì)于無線數(shù)據(jù)帶寬的快速成長(zhǎng)需求，正加速擴(kuò)大并推動(dòng)行動(dòng)數(shù)據(jù)的用戶體驗(yàn)，這對(duì)于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)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(shù)，以推動(dòng)毫米波市場(chǎng)成長(zhǎng)的其他頻段。

5G NR發(fā)展現(xiàn)況
目前5G的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)，正持續(xù)超越傳統(tǒng)的增強(qiáng)型行動(dòng)寬帶（eMBB）通訊，以支持超可靠低延遲通訊（URLLC）的應(yīng)用。URLLC 的目標(biāo)鎖定在1毫秒甚至更低延遲的應(yīng)用上，以及超過 99.999％的可靠性，而且必須在行動(dòng)終端跨基地臺(tái)移動(dòng)切換期間，持續(xù)保持這樣的傳輸水平。根據(jù)預(yù)測(cè)，URLLC的應(yīng)用在近年會(huì)有更高的年復(fù)合成長(zhǎng)率。URLLC可以支持物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)密集傳感器網(wǎng)絡(luò)所需的基本功能，而對(duì)于能源傳輸、運(yùn)輸、制造和醫(yī)療保健領(lǐng)域的許多特殊應(yīng)用，URLLC也非常適用。URLLC可以應(yīng)用于需求安全性和穩(wěn)定性的相關(guān)應(yīng)用上，例如自動(dòng)駕駛、工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)器人、無人機(jī)運(yùn)輸與遠(yuǎn)程醫(yī)療等。

以URLLC為核心的應(yīng)用，需要毫米波技術(shù)才能達(dá)到一致性、安全性和低延遲的數(shù)據(jù)傳輸。URLLC 有助于實(shí)現(xiàn)工廠流程控制和電力系統(tǒng)自動(dòng)化，而相關(guān)廠商也透過在工廠中開發(fā)5G網(wǎng)絡(luò)來推動(dòng)毫米波的市場(chǎng)成長(zhǎng)，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制自動(dòng)化的目標(biāo)。這種由5G的發(fā)展所帶動(dòng)的智能工業(yè)流程和機(jī)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(jī)器之間進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊以產(chǎn)生大量可用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，加速工業(yè)的自動(dòng)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(dǎo)入智能倉(cāng)庫(kù)和配送中心。而工業(yè)4.0的趨勢(shì)，也將使工業(yè)制造的流程自動(dòng)化和數(shù)據(jù)分析發(fā)展更為熱絡(luò)。

FR2頻段挑戰(zhàn)重重
臺(tái)灣安立知業(yè)務(wù)暨技術(shù)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(dá)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(zhǎng)周期才能取得車用認(rèn)證。而廠商受到的要求與認(rèn)證也會(huì)更久。除了訂單問題，還必須通過車用認(rèn)證這個(gè)關(guān)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(yīng)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(huì)非常耗電，而耗能又與基地臺(tái)數(shù)量問題息息相關(guān)，基地臺(tái)越少，手機(jī)的能耗將會(huì)更多。再來就是FR2的高頻穿透問題，F(xiàn)R2的訊號(hào)最適合使用的場(chǎng)景是在沒有遮蔽物的開闊地點(diǎn)、大型會(huì)場(chǎng)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(duì)于整體通訊成本的節(jié)省，毫米波仍然有其一定的優(yōu)勢(shì)存在，因此前景仍然看好。而面對(duì)高頻測(cè)試需求，特別是三倍頻與五倍頻這樣的狀況，測(cè)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(chǎng)上頻率越走越高的發(fā)展現(xiàn)況。

臺(tái)灣安立知業(yè)務(wù)暨技術(shù)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(duì)B5G市場(chǎng)，然而如此高頻，在設(shè)計(jì)開發(fā)層面會(huì)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(tái)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(shè)計(jì)，以及未來高速高頻組件相關(guān)測(cè)試設(shè)備，都是目前已經(jīng)看到的可能挑戰(zhàn)。

以分布式架構(gòu)解決測(cè)試難題
在過去，使用VNA進(jìn)行OTA RF/μW屏蔽和傳播，通常需要非常長(zhǎng)的測(cè)試端口電纜，才能到達(dá)測(cè)試設(shè)備的周圍。在這些測(cè)試所需的距離上，同軸電纜產(chǎn)生了非常關(guān)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(zhì)（例如光纜）來實(shí)現(xiàn)S參數(shù)測(cè)量。這些額外的硬件和設(shè)置的復(fù)雜性，大幅增加了進(jìn)行傳播和屏蔽測(cè)量所需的成本和時(shí)間。

 
圖二 : 傳統(tǒng)長(zhǎng)纜線測(cè)試耗費(fèi)巨額成本，分布式架構(gòu)讓測(cè)試架構(gòu)更簡(jiǎn)潔。

目前安立知針對(duì)這樣的測(cè)試需求，推出了ShockLine ME7868A這款無機(jī)箱的2埠VNA，特色是其分布式架構(gòu)的便攜式端口模塊，頻率范圍可以從1MHz到高達(dá)8、20、43.5GHz等。ME7868A的分布式架構(gòu)，可以通過間隔達(dá)100米的端口模塊進(jìn)行測(cè)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(cè)試天線上，而無需額外的復(fù)雜測(cè)試硬件設(shè)置。

林升鴻說，傳統(tǒng)的OTA測(cè)試方式，必須銜接非常長(zhǎng)的電纜線，這樣長(zhǎng)的纜線容易導(dǎo)致訊號(hào)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(gòu)就必須考慮多一個(gè)功率放大器的成本，以及其運(yùn)作的效能。包括未來低軌衛(wèi)星以及其他毫米波的應(yīng)用，在測(cè)試上都會(huì)有需要更長(zhǎng)纜線的需求，不同長(zhǎng)度的纜線，都需要改變功率放大器的設(shè)計(jì)，對(duì)于整體架構(gòu)十分不友善。而安立知這款ME7868A解決方案，透過分布式架構(gòu)，可以因應(yīng)測(cè)試過程中，纜線長(zhǎng)度的變化，因此可以非常有效解決這些測(cè)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(gè)MS46131A單埠VNA所組成。使用專利的PhaseLync同步技術(shù)，單一端口VNA在100米或更遠(yuǎn)的距離內(nèi)可以進(jìn)行相位同步，來實(shí)現(xiàn)完整的2埠向量S參數(shù)測(cè)量。這種架構(gòu)透過將VNA端口連接到DUT前，減少了對(duì)于長(zhǎng)電纜的需求。 如此可以達(dá)到設(shè)置簡(jiǎn)化，并有效改善無線OTA 和大型屏蔽與傳播測(cè)試等應(yīng)用中的S參數(shù)遠(yuǎn)距離測(cè)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(cè)量，也同時(shí)提高了S參數(shù)測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍和測(cè)量穩(wěn)定性。

 
圖三 : 相控?cái)?shù)組天線系統(tǒng) OTA 性能測(cè)試示意圖。

結(jié)語(yǔ)
就目前的觀察，未來亞太地區(qū)的毫米波市場(chǎng)具有最高的年復(fù)合成長(zhǎng)率，其主因是在于受到亞太地區(qū)技術(shù)進(jìn)展的推動(dòng)。預(yù)計(jì)中國(guó)將成為亞太地區(qū)毫米波市場(chǎng)成長(zhǎng)速度最快的國(guó)家，其次是韓國(guó)。預(yù)測(cè)指出，到了2024 年，亞太地區(qū)將成為5G技術(shù)采用的領(lǐng)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(shù)相關(guān)應(yīng)用也正加速進(jìn)行，這都將有助于毫米波頻段的驗(yàn)證測(cè)試與未來發(fā)展規(guī)劃。