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Massive-MIMO-Antennen für 5G

Messtechnik für dreidimensionale Antennendiagramme

17. Januar 2018, 13:29 Uhr | Von Dr. Corbett Rowell und Reiner Stuhlfauth

Antennen für den Mobilfunkstandard 5G ausmessen

Der künftige Mobilfunkstandard 5G nutzt Mehrantennensysteme in Kombination mit erweiterten Raummultiplexverfahren. Doch bei dieser Übertragungstechnik können Strahlungscharakteristik und Leistungswerte der Antennen nicht wie gewohnt ermittelt werden.

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Der zukünftige Mobilfunkstandard der fünften Generation (5G) verspricht mehr Durchsatz, Kapazität und Implementierungsflexibilität bei gleichzeitig sinkenden Betriebskosten. Weitere Ziele sind eine hochverlässliche Kommunikation bei geringen Latenzzeiten (Ultra Reliable Low Latency Communications, uRLLC) und Massive Machine Type Communication (mMTC). Software Defined Networks (SDN) und Massive-MIMO-Mehrantennensysteme (Multiple Input Multiple Output) sind die beste Wahl, um diese Ziele zu erreichen.

Um den höheren Durchsatz mit mehr Bandbreite zu erzielen, nutzen 5G-Systeme Frequenzen im Zentimeter- und Millimeterwellenbereich. Doch das führt zu einer höheren Freiraumdämpfung. Die Antennenarrays benötigen bei diesen Frequenzen einen deutlich höheren Antennengewinn als bei herkömmlichen LTE-Übertragungen, um die erhöhte Freiraumdämpfung auszugleichen. Um bei einer Frequenz von 28 GHz die gleiche Empfängerleistung wie bei 900-MHz-Übertragungen zu erzielen, muss der Antennengewinn um 30 dB erhöht werden. Dies lässt sich mit der Nutzung einer großen Anzahl von Antennenelementen in einem Array und der Steuerung der Strahlungscharakteristik (Beamforming) realisieren. Die Hauptsendekeule wird hierbei räumlich so ausgerichtet, dass einzelne Endgeräte mit dem ihnen zugewiesenen Signal direkt angesprochen werden. Zum einen reduziert sich dadurch der Energiebedarf im Sender deutlich. Zum anderen stören die Signale keine benachbarten Endgeräte, wie das bei einer Basisstation ohne Beamforming der Fall wäre, bei der die Signale weitgehend gleichmäßig in alle Richtungen abgestrahlt werden.

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Aktuelle Standards wie zum Beispiel LTE-Mobilfunk oder WLAN nutzen MIMO-Antennen, um durch Raummultiplexverfahren eine höhere Kapazität pro Funkkanal zu erzielen. Multi-User-MIMO erweitert MIMO, indem Daten mit Beamforming gleichzeitig an unterschiedliche Endgeräte gesendet werden. Der Begriff Massive MIMO beschreibt die dynamische Kombi¬nation aus Beamforming und Raummultiplexverfahren abhängig von der Antennenkonfiguration und den Kanalbedingungen (Bild 1).

Herausforderungen bei Massive MIMO
Obgleich Massive MIMO viele Vorteile bietet, ergeben sich auch eine Reihe von Herausforderungen, z.B.:

hoher Durchsatz für die Schnittstelle zwischen Sender/Empfänger und Steuerung in der Basisstation,
Kalibrierung des Antennenarrays,
wechselseitige Kopplung zwischen Antennenelementen,
irreguläre Antennenarrays,
Komplexität des Antennenarrays.

Entsprechend gehen mit Massive MIMO auch für die Signalcharakterisierung und die Leistungsmessung der Antennenarrays ähnliche Herausforderungen einher. Diese lassen sich nicht mit der herkömmlichen, leitungsgebundenen Schnittstelle per Kabel meistern. Eine aussagekräftige Charakterisierung lässt sich nur mit Funktests (Over-the-Air, OTA) bewerkstelligen. Aufgrund der Kosten, hohen Verlusten und Kopplungen, die bei höheren Frequenzen auftreten, sind Kabeltests unbrauchbar; zudem sind bei Massive-MIMO-Systemen die Transceiver in den Antennen integriert, was zu einem Wegfall der HF-Messtore führt.

3D-OTA-Messungen

In der Vergangenheit wurde die Leistung als Funktion von Zeit, Spektrum oder Codierung (CDMA-Systeme) gemessen (Bild 2). Durch Beamforming kommt eine weitere Dimension hinzu: Raum oder Abstrahlrichtung

Die OTA-Messparameter variieren mit der Messaufgabe: Bei Messungen in den Bereichen Forschung und Entwicklung, bei Zertifizierungsmessungen oder Konformitätsprüfungen geht es um eine umfassende Untersuchung der Strahlungseigenschaften eines Messobjekts. Messungen in der Produktion umfassen die Kalibrierung, Verifizierung sowie Funktionstests.

Zu den wichtigsten Testparametern für Antennenentwickler gehören Verstärkungscharakteristik, abgestrahlte Leistung, Empfängerempfindlichkeit, Charakterisierung von Transceivern/Empfängern und Strahlschwenkung/Strahlnachführung. Jeder dieser Parameter beeinflusst die OTA-Messungen auf seine eigene Art und Weise. Jedoch ist die Strahlschwenkung/Strahlnachführung wegen der Frequenzen, die bei 5G zum Einsatz kommen, von besonderem Interesse. Obgleich eine statische Strahlmustercharakterisierung für die bestehende Mobilfunktechnik verwendet wird, benötigen Millimeterwellensysteme eine dynamische Strahlmessung, um die Algorithmen für Strahlnachführung und Strahlschwenkung exakt zu charakterisieren.

Produktionstests

Bei Konformitäts- und Produktionstests sind viele Aspekte zu berücksichtigen. Drei besonders wichtige sind:

Antennen-/relative Kalibrierung: Um die Strahlen exakt zu formen, muss die Phasenfehlanpassung zwischen den HF-Signalwegen weniger als ±5 ° betragen. Diese Messung kann mit einem phasenkohärenten Empfänger durchgeführt werden, um die relative Differenz zwischen allen Antennenelementen zu ermitteln.

Fünf-Punkte-Strahltest: Gemäß des 3GPP (3rd Generation Partnership Project) müssen Hersteller aktiver Antennensysteme (AAS) die Abstrahlrichtung, die maximale äquivalente isotrope Strahlungsleistung (EIRP) und einen EIRP-Schwellenwert für jeden ausgewiesenen Strahl spezifizieren. Zusätzlich zum Punkt „maximale EIRP“ werden vier zusätzliche Punkte an der ausgewiesenen Schwellenwertgrenze gemessen, d.h. ein Mittelpunkt mit der maximalen EIRP und die übrigen vier Punkte, die Leistungsgrenzwerte an einer linken, rechten, oberen und unteren Grenze festlegen, wie Bild 3 zeigt.
Abschließende Funktionsprüfungen: Sie werden mit einem komplett montierten Gerät ausgeführt und können aus einer einfachen Leistungsmessung in der Sendekeule, einem Fünf-Punkte-Strahltest und einer aggregierten Transceiverfunktion wie z.B. der Fehlervektormessung (Error Vector Magnitude, EVM) sämtlicher Transceiver bestehen.