Netzwerkanalysatoren in der Praxis
T/R-Module und ihre Verstärker charakterisieren
Die Leistungsfähigkeit von Transmit/Receive-Modulen in Phased Arrays wird durch ihre internen Verstärker bestimmt. Hier kommen Netzwerkanalysatoren ins Spiel – sie vereinfachen die Überprüfung der Verstärkerleistung und verbessern gleichzeitig die Messgenauigkeit und -reproduzierbarkeit.
Die aktuellen Trends im Bereich der Bauteiltechnologien – wie beispielsweise mehrere Transmit/Receive(T/R)-Module pro Chip und GaN-Leistungsverstärker (PA) – lassen Phased Arrays (Bild 1) immer kleiner und günstiger werden, gleichzeitig erobern sie damit neue Anwendungen.
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Weil die Implementierung von Phased Arrays in Satelliten- und 5G-Kommunikations-systemen immer realistischer wird, verlagert sich der Fokus der Entwickler von der Erreichung der Grundfunktionalität zur Leistungsoptimierung.
T/R-Module stellen die Systemleistung in einem Phased Array durch drei Schlüsselfunktionen sicher:
➔ Steigerung der Sendesignale auf die maximale Sendeleistung
➔ Ermittlung der Rauschzahl des Systems bei Empfangsvorgängen
➔ Steuerung der Strahlführung und Winkelgenauigkeit
Das Verhalten von T/R-Modulen zu charakterisieren stellt hohe Anforderungen an die Leistung und Flexibilität eines Testsystems. Es muss sowohl den Sende- als auch den Empfangsmodus unterstützen und gleichzeitig die Genauigkeit und den Durchsatz maximieren.
Obwohl viele Komponenten zum erfolg-reichen Betrieb eines T/R-Moduls beitragen – Phasenschieber, Dämpfungsglieder, Begrenzer –, schränken die Verstärker die Sende- und Empfangsleistung des Moduls am stärksten ein. Um die Leistung eines T/R-Moduls (Bild 2) und damit des Phasen-Arrays zu optimieren, müssen die Entwickler daher zunächst den rauscharmen Verstärker (Low Noise Amplifier, LNA) des Empfängers und den Leistungsverstärker (Power Amplifier, PA) des Senders charakterisieren.
Warum sind die Verstärker der T/R-Module so wichtig?
Der LNA und der PA fungieren als erste Stufe des Empfangspfads bzw. als letzte Stufe des Sendepfads. Daher optimieren die Entwickler die Empfangsempfindlichkeit anhand der Daten von LNA-Rauschzahl- und Verstärkungsmessungen. Für die Übertragung optimieren sie Linearität und Effizienz auf der Grundlage des PA-Verzerrungsverhaltens.
Im Empfangsbetrieb bestimmt der LNA das System-Link-Budget, die Rauschzahl und folglich das minimale detektierbare Signal für das T/R-Modul. Die Friis-Formel zeigt, wie sich der Gesamtrauschfaktor des Empfängers Ftotal aus dem Rauschfaktor FN und der Verstärkung GN der einzelnen Stufen zusammensetzt.
Der Rauschfaktor der ersten Stufe F1 bestimmt die minimale Rauschzahl für den Gesamtempfänger (Friis Formel):
Was den Übertragungsweg betrifft, so wirken sich Verzerrungseffekte entscheidend auf die Leistung aus – insbesondere nichtlineare Verzerrungseffekte, die vom Leistungs-verstärker verursacht werden. Der Leistungsverstärker spielt als letzte Komponente vor der Antenne eine entscheidende Rolle. Seine Verzerrungen wirken sich direkt auf die Qualität des übertragenen Signals aus. Bandinterne Verzerrungsbeiträge sind besonders problematisch, da sich Filtern als unwirksam erweist.
Die Kommunikationssystembranche betrachtet den Wert der EVM (Error Vector Magnitude) als Maßstab für die bandinterne Verzerrung. Die EVM ist definiert als der quadratische Mittelwert (RMS) des Fehlervektors über die Zeit an den Stellen n der Symboltaktübergänge. Der Fehlervektor ist die Vektordifferenz zwischen dem idealen Referenzsignal und dem gemessenen Signal zu einem bestimmten Zeitpunkt (Bild 3) (Formel).
Modulationsstandards wie 802.11ac und 5G New Radio (NR) legen den minimal akzeptablen EVM-Wert fest. Mit zunehmender Strenge der Standards steigt auch die Notwendigkeit, PA-Modulationsverzerrungen und EVM genau zu erfassen und zu optimieren.
Der Leistungsverstärker trägt auch am meisten zum Stromverbrauch bei. Die Vorspannung bestimmt, ob sich ein Verstärker linearer, aber weniger effizient, oder effizient, aber mit erheblicher Verzerrung verhält. Das bedeutet, dass die Entwickler die PA-Effizienz optimieren und gleichzeitig die Linearität gemäß den strengen gesetzlichen Vorschriften beibehalten müssen, um die beste Leistung aus dem T/R-Modul herauszuholen.
Übertragungslinearität und Empfangsempfindlichkeit
Für alle typischen CW- (Continuous Wave) und Zweitonprüfungen, einschließlich Messungen wie IP3 (Intercept Point) oder 1-dB-Kompressionspunkt, ist das Messgerät der Wahl ein Vektor-Netzwerkanalysator (VNA). Moderne Kommunikationsstandards erfordern jedoch eine komplexe Modulation von Breitbandsignalen. Um modulierte Breitbandsignale zu testen und Verzerrungen wie EVM und ACPR (Adjacent Channel Power Ratio) zu messen, waren bisher ein Signalanalysator und ein Signalgenerator erforderlich. Das Umschalten zwischen zwei separaten Testaufbauten, um die Charakterisierung abzuschließen, vergeudet nicht nur wertvolle Testzeit, sondern führt auch zu Schwierigkeiten bei der Korrelation der Ergebnisse zwischen den beiden Stationen. Darüber hinaus stellen die für die Durchführung von EVM-Messungen mit einem Signalanalysator erforderlichen externen Messvorrichtungen, wie z. B. Dämpfungsglieder oder Booster-Verstärker, eine noch größere Messunsicherheit dar.
Um von der Messung des Sendepfads auf den Empfangspfad überzugehen, müssen die Entwickler bei herkömmlichen Aufbauten die Ausrichtung des Prüflings umdrehen, die Verbindung wiederherstellen, auf den Empfangsmodus umschalten und dann neu kalibrieren. Anschließend würde der Entwickler entweder die Methode der kalten Rauschzahl auf einem VNA-Set-up anwenden oder die Y-Faktor-Methode auf einem Signalanalysator durchführen. Die Y-Faktor-Methode mit dem Signalanalysator würde zusätzlich eine externe Rauschquelle erfordern, um die Rauschzahl des Prüflings zu erfassen.
Vereinfachung der Charakterisierung von T/R-Modulen
In Anbetracht der Bidirektionalität und der Integration von T/R-Modulen stellte die Durchführung einer genauen und reproduzierbaren Charakterisierung bei gleichzeitiger Minimierung der Testzykluszeit in der Vergangenheit eine große Herausforderung dar. Der herkömmliche Testaufbau machte gleichzeitige Messungen unglaublich schwierig, zeitaufwendig und fehleranfällig.
Moderne Netzwerkanalysatoren verfügen über zusätzliche integrierte Hardware, wie z. B. eingebaute Aufwärtswandler und Rauschempfänger an mehreren Anschlüssen, die eine größere Flexibilität beim Testaufbau sowohl für den Sende- als auch für den Empfangspfad ermöglichen. Diese Flexibilität macht den VNA unabhängig von der Ausrichtung, sodass Entwickler das Messgerät einmalig anschließen und kalibrieren und dann verschiedene Sende- und Empfangsmessungen durchführen können. Erweiterte Softwareanwendungen ermöglichen die Spektrums- und Signalanalyse direkt auf dem Netzwerkanalysator, sodass vollständig vektorkorrigierte modulierte Signal-EVM- und ACPR-Messungen mit demselben Aufbau möglich sind, der für CW- und Zweitonprüfungen verwendet wird.
Durch Anwendung der Vektor- und Quellenkalibrierung auf die EVM-Messung liefert der VNA die geringste Rest-EVM, indem er die Referenzebene auf die des Prüflings verschiebt (Bild 4). Das bedeutet, dass der Netzwerkanalysator alle Fehlerbeiträge des Testsystems aus den EVM-Ergebnissen des Leistungsverstärkers entfernt.
Der direkte Empfängerzugriff bei modernen Netzwerkanalysatoren ermöglicht eine noch größere Flexibilität der Messgeräte, da die Entwickler Booster-Verstärker oder Richtkoppler in die Messung einschleifen können, während die Qualität des eingehenden modulierten Signals und die VNA-Kalibrierung der Empfänger erhalten bleiben.
Fazit
Einst eine Topologie, die praktisch ausschließlich Radaranwendungen vorbehalten war, haben Fortschritte in der Komponententechnologie Phased Arrays für die Kommunikationsbranche nutzbar gemacht. Die Funktionalität von Phased Arrays hängt von der Leistung der T/R-Module ab. Der Betrieb des T/R-Moduls wiederum hängt vor allem vom Verhalten der internen Verstärker ab. Die Verstärker sind jedoch die Systemkomponenten, die sich mit herkömmlichen Messgeräten am schwierigsten vollständig charakterisieren lassen.
Moderne Netzwerkanalysatoren bieten die flexible Hardware und Software, die zur Konsolidierung des Testaufbaus für eine Charakterisierung sowohl des LNAs als auch des PAs erforderlich sind. Vektor- und Quellenkorrektur zusammen mit integrierter Hardware und direktem Empfängerzugriff ergeben einen einzigen Messaufbau, der in der Lage ist, genaue und reproduzierbare CW-, Zweiton- und modulierte Signalmessungen an der Referenzebene des Prüflings durchzuführen.
Der Autor
Gabi Duncan
ist Keysight RF Product Portfolio Marketing Manager für Luft-, Raumfahrt & Verteidigung sowie nicht-terrestrische Netzwerk-technologien. Vor ihrer jetzigen Position arbeitete sie als Anwendungsingenieurin für Sensoren und als Entwicklerin für Leistungs-IC-Produkte.
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