Zwischen Elektronik und Photonik
THz-Frequenzen erzeugen und analysieren
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Breitbandsignalerzeugung und -analyse im D-Band
Einer der Schwerpunkte der 6G-Forschung liegt auf dem D-Band (110 bis 170 GHz), weil dieser Frequenzbereich wesentlich größere Bandbreiten von mehreren GHz in Aussicht stellt, die extrem hohe Datenraten versprechen. Bild 4 zeigt einen typischen Test- und Messaufbau zur Signalerzeugung und -analyse zur Unterstützung der Forschung an Komponenten und Transceivern in diesem Frequenzbereich. Dabei wird das Sende-Frontend R&S FE170ST eingesetzt, das die modulierten Signale (z. B. potenzielle 6G-Signalformen) vom Vektorsignalgenerator R&S SMW200A in den Frequenzbereich von 110 bis 170 GHz hochkonvertiert. Als Gegenstück dient das Empfangs-Frontend R&S FE170SR, das die Signale herunterkonvertiert und die Zwischenfrequenz (ZF) an den Signal- und Spektrumanalysator R&S FSW übermittelt. Das demodulierte Signal zeigt eine hervorragende EVM-Performance, die das extrem niedrige Phasenrauschen des erzeugten Signals unterstreicht.
Messungen der Antennenstrahlungsleistung im D-Band
Bei 5G wurden im Zusammenhang mit der Entwicklung von Over-the-Air(OTA)-Testkonzepten erstmals Millimeterwellenfrequenzen für die Mobilfunkkommunikation eingesetzt. Das ist darauf zurückzuführen, dass große und stark miniaturisierte Antennenarrays für leitungsgebundene Messungen nicht mehr zugänglich sind [3]. OTA-Antennentestkonzepte können auf das D-Band und darüber hinaus erweitert werden, um die THz-Kommunikation und -Sensorik zu untersuchen. Zu- künftige Geräte werden noch höher integrierte aktive Antennensysteme für ultramassive MIMO- (Multiple Input Multiple Output) und Sensorikanwendungen enthalten. Da die 6G- Forschung den Fokus auf Frequenzen über 100 GHz legt, sind nicht nur neue Breitbandantennenkonzepte mit hoher Verstärkung erforderlich, sondern auch Fortschritte bei den angewandten Antennenmessverfahren.
Der Übergang von den früheren Sub-6-GHz-Mobilfunkdiensten zum Frequenzbereich 2 (FR2) von 5G NR stellte bereits einen bedeutenden technologischen Sprung dar. Da der Pfadverlust mit dem Quadrat der Frequenz zunimmt, wurden Antennen mit höherem Gewinn und elektronischen Strahlschwenkfähigkeiten sowohl in Endgeräten als auch in der Netzinfrastruktur eingeführt, um eine angemessene Qualität der Funkverbindungen sicherzustellen. Aufgrund des drastischen Anstiegs der Komplexität integrierter Schaltkreise mit der Frequenz ist die Zielsetzung der meisten aktuellen Entwicklungsanstrengungen ein neuer inkrementeller Schritt im Hohlleiter-D-Band (110 bis 170 GHz) und G-Band (140 bis 220 GHz). Eine sphärische Abtastlösung zur Messung der Strahlungsleistung im D-Band mit beispiellosem Dynamikbereich lässt sich in der Absorberkammer R&S ATS1000 realisieren. Die Lösung nutzt ein neues Sondendesign mit direkter Abwärtskonvertierung, das einen Dynamikbereich von mehr als 50 dB bei 170 GHz ermöglicht. Die R&S ATS1000 vereinfacht die Testanforderungen, da für die Messung des Amplitudengangs und kohärenten Phasengangs eines Messobjekts im Frequenzbereich von 110 GHz bis 170 GHz keine mechanischen Änderungen oder zusätzliche HF-Verkabelung erforderlich sind.
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Beispiel: Over-the-Air-Test einer D-Band-Antenne
Bild 5 zeigt eine neu entwickelte, linsenbasierte D-Band-Antenne mit Leckwellen-Speisung von IMST als Prüfling (Device under Test, DUT) in einem kompakten System mit sphärischer Nahfeldabtastung. Die Messungen der Strahlungsmuster wurden im sphärischen Abtastbereich der R&S ATS1000 durchgeführt. Diese Vollabsorberkammer enthält einen Positionierer mit verteilten Achsen. Der Prüfling könnte in 6G-Fronthaul-Punkt-zu-Mehrpunkt-Szenarien eingesetzt werden. Die vereinfachte Speisestruktur besteht aus einer elliptischen Linse mit niedriger Permittivität εr = 2,34 und verlustarmem Polyethylen hoher Dichte (HPDE) mit 35 mm Durchmesser (20 λ bei 170 GHz), was eine kostengünstige Konstruktion ermöglicht. Die Einspeisung besteht aus einem λ/2-Leckwellen-Lufthohlraum, der durch einen WR6-Hohlleiter angeregt wird. Das Strahlungsmuster kann durch Verschieben des Speisepunkts entlang der Brennebene der Linse gesteuert werden.
Eine DUT-Einspeiseanordnung wird verwendet, um phasenkohärente und zeitstabile Messungen durchzuführen. Sie ist in Bild 5 unterhalb der Linsenantenne dargestellt. Diese Kette besteht aus einem subharmonischen D-Band-Mischer, der mit dem an der Sonde verwendeten Mischer identisch ist, sowie einem D-Band-Isolator, der am WR6-Split-Block des Prüflings angeschlossen ist. Die Messungen werden mithilfe des Vier-Tor-Vektornetzwerkanalysators R&S ZNA43 durchgeführt, wobei ein Messtor an der Vorderseite das ZF-Signal zum Prüfling leitet.
Das Blockdiagramm in Bild 5 stellt das Konzept der Messsonde dar. Ein Orthomode Transducer (OMT) ist an eine quadratische 20-dBi-Hornantenne angeschlossen, die eine 3-dB-Strahlbreite von 16° und eine Kreuzpolarisationsisolation von 25 dB über den gesamten D-Band-Frequenzbereich aufweist. Die Anordnung arbeitet reziprok und kann zwei orthogonal polarisierte Felder senden/empfangen, wenn der Prüfling auf Empfangen (RX) bzw. Senden (TX) eingestellt ist. Die Ab- oder Aufwärtskonvertierung erfolgt direkt an der Sonde, wodurch Kabelverluste bei HF-Frequenzen ausgeschlossen werden. Beide Polarisationen können gleichzeitig gemessen werden.
Die Ergebnisse in Bild 6 zeigen eine ausgezeichnete Übereinstimmung zwischen den DUT-Vollwellensimulationen und den Messungen. Das unterstreicht die hohe Genauigkeit des Messsystems und der eingesetzten Messtechnik in Verbindung mit dem neuen Sondendesign. Die phasenkohärente Datenerfassung wie die Nahfeld-Fernfeld-Transformation (NF2FF) lässt sich bei passiven Antennenmessungen erfolgreich anwenden. Bemerkenswerterweise zeigen die untransformierten Messergebnisse in Rot, dass der Hauptstrahl des Strahlungsmusters bereits nahe am asymptotischen Fernfeldverhalten ist.
Zusammenfassend konnte das hocheffiziente D-Band-Linsenantennen-Design einen Gewinn von mehr als 30 dB über 42 % Bandbreite erzielen. Die präzise Charakterisierung dieser Antenne wurde mittels eines Testsystems mit sphärischer Abtastung durchgeführt, das stabile phasenkohärente Messungen mit direkter Frequenzumsetzung am Prüflingseingang und an den Messsondenausgängen ermöglicht. Phasenkohärenz ist unerlässlich, um die präzise Anwendung von Nahfeld-Fernfeld-Transformationsalgorithmen zu gewährleisten, die für eine genaue Bestimmung von Richtdiagramm-Nullstellen und Nebenkeulenpegeln essenziell sind.
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